CN104578827A - 一种变压器 - Google Patents

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梅文庆
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Abstract

本发明公开了一种变压器，在对工频交流电压分压后进行变频，将工频交流电压变换为高频交流电压之后再进行高频变压实现变压功能，由于变压器的体积与频率成反比，所以将工频电压变换为高频后进行变压可以减小变压模块部分的体积与重量，实现变压器体积与重量较小情况下的高质量变压，且在变压前进行滤波滤除谐波防止发生谐振。

Description

一种变压器
技术领域
本发明涉及变压领域，特别是涉及一种变压器。
背景技术
在电力机车、动车组等的牵引传动***中，牵引主变压器为单原边多副边的单相工频变压器。传统的电力机车工频变压器将25kV的交流电压降到牵引电机及其它车载电器工作所适合的电压等级，其中主变压器的副边绕组给四象限整流装置供电，辅助绕组给辅变电源供电。四象限整流装置将工频交流电压转换成直流电压，供给逆变器驱动牵引电机。
主变压器采用铜线绕组线圈构成，体积与重量较大，且工作时需要冷却，冷却设备也需要占用空间，变压器的体积和重量的大小对机车的设计有很大的影响，特别是在动力分散的高速动车组中，由于要求的牵引功率和回馈的制动功率大，变压器较大的重量将直接影响列车的提速；同时由于分散动力的牵引设备不再集中安装在机车上，而是分散安装在列车的车厢里，变压器体积庞大将增加列车的设计难度，减小载客量。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种变压器，可以在变压器体积重量较小的情况下实现高质量变压。
为实现上述目的，本发明提供了一种变压器，应用于工频交流电压源与逆变器之间，所述变压器包括：
与所述交流电压源相连接，用于滤除谐波的滤波模块；
至少一个变压模块，所述变压模块包括：
用于将所述电压源的高压进行分压的高压分压子模块；
与所述高压分压子模块相连接，用于将工频交流电压变换为高频交流电压的频率变换子模块；
与所述频率变换子模块相连接，用于将所述高频交流电压的能量进行存储传输的换能子模块；
与所述换能子模块相连接，用于将所述高频交流电压的电压变换为目标幅值的高频变压子模块；
与所述高频变压子模块相连接，用于将所述高频变压器输出的高频交流电压转换为直流电压的交直流转换子模块。
优选地，所述变压器还包括：
用于隔离故障器件的故障隔离子模块，所述高压分压子模块通过所述故障隔离子模块与所述频率变换子模块相连接。
优选地，所述故障隔离子模块包括放电回路和隔离回路，所述放电回路由两个反并联的晶闸管和一个电阻串联组成，所述隔离回路为一个接触器。
优选地，所述变压器还包括：
与所述交直流转换子模块相连接，用于当所述高压分压子模块、频率变换子模块和所述高频变压子模块发生故障时断开所述高频变压子模块与所述逆变器的连接的输出二极管。
优选地，所述变压器还包括：
与所述输出二极管相连接，用于在所述逆变器工作时存储能量的储能子模块。
优选地，所述滤波模块包括电感线圈和电容器。
优选地，所述高压分压子模块为一个电容器。
优选地，所述频率变换子模块与所述电容器并联，所述频率变换子模块包括并联的两个相同支路，每个支路包括两个串联的双向开关，所述双向开关由两个绝缘栅双极型晶体管反串联组成。
优选地，所述换能子模块为一个电感线圈。
应用本发明提供的变压器，在对工频交流电压分压后进行变频，将工频交流电压变换为高频交流电压之后再进行高频变压实现变压功能，由于变压器的体积与频率成反比，所以将工频电压变换为高频后进行变压可以减小变压模块部分的体积与重量，实现变压器体积与重量较小情况下的高质量变压，且在变压前进行滤波滤除谐波防止发生谐振。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术的变压器原理图；
图2为本发明一种变压器的结构示意图；
图3为本发明一种变压器的具体实施例拓扑原理图；
图4为本发明一种变压器实施例的结构原理图；
图5为本发明一种变压器实施例的又一结构原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
传统的电力机车工频变压器将25kV的交流电压降到牵引电机及其它车载电器工作所适合的电压等级，其中主变压器的副边绕组给四象限整流装置供电，辅助绕组给辅变电源供电。四象限整流装置将工频交流电压转换成直流电压，供给逆变器驱动牵引电机。如图1所示，为传统的工频变压器变压原理示意图。从图1可知，既有的工频牵引变压器具有简单、可靠性高，价格低廉等优点。但是它也有如下一些明显的缺点：
1、体积和重量大，影响列车的载客量和高速性能，特别是在动力分散的动车组上，安装空间的限制使得变压器体积和重量的影响尤为突出；
2、工频变压器的输出电压会随着负载的变化而变化，输出电压的跌落会给传动控制带来难度；
3、工频变压器连接整流装置，整流装置将产生开关特征次高频谐波，引起车网谐振；
4、工频变压器需制动能量将反馈至牵引网，容易使牵引网电网异常升高。
本发明提供了一种变压器，应用于工频交流电压源与逆变器之间，如图2所示，为本发明变压器的结构示意图，所述变压器包括：
与所述交流电压源相连接，用于滤除谐波的滤波模块101；
至少一个变压模块，所述变压模块包括：
用于将所述电压源的高压进行分压的高压分压子模块102；
与所述高压分压子模块102相连接，用于将工频交流电压变换为高频交流电压的频率变换子模块103；
与所述频率变换子模块103相连接，用于将所述高频交流电压的能量进行存储传输的换能子模块104；
与所述换能子模块104相连接，用于将所述高频交流电压的电压变换为目标幅值的高频变压子模块105；
与所述高频变压子模块105相连接，用于将所述高频变压器输出的高频交流电压转换为直流电压的交直流转换子模块106。
本实施例中高压分压子模块102可采用电容器实现分压，同时电容器也具有滤波功能，与滤波模块101一起组成滤波支路滤除谐波。
应用本实施例提供的变压器，在对工频交流电压分压后进行变频，将工频交流电压变换为高频交流电压之后再进行高频变压实现变压功能，由于变压器的体积与频率成反比，所以将工频电压变换为高频后进行变压可以减小变压模块部分的体积与重量，实现变压器体积与重量较小情况下的高质量变压，且在变压前进行滤波滤除谐波防止发生谐振。
如图3所示，为本发明的又一具体实施例的拓扑原理图，包括6个部分：
1)高压分压滤波支路。交流电压25kV的铁路牵引网引出高压，通过滤波电抗L，和电容(C1-Cn)，回流至地线。其中，电容C1-Cn每个电容的参数一样，和滤波电抗L一起组成分压和滤波支路。由于每个电容的设计参数一致，所以每个电容上承受的交流电压都近似等于(25kV/n)。电感线圈与电容器对高压中的谐波进行滤除，多个电容器对交流高压进行分压。
2)电容放电及隔离回路SP。SP回路并联在电容C两端，由放电回路和隔离回路两条支路组成。其中放电回路由反并联晶闸管S1，S2串联一个放电电阻R而成。隔离回路由一个接触器Q组成。SP回路的主要作用有：当电容发生过压故障时，触发反并联晶闸管，通过电阻迅速将电容的电放掉，并合上接触器Q，将故障电容隔离；当装置中模块SM和SN发生故障时，合上接触器Q，将故障支路隔离。
3)交流变换AC-AC功率子模块SM。SM模块用来进行变频，并联在电容C两端，由四个桥臂组成，每个桥臂由两个绝缘栅双极型晶体管IGBT模块反串联而成，组成一个双向开关，如图4所示。双向开关既能阻断任意方向的电压，也能开通任意方向的电流。通过适当的脉冲调制策略，SM模块对电容C两端的交流电压进行中高频率的斩波控制，可以将电容C两端的工频50HZ的交流电压变换成高频交流电压。
4)高频变压器MFT及电感Lf。电感Lf是能量存储与转移的载体，是变换器能量传输的重要元件，同时也是保证变换器实现软开关的换能元件。高频变压器MFT的作用主要是将隔离高低电位，将模块SM输出的高频电压变换成不同幅值的高频电压。
5)交直流变换AC-DC模块SN。SN为一个常规的H桥整流模块，主要作用是将高频变压器输出的高频电压，通过合理地控制开关器件的通断，使隔离变压器两侧的变换单元之间产生功率流动，并将高频交流电压变换成直流电压。
6)输出二极管Do及储能装置。二极管Do串联在整流模块SN的直流输出侧，主要作用是当滤波分压电容C及半导体器件模块SM和SN发生故障时，SP回路将支路隔离后，整流模块电容Cd通过Rd放电，电压下降后二极管承受反向电压，自动将支路与直流母线阻断。储能装置并联在直流母线上，用于当牵引电机制动时，储存制动能量。
本实施例提供了适用于电力机车的牵引固态变压器的拓扑，控制方式不限，在滤波部分LC参数可以配置成高通滤波器，低通滤波器，单调谐滤波器等，同时，电感L和电容C也可以串联不同的个数，并联不同的个数。
应用本实施例的固态变压器，可以消除牵引网的谐波，牵引网侧的电感L和滤波电容(C1-Cn)既可配置成单调谐滤波器，也可以配置成高通或者低通滤波器。高通滤波器主要是考虑到滤除开关器件所产生的高次谐波。低通滤波器主要考虑电网中的3，5次谐波等。本实施例巧妙的利用电容进行分压，以提供合适的交流电压给模块SM进行AC-AC的频率变换，又能够通过LC组成的滤波支路，对牵引网进行滤波处理，提高牵引网的电能质量。
应用本实施例的固态变压器，采用高频能量传输技术，通过控制模块SM和SN变换器，在高频变压器两侧产生频率相同但相位不同的高频交流电压源，通过控制两个高频电压源之间的相位关系就可以控制传输功率的大小和方向，能量传输的载体为连接电网Lf。如图5所示，U1和代表模块SM输出的电压幅值和相位，U2和代表输入模块SN的电压幅值和相位，通过控制两个电压之间的相位差，就可以控制传输功率P的大小和方向。
另外本实施例采用了故障冗余技术，由于电容是串联在高压牵引网中，同时在牵引工况下，对半导体器件过载能力要求高，所以电容C和模块SM，SN都属于易损器件，需做故障冗余处理。当电容发生过压故障时，触发反并联晶闸管，通过电阻迅速将电容的电放掉，并合上接触器Q，将故障电容隔离；当装置中模块SM和SN发生故障时，合上接触器Q，将故障支路隔离。同时，SN模块上电容Cd通过放电电阻Rd放电，电容电压下降，二极管Do将SN模块从直流母线隔离。
综上所述，本实施例提供的变压器，能够取代电力机车原有的工频变压器，四象限整流装置，能够减小列车的体积和重量。同时还能够滤除牵引网侧的高频谐波，避免车网谐振，利用储能装置存储制动能量和持续给牵引电机供电。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于***类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的变压器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。7 -->

Claims (9)

1.一种变压器，其特征在于，应用于工频交流电压源与逆变器之间，所述变压器包括：
与所述交流电压源相连接，用于滤除谐波的滤波模块；
至少一个变压模块，所述变压模块包括：
用于将所述电压源的高压进行分压的高压分压子模块；
与所述高压分压子模块相连接，用于将工频交流电压变换为高频交流电压的频率变换子模块；
与所述频率变换子模块相连接，用于将所述高频交流电压的能量进行存储传输的换能子模块；
与所述换能子模块相连接，用于将所述高频交流电压的电压变换为目标幅值的高频变压子模块；
与所述高频变压子模块相连接，用于将所述高频变压器输出的高频交流电压转换为直流电压的交直流转换子模块。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，还包括：
用于隔离故障器件的故障隔离子模块，所述高压分压子模块通过所述故障隔离子模块与所述频率变换子模块相连接。
3.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，所述故障隔离子模块包括放电回路和隔离回路，所述放电回路由两个反并联的晶闸管和一个电阻串联组成，所述隔离回路为一个接触器。
4.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，还包括：
与所述交直流转换子模块相连接，用于当所述高压分压子模块、频率变换子模块和所述高频变压子模块发生故障时断开所述高频变压子模块与所述逆变器的连接的输出二极管。
5.根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，还包括：
与所述输出二极管相连接，用于在所述逆变器工作时存储能量的储能子模块。
6.根据权利要求5所述的变压器，其特征在于，所述滤波模块包括电感线圈与电容器。
7.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，所述高压分压子模块为一个电容器。
8.根据权利要求7所述的变压器，其特征在于，所述频率变换子模块与所述电容器并联，所述频率变换子模块包括并联的两个相同支路，每个支路包括两个串联的双向开关，所述双向开关由两个绝缘栅双极型晶体管反串联组成。
9.根据权利要求8所述的变压器，其特征在于，所述换能子模块为一个电感线圈。
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