CN112820523A - 多相自耦变压器及整流器*** - Google Patents

多相自耦变压器及整流器*** Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种多相自耦变压器及整流器***。多相自耦变压器包括第一铁芯柱、第二铁芯柱和第三铁芯柱，第一铁芯柱、第二铁芯柱和第三铁芯柱上均设置有第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第五绕组和第六绕组，采用了特定绕组设计和结构布局，可以将输入的三相线电压变换为三组三相相电压，特定的相电压之间共同形成九相线电压输出，实现九相工频AC‑DC整流，提高了功率因数，减少了输入电流总谐波含量，提高了变压器的工作性能，降低了附加无功补偿和谐波治理成本，特别是，该多相自耦变压器按升压功能设计，输出端的电压大于输入端的电压，可以满足高压变频器等直接高电压工频AC‑DC整流应用要求，使用成本低，可靠性高。

Description

多相自耦变压器及整流器***
技术领域
本申请涉及变压器技术领域，特别是涉及一种多相自耦变压器及整流器***。
背景技术
变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件包括线圈和铁芯，主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压等。多相自耦移相整流变压器是变压器的一种，是实现工频AC-DC整流的核心部件，广泛应用于中大功率变频器***中，具有对市电供电环境适应能力强、抗负载冲击能力强、可靠性高等优点。
传统的工频AC-DC整流采用“3相6脉波”工频AC-DC整流，其核心部件采用三相变压器，但这种方法功率因数低且会产生较大的输入电流谐波，超出了工业应用的电网无功和谐波限定要求，对电网影响大且对其它电气设备产生严重谐波干扰。中大功率应用需外加较高成本的无功补偿和谐波治理设备，使用附加成本高，可靠性低。
发明内容
基于此，有必要针对传统的工频AC-DC整流方法使用的诸多问题，提供一种多相自耦变压器及整流器***。
一种多相自耦变压器，包括第一铁芯柱、第二铁芯柱和第三铁芯柱，所述第一铁芯柱、所述第二铁芯柱和所述第三铁芯柱上均设置有第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第五绕组和第六绕组；
所述第一铁芯柱上第一绕组的第一端连接所述第二铁芯柱上第四绕组的第一端，所述第二铁芯柱上第一绕组的第一端连接所述第三铁芯柱上第四绕组的第一端，所述第三铁芯柱上第一绕组的第一端连接所述第一铁芯柱上第四绕组的第一端；
所述第一铁芯柱上第五绕组的第二端连接所述第二铁芯柱上第三绕组的第二端，所述第二铁芯柱上第五绕组的第二端连接所述第三铁芯柱上第三绕组的第二端，所述第三铁芯柱上第五绕组的第二端连接所述第一铁芯柱上第三绕组的第二端；
所述第一铁芯柱上第四绕组的第二端和所述第一铁芯柱上第五绕组的第一端均连接所述第三铁芯柱上第六绕组的第一端，所述第三铁芯柱上第四绕组的第二端和所述第三铁芯柱上第五绕组的第一端均连接所述第二铁芯柱上第六绕组的第一端，所述第二铁芯柱上第四绕组的第二端和所述第二铁芯柱上第五绕组的第一端均连接所述第一铁芯柱上第六绕组的第一端；
所述第二铁芯柱上第二绕组的第二端连接所述第二铁芯柱上第三绕组的第一端，所述第三铁芯柱上第二绕组的第二端连接所述第三铁芯柱上第三绕组的第一端，所述第一铁芯柱上第二绕组的第二端连接所述第一铁芯柱上第三绕组的第一端；
所述第三铁芯柱上第一绕组的第二端连接所述第三铁芯柱上第二绕组的第一端，所述第一铁芯柱上第一绕组的第二端连接所述第一铁芯柱上第二绕组的第一端，所述第二铁芯柱上第一绕组的第二端连接所述第二铁芯柱上第二绕组的第一端；
所述多相自耦变压器的输入端包括所述第一铁芯柱上第六绕组的第二端、所述第二铁芯柱上第六绕组的第二端和所述第三铁芯柱上第六绕组的第二端，所述多相自耦变压器的输出端包括各铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端、各铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端和各铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端。
一种整流器***，包括全波整流桥和如上述的多相自耦变压器，所述全波整流桥连接所述多相自耦变压器的输出端。
上述多相自耦变压器及整流器***，采用了特定绕组设计和结构布局，通过在三个铁芯柱上分别设置六个绕组，并通过各个绕组之间的特定连接关系，使该变压器具有三个输入端，九个输出端，可以将输入的三相线电压变换为三组三相相电压，特定的相电压之间共同形成九相线电压输出，实现九相工频AC-DC整流，提高了功率因数和减少了输入电流总谐波含量，提高了变压器的工作性能，降低了附加无功补偿和谐波治理成本，特别是，该多相自耦变压器按升压功能设计，输出端的电压大于输入端的电压，可以满足高压变频器等直接高电压工频AC-DC整流应用要求，使用成本低和可靠性高。
在其中一个实施例中，所述第一铁芯柱上的各绕组的绕向方向相同，所述第二铁芯柱上的各绕组的绕向方向相同，所述第三铁芯柱上的各绕组的绕向方向相同。
在其中一个实施例中，所述多相自耦变压器的输出端包括主升压三相电压输出端、超前相三相电压输出端和滞后相三相电压输出端，所述主升压三相电压输出端包括所述第一铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端、所述第二铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端和所述第三铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端，所述超前相三相电压输出端包括所述第一铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端、所述第二铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端和所述第三铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端，所述滞后相三相电压输出端包括所述第一铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端、所述第二铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端和所述第三铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端。
在其中一个实施例中，所述超前相三相电压输出端输出的电压矢量超前于所述主升压三相电压输出端输出的电压矢量，所述滞后相三相电压输出端输出的电压矢量滞后于所述主升压三相电压输出端输出的电压矢量。
在其中一个实施例中，所述第一铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000041
所述第二铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000042
所述第三铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000043
所述第一铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000044
所述第二铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000045
所述第三铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000046
所述第一铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000047
所述第二铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA00029337465600000414
所述第三铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000048
线电压差矢量
Figure BDA0002933746560000049
Figure BDA00029337465600000410
和
Figure BDA00029337465600000411
的幅值相等。
在其中一个实施例中，所述线电压差矢量
Figure BDA00029337465600000412
Figure BDA00029337465600000413
和其反相矢量，在360度范围内形成间隔20度的矢量分布。
在其中一个实施例中，所述第一铁芯柱、所述第二铁芯柱和所述第三铁芯柱上对应绕组的匝数相等。
在其中一个实施例中，各铁芯柱上第一绕组和第三绕组的匝数相同，各铁芯柱上第四绕组和第五绕组的匝数相同。
在其中一个实施例中，所述全波整流桥包括九个整流二极管桥臂，所述多相自耦变压器的一个输出端对应连接一个整流二极管桥臂的交流输入节点，各所述整流二极管桥臂的直流侧正极的公共连接端形成负载正极连接端，各所述整流二极管桥臂的直流侧负极的公共连接端形成负载负极连接端。
附图说明
图1为一个实施例中多相自耦变压器的结构示意图；
图2为一个实施例中多相自耦变压器的结构图；
图3为一个实施例中多相自耦变压器的工作原理图；
图4为一个实施例中整流器***的结构示意图；
图5为一个实施例中整流器***的结构图；
图6为一个实施例中整流器***的输入电流和输出电压波形示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，参见图1，提供一种多相自耦变压器，包括第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23，第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上均设置有第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第五绕组和第六绕组。参见图2，第一铁芯柱21上第一绕组311的第一端连接第二铁芯柱22上第四绕组324的第一端，第二铁芯柱22上第一绕组321的第一端连接第三铁芯柱23上第四绕组334的第一端，第三铁芯柱23上第一绕组331的第一端连接第一铁芯柱21上第四绕组314的第一端。第一铁芯柱21上第五绕组315的第二端连接第二铁芯柱22上第三绕组323的第二端，第二铁芯柱22上第五绕组325的第二端连接第三铁芯柱23上第三绕组333的第二端，第三铁芯柱23上第五绕组335的第二端连接第一铁芯柱21上第三绕组313的第二端。
第一铁芯柱21上第四绕组314的第二端和第一铁芯柱21上第五绕组315的第一端均连接第三铁芯柱23上第六绕组336的第一端，第三铁芯柱23上第四绕组334的第二端和第三铁芯柱23上第五绕组335的第一端均连接第二铁芯柱22上第六绕组326的第一端，第二铁芯柱22上第四绕组324的第二端和第二铁芯柱22上第五绕组325的第一端均连接第一铁芯柱21上第六绕组316的第一端。第二铁芯柱22上第二绕组322的第二端连接第二铁芯柱22上第三绕组323的第一端，第三铁芯柱23上第二绕组332的第二端连接第三铁芯柱23上第三绕组333的第一端，第一铁芯柱21上第二绕组312的第二端连接第一铁芯柱21上第三绕组313的第一端。第三铁芯柱23上第一绕组331的第二端连接第三铁芯柱23上第二绕组332的第一端，第一铁芯柱21上第一绕组311的第二端连接第一铁芯柱21上第二绕组312的第一端，第二铁芯柱22上第一绕组321的第二端连接第二铁芯柱22上第二绕组322的第一端。
多相自耦变压器的输入端包括第一铁芯柱21上第六绕组316的第二端、第二铁芯柱22上第六绕组326的第二端和第三铁芯柱23上第六绕组336的第二端，多相自耦变压器的输出端包括各铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端、各铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端和各铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端。
具体地，本实施例中的多相自耦变压器是实现工频AC-DC整流的核心部件，可以应用在中大功率无刷双馈电机变频调速***等大功率高压变频器***中。多相自耦变压器包括第一铁芯柱21及设置在第一铁芯柱21上的第一绕组311、第二绕组312、第三绕组313、第四绕组314、第五绕组315和第六绕组316，还包括第二铁芯柱22及设置在第二铁芯柱22上的第一绕组321、第二绕组322、第三绕组323、第四绕组324、第五绕组325和第六绕组326，还包括第三铁芯柱23和设置在第三铁芯柱23上的第一绕组331、第二绕组332、第三绕组333、第四绕组334、第五绕组335和第六绕组336。进一步地，第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第五绕组和第六绕组在各铁芯柱上的设置位置相对应，在各铁芯柱上的对应位置设置的绕组采用对应的绕组序号，便于识别变压器结构。除此之外，该多相自耦变压器还包括上铁轭11和下铁轭12，第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23的一端连接上铁轭11，另一端连接下铁轭12。第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23，以及上铁轭11和下铁轭12可采用相同材料的矽钢片，以保障磁路工作正常。
多相自耦变压器输入端的数量为三个，输出端的数量为九个时，多相自耦变压器可接入工频三相电压，输出工频九相电压，此时多相自耦变压器为九相自耦变压器。多相自耦变压器采用了特定绕组设计和结构布局，通过在三个铁芯柱上分别设置六个绕组，并通过各个绕组之间的特定连接关系，使该变压器具有三个输入端，九个输出端，可以将输入的三相线电压变换为三组三相相电压，共同形成特定的九相线电压输出，实现九相工频AC-DC整流，减少了输入电流总谐波含量，提高了变压器的功率因数和工作性能，降低了谐波治理成本，特别是，该多相自耦变压器按升压功能设计，输出端的电压大于输入端的电压，可以满足高压变频器等直接高电压工频AC-DC整流应用要求，使用成本低和可靠性高。
在一个实施例中，第一铁芯柱21上的各绕组的绕向方向相同，第二铁芯柱22上的各绕组的绕向方向相同，第三铁芯柱23上的各绕组的绕向方向相同。
具体地，请参见图1-2，将各铁芯柱上各个绕组的第一端分别作为各个绕组的头，将各铁芯柱上各个绕组的第二端分别作为各个绕组的尾。绕组的绕向是指绕组在对应铁芯柱上的缠绕方向。第一铁芯柱21上的各绕组的绕向方向相同，各绕组的头(有黑点标识的端子)互为同名端，各绕组的尾(无黑点标识的端子)互为同名端。第二铁芯柱22上的各绕组的绕向方向也相同，各绕组的头(有黑点标识的端子)互为同名端，各绕组的尾(无黑点标识的端子)互为同名端。第三铁芯柱23上的各绕组的绕向方向相同，各绕组的头(有黑点标识的端子)互为同名端，各绕组的尾(无黑点标识的端子)互为同名端。进一步地，第一铁芯柱21上的各绕组的绕向、第二铁芯柱22上的各绕组的绕向和第三铁芯柱23上的各绕组的绕向等分别对应相同，例如第一铁芯柱21上的第一绕组311、第二铁芯柱22上的第一绕组和321第三铁芯柱23上的第一绕组331的绕向相同。
在一个实施例中，请参见图2-图3，多相自耦变压器的输出端包括主升压三相电压输出端、超前相三相电压输出端和滞后相三相电压输出端，主升压三相电压输出端包括第一铁芯柱21上第四绕组314与第五绕组315的公共连接端、第二铁芯柱22上第四绕组324与第五绕组325的公共连接端和第三铁芯柱23上第四绕组334与第五绕组335的公共连接端，超前相三相电压输出端包括第一铁芯柱21上第二绕组312与第三绕组312的公共连接端、第二铁芯柱22上第二绕组322与第三绕组323的公共连接端和第三铁芯柱23上第二绕组332与第三绕组333的公共连接端，滞后相三相电压输出端包括第一铁芯柱21上第一绕组311与第二绕组312的公共连接端、第二铁芯柱22上第一绕组321与第二绕组322的公共连接端和第三铁芯柱23上第一绕组331与第二绕组332的公共连接端。
具体地，请参见图2-3，节点(A，B，C)为工频三相电压输入端，对应矢量
Figure BDA0002933746560000091
为工频三相输入相电压矢量，即多相自耦变压器的三个输入端电压矢量。节点(A0，B0，C0)为工频三相“主升压相”输出端，即主升压三相电压输出端，对应矢量
Figure BDA0002933746560000092
为工频三相“主升压相”相电压矢量。节点(A1，B1，C1)为工频三相“超前相”输出端，即超前相三相电压输出端，对应矢量
Figure BDA0002933746560000093
Figure BDA0002933746560000094
为工频三相“超前相”相电压矢量。节点(A2，B2，C2)为工频三相“滞后相”输出端，即滞后相三相电压输出端，对应矢量
Figure BDA0002933746560000095
为工频三相“滞后相”相电压矢量。输入工频三相电压(A-B-C)分别从各铁芯柱上的第六绕组的尾连接点输入，输出主升压相三相电压(A0-B0-C0)分别从各铁芯柱上的第六绕组的头连接点输出，超前相三相电压(A1-B1-C1)分别从各铁芯柱上的第二绕组与第三绕组的连接点输出，滞后相三相电压(A2-B2-C2)分别从各铁芯柱上的第一绕组与第二绕组的连接点输出。
在一个实施例中，超前相三相电压输出端输出的电压矢量超前于主升压三相电压输出端输出的电压矢量，滞后相三相电压输出端输出的电压矢量滞后于主升压三相电压输出端输出的电压矢量。
具体地，超前相三相电压输出端输出的电压矢量超前于主升压三相电压输出端输出的电压矢量，是指超前相三相电压输出端输出的电压矢量
Figure BDA0002933746560000096
分别超前于主升压三相电压输出端输出的电压矢量
Figure BDA0002933746560000097
相位角一定角度，滞后相三相电压输出端输出的电压矢量滞后于主升压三相电压输出端输出的电压矢量，是指滞后相三相电压输出端输出的电压矢量
Figure BDA0002933746560000101
分别滞后于主升压三相电压输出端输出的电压矢量
Figure BDA0002933746560000102
一定相位角，超前和滞后的角度均为37度。
在一个实施例中，请参见图2-3，第一铁芯柱21上第四绕组314与第五绕组315的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000103
第二铁芯柱22上第四绕组324与第五绕组325的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000104
第三铁芯柱23上第四绕组334与第五绕组335的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000105
第一铁芯柱21上第二绕组312与第三绕组313的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000106
第二铁芯柱22上第二绕组322与第三绕组323的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000107
第三铁芯柱23上第二绕组332与第三绕组333的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000108
第一铁芯柱21上第一绕组311与第二绕组312的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA0002933746560000109
第二铁芯柱22上第一绕组321与第二绕组322的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA00029337465600001010
第三铁芯柱23上第一绕组331与第二绕组332的公共连接端输出的电压矢量为
Figure BDA00029337465600001011
线电压差矢量
Figure BDA00029337465600001012
Figure BDA00029337465600001013
和
Figure BDA00029337465600001014
的幅值相等。
当以下九个线电压差矢量
Figure BDA00029337465600001015
Figure BDA00029337465600001016
相等时，若多相自耦变压器的九个输出端分别连接一个整流二极管桥臂，则可使九个整流二极管桥臂的输出实现直接并联，所有整流二极管桥臂的正极形成一个公共连接端，用于连接整流负载的正极，所有二极管桥臂的负极形成一个公共连接端，用于连接整流负载的负极。即多相自耦变压器输出的电压整流后不需要外接平衡电抗器，可以满足高压变频器等直接高电压工频AC-DC整流应用要求，降低了设备的使用成本和占用体积，提高了使用便捷性。
在一个实施例中，线电压差矢量
Figure BDA0002933746560000111
Figure BDA0002933746560000112
和其反相矢量，在360度范围内形成间隔20度的矢量分布。
当线电压差矢量
Figure BDA0002933746560000113
Figure BDA0002933746560000114
和其反相矢量，在360度范围内形成间隔20度的矢量分布时，若多相自耦变压器的九个输出端分别连接一个整流二极管桥臂，则可使各整流二极管桥臂的输出并联后实现18脉波纹波。进一步地，在此基础上，设“主升压相”相电压矢量
Figure BDA0002933746560000115
的幅值分别是三相输入相电压矢量
Figure BDA0002933746560000116
Figure BDA0002933746560000117
的K倍(K>1)，三相输入(A，B，C)相电压幅值均为VP，则三相主升压输出(A0，B0，C0)相电压幅值均为K·VP，由此可求得各超前相相电压矢量
Figure BDA0002933746560000118
Figure BDA0002933746560000119
的幅值均为0.767·K·VP，对应超前主矢量相位约37度；各滞后相相电压矢量
Figure BDA00029337465600001110
的幅值也均为0.767·K·VP，对应滞后主矢量相位约37度。
在一个实施例中，第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上对应绕组的匝数相等。当第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上对应绕组的匝数相等时，有利于提高多相自耦变压器输出电压的幅值和相位的对称性，具体地，第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上对应绕组的匝数相等，是指第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上对应位置上的绕组的匝数相等，例如第一铁芯柱21上的第一绕组、第二铁芯柱22上的第一绕组和第三铁芯柱23上的第一绕组的匝数相等，第一铁芯柱21上的第二绕组、第二铁芯柱22上的第二绕组和第三铁芯柱23上的第二绕组的匝数相等，其他具有对应绕组序号的绕组的匝数也相等，在此不再赘述。
设“主升压相”相电压矢量
Figure BDA00029337465600001111
的幅值分别是三相输入相电压矢量
Figure BDA00029337465600001112
的K倍(K>1)，则根据变压器的磁通和各绕组电动势约束关系，差矢量
Figure BDA0002933746560000121
分别超前对应主升压矢量
Figure BDA0002933746560000122
相位角30度。差矢量
Figure BDA0002933746560000123
分别是绕组336、绕组316和绕组326的电压矢量。设三相输入(A，B，C)相电压幅值均为VP，则三相主升压输出(A0，B0，C0)相电压幅值均为K·VP。由矢量三角形
Figure BDA0002933746560000124
矢量三角形
Figure BDA0002933746560000125
和矢量三角形
Figure BDA0002933746560000126
可求得第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上的第六绕组的电压幅值均为：VN4＝2·VP·sin[arcsin(0.5·K)-30°]，因此第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上的第六绕组的匝数相同，图3中均标识匝数为N4。实际制作中可由绕组电压和铁芯材料确定绕组匝数N4。
在一个实施例中，各铁芯柱上第一绕组和第三绕组的匝数相同，各铁芯柱上第四绕组和第五绕组的匝数相同。进一步地，在第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上对应绕组的匝数相等的基础上，参考前文中对各铁芯柱上第六绕组的电压幅值的计算方法可求得，各铁芯柱上第一绕组和第三绕组的电压幅值均为：VN1＝0.44738·K·VP，因此第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上的第一绕组的匝数与第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上的第三绕组的匝数相同，在图3中均标识匝数为N1，实际制作中可由绕组电压和铁芯材料确定绕组匝数N1。
参考前文中对各铁芯柱上第六绕组的电压幅值的计算方法可求得，各铁芯柱上第四绕组和第五绕组的电压幅值均为：VN3＝0.46159·K·VP-0.5·VN1，因此第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上的第四绕组的匝数与第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上的第五绕组的电压幅值也相等，即这六个绕组的电压幅值相等。第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上的第四绕组的匝数与第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上的第五绕组的匝数相同，在图3中均标识匝数为N3，实际制作中可由绕组电压和铁芯材料确定绕组匝数N3。
进一步地，参考前文中对各铁芯柱上第六绕组的电压幅值的计算方法可求得，各铁芯柱上第二绕组的电压幅值均为：VN2＝0.59938·K·VP，因此第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23上的第二绕组的匝数相同，图3中均标识匝数为N2。实际制作中可由绕组电压和铁芯材料确定绕组匝数N2。
上述多相自耦变压器，采用了特定绕组设计和结构布局，通过在三个铁芯柱上分别设置六个绕组，并通过各个绕组之间的特定连接关系，使该变压器具有三个输入端，九个输出端，可以将输入的三相线电压变换为三组三相相电压，共同形成特定的九相线电压输出，实现九相工频AC-DC整流，提高了功率因数，减少了输入电流总谐波含量，提高了变压器的整体工作性能，降低了无功补偿和谐波治理成本，特别是，该多相自耦变压器按升压功能设计，输出端的电压大于输入端的电压，可以满足高压变频器等直接高电压工频AC-DC整流应用要求，使用成本低和可靠性高。
在一个实施例中，请参见图4-图5，提供一种整流器***，包括全波整流桥50和如上述的多相自耦变压器40，全波整流桥50连接多相自耦变压器40的输出端。多相自耦变压器40可输出特定的对称九相线电压，九相线电压经过全波整流桥50整流后可应用于电阻负载90。
在一个实施例中，请参见图5，全波整流桥50包括九个整流二极管桥臂，多相自耦变压器40的一个输出端对应连接一个整流二极管的交流输入节点，各整流二极管的直流侧正极的公共连接端形成电阻负载90正极连接端，各整流二极管的直流侧负极的公共连接端形成电阻负载90负极连接端。九个整流二极管桥臂采用18个整流二极管，多相自耦变压器40的九相输出分别连接整流二极管桥臂的交流输入节点，而所有整流二极管桥臂的直流侧正极接在一起连接整流电阻负载90的正极，所有整流二极管桥臂的直流侧负极接在一起连接整流电阻负载90的负极，可以满足高压变频器等直接高电压工频AC-DC整流应用要求。
为了更好地理解上述实施例，以下结合一个具体的实施例进行详细的解释说明。在本实施例中，多相自耦变压器为九相升压自耦移相整流变压器，包括铁芯和绕组。铁芯包括上铁轭11、下铁轭12、第一铁芯柱21、第二铁芯柱22和第三铁芯柱23。第一铁芯柱上的绕组结构31包括第一绕组311、第二绕组312、第三绕组313、第四绕组314、第五绕组315、第六绕组316。第二铁芯柱上的绕组结构32包括第一绕组321、第二绕组322、第三绕组323、第四绕组324、第五绕组325、第六绕组326。第三铁芯柱上的绕组结构33包括第一绕组331、第二绕组332、第三绕组333、第四绕组334、第五绕组335、第六绕组336。
请参见图1，第一铁芯柱21上的各绕组的绕向方向相同，各绕组的头(有黑点标识的端子)互为同名端，各绕组的尾(无黑点标识的端子)互为同名端。图1中第二铁芯柱22上的各绕组的绕向方向相同，各绕组的头(有黑点标识的端子)互为同名端，各绕组的尾(无黑点标识的端子)互为同名端。图1中第三铁芯柱23上的各绕组的绕向方向相同，各绕组的头(有黑点标识的端子)互为同名端，各绕组的尾(无黑点标识的端子)互为同名端。第一铁芯柱21上的各绕组的结构、第二铁芯柱22上的各绕组的结构和第三铁芯柱23上的各绕组的结构等分别对应相同。
本实施例的变压器各绕组连接关系示意图如图2所示。绕组311的头连接绕组324的头，绕组321的头连接绕组334的头，绕组331的头连接绕组314的头。绕组315的尾连接绕组323的尾，绕组325的尾连接绕组333的尾，绕组335的尾连接绕组313的尾。绕组336的头连接绕组314的尾和绕组315的头，该连接点作为九相电压输出之一的A0相输出节点，同时绕组336的尾作为三相电压输入之一的A相输入节点。绕组326的头连接绕组334的尾和绕组335的头，该连接点作为九相电压输出之一的C0相输出节点，同时绕组326的尾作为三相电压输入之一的C相输入节点。绕组316的头连接绕组324的尾和绕组325的头，该连接点作为九相电压输出之一的B0相输出节点，同时绕组316的尾作为三相电压输入之一的B相输入节点。绕组322的尾连接绕组323的头，该连接点作为九相电压输出之一的A1相输出节点。绕组332的尾连接绕组333的头，该连接点作为九相电压输出之一的B1相输出节点。绕组312的尾连接绕组313的头，该连接点作为九相电压输出之一的C1相输出节点。绕组331的尾连接绕组332的头，该连接点作为九相电压输出之一的A2相输出节点。绕组311的尾连接绕组312的头，该连接点作为九相电压输出之一的B2相输出节点。绕组321的尾连接绕组322的头，该连接点作为九相电压输出之一的C2相输出节点。
图3为一个实施例中多相自耦变压器的电路原理图和相电压矢量图，及其两者的对应关系示意图。节点(A，B，C)为工频三相电压输入端，对应矢量
Figure BDA0002933746560000151
Figure BDA0002933746560000152
为工频三相输入相电压矢量。节点(A0，B0，C0)为工频三相“主升压相”输出端，对应矢量
Figure BDA0002933746560000153
为工频三相“主升压相”相电压矢量。节点(A1，B1，C1)为工频三相“超前相”输出端，对应矢量
Figure BDA0002933746560000154
为工频三相“超前相”相电压矢量，矢量
Figure BDA0002933746560000155
分别超前对应主矢量
Figure BDA0002933746560000156
相位角37度。节点(A2，B2，C2)为工频三相“滞后相”输出端，对应矢量
Figure BDA0002933746560000157
为工频三相“滞后相”相电压矢量，矢量
Figure BDA0002933746560000158
分别滞后对应主矢量
Figure BDA0002933746560000159
Figure BDA00029337465600001510
相位角37度。
设“主升压相”相电压矢量
Figure BDA00029337465600001511
的幅值分别是三相输入相电压矢量
Figure BDA0002933746560000161
的K倍(K>1)，则根据变压器的磁通和各绕组电动势约束关系，差矢量
Figure BDA0002933746560000162
分别超前对应主升压矢量
Figure BDA0002933746560000163
相位角30度。差矢量
Figure BDA0002933746560000164
分别是绕组336、绕组316和绕组326的电压矢量。
设三相输入(A，B，C)相电压幅值均为VP，则三相主升压输出(A0，B0，C0)相电压幅值均为K·VP，由矢量三角形
Figure BDA0002933746560000165
矢量三角形
Figure BDA0002933746560000166
Figure BDA0002933746560000167
和矢量三角形
Figure BDA0002933746560000168
可求的绕组336、绕组316和绕组326的电压幅值均为：VN4＝2·VP·sin[arcsin(0.5·K)-30°]，因此绕组336、绕组316和绕组326的匝数相同，图3中均标识匝数为N4。实际制作中可由绕组电压和铁芯材料确定绕组匝数N4。
图4为一个实施例中整流器***的电路原理图。包括该多相自耦变压器40和对应九相整流的9个全波整流桥(61,62,63；71,72,73；81,82,83)，以及电阻负载90，电阻负载90为直流负载。各全波整流桥分别由4个整流二极管组成二个整流桥臂，用于连接多相自耦变压器40和电阻负载90。各全波整流桥的直流输出直接并联后连接直流负载，不需要外接平衡电抗器，简化了***设计，增强了可靠性和降低了成本。
为了使图4中各全波整流桥的输出实现直接并联，以下九个线电压差矢量
Figure BDA0002933746560000169
Figure BDA00029337465600001610
等的幅值相等，均为升压后的幅值
Figure BDA00029337465600001611
为了使图4中各全波整流桥的输出并联后实现对称18脉波纹波，以下九个线电压差矢量
Figure BDA00029337465600001612
Figure BDA00029337465600001613
等，和其反相矢量一起(共18个线电压矢量)形成在360度范围内间隔20度的矢量分布。由此可求得各超前相相电压矢量
Figure BDA00029337465600001614
的幅值均为0.767·K·VP，对应超前主矢量相位约37度；各滞后相相电压矢量
Figure BDA00029337465600001615
Figure BDA0002933746560000171
的幅值也均为0.767·K·VP，对应滞后主矢量相位约37度。
参考图3中的各矢量关系，并考虑到：第一铁芯柱21上各绕组的电压矢量方向相同，例如与绕组316上电压矢量方向相同。第二铁22芯柱上各绕组的电压矢量方向相同，例如与绕组326上电压矢量方向相同。第三铁芯柱23上各绕组的电压矢量方向相同，例如与绕组336上电压矢量方向相同。这样通过各矢量多边形的幅值和相位的计算，可求得各绕组的电压幅值和匝数。
绕组311、绕组313、绕组321、绕组323、绕组331、和绕组333的电压幅值均为：VN1＝0.44738·K·VP，因此绕组311、绕组313、绕组321、绕组323、绕组331、和绕组333的匝数相同，图3中均标识匝数为N1。实际制作中可由绕组电压和铁芯材料确定绕组匝数N1。
绕组314、绕组315、绕组324、绕组325、绕组334、和绕组335的电压幅值均为：VN3＝0.46159·K·VP-0.5·VN1，因此绕组314、绕组315、绕组324、绕组325、绕组334、和绕组335的匝数相同，图3中均标识匝数为N3。实际制作中可由绕组电压和铁芯材料确定绕组匝数N3。
绕组312、绕组322和绕组332的电压幅值均为：VN2＝0.59938·K·VP，因此绕组312、绕组322和绕组332的匝数相同，图3中均标识匝数为N2。实际制作中可由绕组电压和铁芯材料确定绕组匝数N2。
本申请另一方面提供了一种整流器***，包括多相自耦变压器40和全波整流桥50。全波整流桥50由4个整流二极管组成2个整流二极管桥臂，用于连接九相升压自耦变压器和直流负载。全波整流桥的直流输出直接并联后连接直流负载，不需要外接平衡电抗器，降低了***应用成本。
可选的，九相升压自耦变压器的九相输出分别连接整流二极管桥臂的交流输入节点，而所有整流二极管桥臂的直流侧正极接在一起连接整流器负载的正极，所有整流二极管桥臂的直流侧负极接在一起连接整流器负载的负极。
本申请的升压整流变压器采用了特定绕组设计和结构布局，达到了“9相18脉波”工频AC-DC整流的输入电流总谐波含量THD要求，并且9相全波整流桥的直流侧输出可以直接并联，同时实现了特有的升压功能。
图4说明了该多相自耦变压器输出特定的对称9相线电压，原则上9相线电压分别经过全波整流后，输出直流侧直接并联形成18脉波整流输出的原理应用，图5为本申请应用一实施例的实际应用电路原理图，只用了最少的18个整流二极管组成九个整流二极管桥臂50，该九相升压自耦变压器40的九相输出分别连接整流二极管桥臂的交流输入节点，而所有整流二极管桥臂的直流侧正极接在一起连接整流负载的正极，所有整流二极管桥臂的直流侧负极接在一起连接整流负载的负极。图5的应用***满足高压变频器等直接高电压工频AC-DC整流应用要求。
图6为一个实施例中应用整流器***输入18台阶电流波形和输出18脉波整流电压波形示意图，输入电流谐波达到了常规“9相18脉波”工频AC-DC整流的输入电流总谐波含量THD理论值10.1％的要求。而且直接整流输出的高压直流18脉波电压波形的纹波可控制在5％左右，减小了后续滤波电路的负担。
上述整流器***，采用了特定绕组设计和结构布局，通过在三个铁芯柱上分别设置六个绕组，并通过各个绕组之间的特定连接关系，使该变压器具有三个输入端，九个输出端，可以将输入的三相线电压变换为三组三相相电压，共同形成特定的九相线电压输出，实现九相工频AC-DC整流，提高了功率因数，减少了输入电流总谐波含量，提高了变压器的整体工作性能，降低了无功补偿和谐波治理成本，而且该多相自耦变压器具有升压功能，可以满足高压变频器等直接高电压工频AC-DC整流应用要求，降低了整流***成本，提高了可靠性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多相自耦变压器，其特征在于，包括第一铁芯柱、第二铁芯柱和第三铁芯柱，所述第一铁芯柱、所述第二铁芯柱和所述第三铁芯柱上均设置有第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第五绕组和第六绕组；
所述第一铁芯柱上第一绕组的第一端连接所述第二铁芯柱上第四绕组的第一端，所述第二铁芯柱上第一绕组的第一端连接所述第三铁芯柱上第四绕组的第一端，所述第三铁芯柱上第一绕组的第一端连接所述第一铁芯柱上第四绕组的第一端；
所述第一铁芯柱上第五绕组的第二端连接所述第二铁芯柱上第三绕组的第二端，所述第二铁芯柱上第五绕组的第二端连接所述第三铁芯柱上第三绕组的第二端，所述第三铁芯柱上第五绕组的第二端连接所述第一铁芯柱上第三绕组的第二端；
所述第一铁芯柱上第四绕组的第二端和所述第一铁芯柱上第五绕组的第一端均连接所述第三铁芯柱上第六绕组的第一端，所述第三铁芯柱上第四绕组的第二端和所述第三铁芯柱上第五绕组的第一端均连接所述第二铁芯柱上第六绕组的第一端，所述第二铁芯柱上第四绕组的第二端和所述第二铁芯柱上第五绕组的第一端均连接所述第一铁芯柱上第六绕组的第一端；
所述第二铁芯柱上第二绕组的第二端连接所述第二铁芯柱上第三绕组的第一端，所述第三铁芯柱上第二绕组的第二端连接所述第三铁芯柱上第三绕组的第一端，所述第一铁芯柱上第二绕组的第二端连接所述第一铁芯柱上第三绕组的第一端；
所述第三铁芯柱上第一绕组的第二端连接所述第三铁芯柱上第二绕组的第一端，所述第一铁芯柱上第一绕组的第二端连接所述第一铁芯柱上第二绕组的第一端，所述第二铁芯柱上第一绕组的第二端连接所述第二铁芯柱上第二绕组的第一端；
所述多相自耦变压器的输入端包括所述第一铁芯柱上第六绕组的第二端、所述第二铁芯柱上第六绕组的第二端和所述第三铁芯柱上第六绕组的第二端，所述多相自耦变压器的输出端包括各铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端、各铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端和各铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端。
2.根据权利要求1所述的多相自耦变压器，其特征在于，所述第一铁芯柱上的各绕组的绕向方向相同，所述第二铁芯柱上的各绕组的绕向方向相同，所述第三铁芯柱上的各绕组的绕向方向相同。
3.根据权利要求1所述的多相自耦变压器，其特征在于，所述多相自耦变压器的输出端包括主升压三相电压输出端、超前相三相电压输出端和滞后相三相电压输出端，所述主升压三相电压输出端包括所述第一铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端、所述第二铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端和所述第三铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端，所述超前相三相电压输出端包括所述第一铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端、所述第二铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端和所述第三铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端，所述滞后相三相电压输出端包括所述第一铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端、所述第二铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端和所述第三铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端。
4.根据权利要求3所述的多相自耦变压器，其特征在于，所述超前相三相电压输出端输出的电压矢量超前于所述主升压三相电压输出端输出的电压矢量，所述滞后相三相电压输出端输出的电压矢量滞后于所述主升压三相电压输出端输出的电压矢量。
5.根据权利要求1所述的多相自耦变压器，其特征在于，所述第一铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure FDA0002933746550000031
所述第二铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure FDA0002933746550000032
所述第三铁芯柱上第四绕组与第五绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure FDA0002933746550000033
所述第一铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure FDA0002933746550000034
所述第二铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure FDA0002933746550000035
所述第三铁芯柱上第二绕组与第三绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure FDA0002933746550000036
所述第一铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure FDA0002933746550000037
所述第二铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure FDA0002933746550000038
所述第三铁芯柱上第一绕组与第二绕组的公共连接端输出的电压矢量为
Figure FDA0002933746550000039
线电压差矢量
Figure FDA00029337465500000310
Figure FDA00029337465500000311
和
Figure FDA00029337465500000312
的幅值相等。
6.根据权利要求5所述的多相自耦变压器，其特征在于，所述线电压差矢量
Figure FDA00029337465500000313
Figure FDA00029337465500000314
和其反相矢量，在360度范围内形成间隔20度的矢量分布。
7.根据权利要求1所述的多相自耦变压器，其特征在于，所述第一铁芯柱、所述第二铁芯柱和所述第三铁芯柱上对应绕组的匝数相等。
8.根据权利要求7所述的多相自耦变压器，其特征在于，各铁芯柱上第一绕组和第三绕组的匝数相同，各铁芯柱上第四绕组和第五绕组的匝数相同。
9.一种整流器***，其特征在于，包括全波整流桥和如权利要求1-8任意一项所述的多相自耦变压器，所述全波整流桥连接所述多相自耦变压器的输出端。
10.根据权利要求9所述的整流器***，其特征在于，所述全波整流桥包括九个整流二极管桥臂，所述多相自耦变压器的一个输出端对应连接一个整流二极管桥臂的交流输入节点，各所述整流二极管桥臂的直流侧正极的公共连接端形成负载正极连接端，各所述整流二极管桥臂的直流侧负极的公共连接端形成负载负极连接端。
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