專利名稱：能保持三相輸入電流平衡的變相變頻變壓器的制作方法
傳統的變壓器有兩種，一利是原邊繞組輸入單相電流，副邊繞組輸出單相電流，即單相變壓器，另一種是原邊繞組輸入三相電流，副邊繞組輸出三相電流，即三相變壓器，這類傳統的變壓器只能變壓，不能變相變頻。
目前全世界的電力系統從220伏至22萬伏都是用三相電源供電的，但是供電的末端的用電設備在很多場合卻需要單相大容量電源，例如各油田油井抽油機的空心抽油桿單芯電纜式電加熱裝置，單相渦流電加熱裝置，電氣機車，以及其它的各種單相設備及加熱裝置等。
為了解決大功率單相用電設備用三相電源供電，按常規方法是配用單相變壓器供電，然而，單相變壓器的單相負載會造成三相供電電流不平衡，對電網造成危害，有時有些單相用電設備還需要變頻，例如，使50赫增加到100赫或150赫等，而一般的變壓器只能變壓不能變頻。
近期電氣科技人員為解決三相進單相出的變相變壓器，又要同時使輸入原邊繞組的三相供電電流平衡，采用了在變壓器原邊繞組加裝電抗器和很多電容器的方法。我們知道變壓器的原副邊繞組的不同接法將會影響原副邊的電壓的比值和其間的相位關系，三相輸入的變壓器只有在對稱負載下運行時，各相的電流和電壓才大小相等。
目前解決變頻問題的方法是在變壓器副邊繞組上增加各種電子裝置，以使變壓器副邊繞組上輸出的電流的頻率與原邊繞組上輸入的電流頻率不相同，這種方法會使變壓器成本增加，且其輸出波形會嚴重畸變，而且環節復雜，故障率大大增加。
能否找到一種原邊繞組輸入為三相電流，副邊繞組輸出為單相電流，且變頻容易的變壓器是工程技術界急待解決的問題。
創造變壓器新型的目的在于提供一種能保持輸入電流平衡的變相變頻變壓器，它的鐵心結構簡單，原邊繞組和副邊繞組下線容易，變頻容易，能夠將三相輸入電流變為單相電流輸出，且可使輸入的三相電流保持平衡，因此可以方便的將大功率單相用電設備與三相電源連接。創造變壓器新型的目的是這樣實現的能保持輸入電流平衡的變相變頻變壓器，包括有鐵心、原邊繞組、副邊繞組，原邊繞組和副邊繞組都套在鐵心上，其特征在于該鐵心成各種形狀該鐵心是由若干個形狀相同的硅鋼片疊壓而成，各硅鋼片間相互絕緣，所述的每個硅鋼片成各種形狀在每個硅鋼片的內邊緣上沿邊周均勻開有若干槽口；該若干個硅鋼片槽口對齊疊壓后在鐵心內形成槽道；
在所述圓筒形鐵心中空的部分裝有一導磁鐵體，該導磁體的形狀為圓柱體形，該導磁體是由若干形狀相同的硅鋼片疊壓而成，各硅鋼片相互絕緣，每個硅鋼片呈圓盤形，且中心帶有小孔；該導磁體的大小與所述鐵心的中空部分的大小相同，該導磁體與鐵心相互間成密配合。
該變壓器的原邊繞組是由三個獨立的繞組構成，每個繞組首端分別與三相電源線連接，每個繞組的尾端連接在一起構成中性點，即三個繞組做星形連接；三個繞組相互間按120度的電角度的空間間隔均勻下線到所述鐵心的槽道內；該變壓器的副邊繞組也是由三個繞組構成，該三個繞組相互間按120度電角度的空間間隔均勻下線到所述鐵心的槽道內，該三個繞組的首端和尾端兩兩順序連接，即三個繞組相互串聯成一個繞組。
所述鐵心的槽道數為36槽。
本發明有以下積極的有益效果1.能夠變相本發明的變壓器是三相輸入單相輸出適應于大功率的單相用電終端使用三相電源供電的場合。
2.能使三相輸入電流保持平衡，當變壓器原邊繞組接通三相供電電源后，在鐵心內的空間便產生旋轉磁場，旋轉磁場可能是順時針方向旋轉，也可能是逆時針方向旋轉，其旋轉方向可由三相電源接入原邊繞組的順序決定，三相繞組所建立的旋轉磁場的分布規律接近于正弦曲線，因為三相繞組只能形成一個旋轉磁場，而且是標準的圓形旋轉磁場，原邊繞組與副邊繞組之間的能量傳遞是通過旋轉磁場傳遞的，因此，無論副邊繞組的負載怎樣變化，都不會影響原邊繞組中的電流的平衡。
3.變頻容易本發明通過改變原邊繞組和副邊繞組的下線方式，可改變旋轉磁場的極數，進而改變輸出電流的頻率。
現以較佳實施例結合附圖對本發明進一步詳述如下
圖1是本發明鐵心和導磁體外形結構分解示意圖；圖2是本發明組成鐵心的一個硅鋼片的外形圖；圖3是本發明組成導磁體的一個硅鋼片的外形圖；圖4是本發明鐵心槽道數為24時的原邊三相繞組下線展開圖；圖5是本發明鐵心槽道數為24時的副邊繞組下線展開圖；圖6為本發明鐵心槽道數為36時的原邊三相繞組下線展開圖；圖7為本發明鐵心槽道數為36時的副邊繞組下線展開圖；圖8為三相繞組產生2極旋轉磁場的原理示意圖；圖9是三相電流隨時間變化的曲線圖；圖10為三相繞組產生4極旋轉磁場的原理示意圖。
圖11、矩形槽道數為12的硅鋼片疊成的鐵芯圖。
圖12、中心柱矩形24窗孔的硅鋼片疊成的鐵芯圖。
圖13、兩柱矩形12窗孔的硅鋼片疊成的鐵芯圖。
圖14、為三相電流隨時間變化典線圖。
圖15-1圖15-2為三相園形線圈繞組產生二極旋轉磁場的原理示意圖。
圖16為二柱矩形18窗孔變壓器圖。
圖17兩柱矩形18窗孔變壓器鐵芯三相6極一次原邊繞組下線圖。
圖18、為二柱矩形18窗孔變壓器二次副邊單相6極繞組下線圖。
圖19、為二柱矩形18窗孔變壓器一次原邊三相6極繞組換位下線圖。
請參閱圖1，本創造新型的能保持輸入電流平衡的變相變頻變壓器，其鐵心1成圓筒形。該鐵心1是由若干個形狀相同的硅鋼片2疊壓而成，各硅鋼片2間相互絕緣，所述的每個硅鋼片2成圓環形，在每個硅鋼片2的內邊緣上沿圓周均勻開有若干槽口3；該若干個硅鋼片2的槽口3對齊疊壓后在鐵心內形成槽道4；如圖1所示。
在所述圓筒形鐵心中空的部分裝有一導磁鐵體5，該導磁體5的形狀為圓柱體形，該導磁體5是由若干形狀相同的硅鋼片6疊壓而成，各硅鋼片6相互絕緣，每個硅鋼片6呈圓盤形，且中心帶有小孔7；如圖3所示，導磁體5的大小與所述鐵心1的中空部分的大小相同，該導磁體5與鐵心1相互間成密配合，使用硅鋼片制做鐵心和導磁體，目的是減少交變磁通在鐵心和導磁體中引起的渦流損耗。
該變壓器的原邊繞組是由三個獨立的繞組構成，每個繞組首端分別與三相電源線連接，每個繞組的尾端連接在一起構成中性點，即三個繞組做星形連接；且三個繞組相互間按120度的電角度的空間間隔均勻下線到所述鐵心的槽道4內；該變壓器的副邊繞組也是由三個繞組構成，該三個繞組相互間按120度電角度的空間間隔均勻下線到所述鐵心的槽道4內，該三個繞組的首端和尾端兩兩順序連接，即三個繞組相互串聯成一個繞組；在較佳實施例中，鐵心的槽道數分別為36槽對36槽，下面分別舉例說明圖4示36槽鐵心內嵌入的原邊三相繞組的下線圖，原邊三相繞組的每相組數相同，相與相之間在鐵心槽內分布間隔為120度電角度的空間位置開始下線。鐵芯的總槽數為36槽，設第一相繞組從第一槽開始下線，則第二相繞組應在第一相繞組后面120度電角度開始下線。因為槽之間的角度為lo80°/36＝30°電角度所以只需相隔4個槽，就間隔30×4＝120°度電角度，也就是第二相繞組從第5槽開始下線，第三相繞組從第9槽開始下線。
這樣的下線方式會使鐵心內產生旋轉磁場，其原理如下，我們把原邊的三相繞組，用三個相同的單匝線圈代替，如圖8所示，圖中A-X、B-Y、C-Z三個線圈彼此互隔120度電角度分布在鐵心內圓的圓周上，構成了對稱三相繞組。這個對稱三相繞組在空間的位置關系是B相相對A相后移120度，C相相對B相后移120度，當對稱三相繞組接上對稱的三相電源后，其中通過的各相電流的瞬時表達式為iA＝ImcoswtiB＝Imcos(wt-120°)iC＝Imcos(wt-240°)各相電流隨時間變化的曲線如圖9所示。
由于三相電流隨時間的變化是連續的，且極為迅速，為了便于觀察對稱三相電流產生的合成磁場效應，我們可以通過幾個特定的瞬時，用以窺視其全貌。為此，我們選擇wt＝0(t＝0)，wt＝120°(t＝T/3)，wt＝240°(t＝2T/3)，wt＝360°(t＝T)四個特定瞬時。并規定電流為正值時，從每相線圈的首端A、B、C流出，由線圈的末端X、Y、Z流入；當電流為負時，從每相線圈的末端流出，由首端流入。用符號⊙表示電流流出，表示電流流入。
當wt＝0時，由電流瞬時表達式或電流變化曲線得iA＝Im，iB＝iC＝-1/2Im將各相電流分別表示在各相線圈的剖面圖上。A-X相電流為正值，由X端流入，A端流出，而B-Y、C-Z兩相電流均為負值，故由B、C端流入，Y、Z端流出，如圖8a所示。由圖上看出，Y、Z、 A三個端點中的電流都從紙面流出，且Y、Z端點中電流值相等，則根據右手螺旋定則，可以知道三個線圈中的電流，它們建立的合成磁場的磁力線，其分布以A端為中心，左右反對稱，磁場的方向從下至上；同理，可以決定B、X、C三個端點中電流建立的合成磁場磁力線的分布情況。由此看出整個磁場磁力線的分布是左右對稱的。而且從磁力線分布的圖像還可看出，它和一對磁極建立的磁場是一樣的。
采用同樣的方法，畫出wt＝120°、240°、360°三個瞬時的電流方向和磁場磁力線的分布情況，如圖8(b)、(c)、(d)所示。
我們依次觀察圖8(a)、(b)、(c)、(d)，便可以看出，當對稱三相電流流過對稱三相繞組時，由它們建立的合成磁場并不是靜止不動的，而是像有一對磁極旋轉的磁場，磁場的大小不變。從wt＝0到wt＝120°、240°、360°各個瞬間隨著三相電流的變化，由它們建立的合成磁場，在空間相應地旋轉了120°、240°、360°；旋轉的方向是由A相轉向B相再轉向C相，即按A→B→C順序旋轉，圖8中為逆時針方向旋轉，由圖8看出，電流變化一周，旋轉磁場轉過一轉。這樣的旋轉磁場為2極旋轉磁場，就是說旋轉磁場在每個360度圓周內只有一個N極，一個S極。
請參閱圖5，圖5示36槽鐵心內副邊繞組的下線圖，副邊繞組也為三相繞組，該三個繞組相互間按120度電角度的空間間隔均勻下線到所述鐵心的槽道4內，該三個繞組的首端和尾端兩兩順序連接，即三個繞組相互串聯成一個繞組；最后只有兩個接線端X1和X2，三個繞組中的電流方向如圖5中箭頭所示，由圖5中可見，電流在副邊繞組中成為單相電流輸出。
下面說明本創造新型變壓器的變頻原理圖6圖7表示出了鐵心為36槽的變壓器的下線圖，其中，圖6表示原邊繞組，圖7表示副邊繞組，請參閱圖6，圖6所示的下線圖將使原邊繞組產生的旋轉磁場為6極，6極的旋轉磁場是指有三對磁極，就是說旋轉磁場在每個360度圓周內三個N極，三個S極，其產生原理是請參閱圖10，A、B、C三相繞組的每相繞組分別看成由兩個線圈A-X、A′-X′、B-Y、B′-Y′、C-Z、C′-Z′串聯組成。每個線圈在鐵心內圓周上的跨距為1/6圓周，用上述的分析方法，同樣可以決定三相電流在該三相繞組中所建立的合成磁場，仍然是一個旋轉磁場，但是磁場的極數變為6個，即具有三對磁極，由圖10還可知，當電流變化一個周期時，旋轉磁場僅轉過1/3周。同樣將繞組按一定的規則排列，可以得到3對4對或p對磁極的旋轉磁場。由此也可以推得，對于能使旋轉磁場形成p對磁極的繞組，電流變化一個周期，旋轉磁場轉過1/p轉。如果交流電源的頻率是f，旋轉磁場的轉速為n＝60f/p(轉/分)。
其原邊繞組下線方式為三相繞組的每相組數相同，相與相之間在定子槽內分布間隔為120度電角度。因為是36槽6極，第一相繞組從第一槽開始下線，第二相繞組應在第一相繞組后面120度電角度下線。因為槽之間的角度為360/36＝10度空間角度，6極為三對極，所以只需相隔4個槽，就間隔120度電角度，也就是第二相繞組從第5槽開始下線，第三相繞組從第9槽開始下線。
請參閱圖7，圖7中副邊繞組的下線圖，它也是由三相繞組組成，它是按12極下線的，既把三相繞組的每相繞組看成是由6個線圈串聯組成，這樣三個繞組盡管相互在空間間隔120度電角度下線，而每個線圈在空間上相差120度/6個線圈＝20度電角度下線。
下面說明其變頻原理設n＝旋轉磁場的旋轉速度(轉/分)f＝頻率P＝極對數其關系是n＝60f/P，f＝np/60；原邊繞組P1＝3即6極如圖6所示，n1＝原邊繞組產生的旋轉磁場的速度，f1＝50赫茲n1＝60f1/P1＝3000/3＝1000轉/分副邊繞組P2＝6即12極如圖7所示，副邊繞組不產生旋轉磁場，是被感應的，所以用原邊繞組產生的旋轉磁場速度n1來計算副邊繞組輸出頻率f2，則下述公式成立；f2＝n1×P2/60＝1000×6/60＝100赫可見原邊繞組輸入50赫茲的三相電壓、電流，副邊繞組接上單相負載就會輸出100赫茲電壓、電流；而達到了變頻的目的。
能保持三相輸入電流平衡變相變頻變壓器電流平衡是怎樣實現的三相變單相在旋轉磁場下或循環磁場下及直線移動磁場下都會引起電流在三相中不平衡問題，都會產生逆序和零序分量。
當有三臺相同變壓器一起運行時，可以通過各相繞組按順序換位來消除不對稱電流，而消除逆序和零序分量。
換位的方法是按ABC、BCA、CAB的順序進行，把第一臺變壓器的A相第二臺的B相第三臺的C相串接起來為第一組、把第一臺的B相繞組第二臺的C相和第三臺的A相繞組串接起來為第二組、把第一臺的C相第二臺的A相第三臺的B相串按起來為第三組形成三組后，每一組成為三臺變壓器組合后的一相如圖4所示，然后就可以把三組接到對稱的三相電源上。
因為經過按順序按規則換位后的三相繞組所擔承的負載已經對稱化，因此三相電流是平衡的又是對稱的，從而消除了因變壓器二次副邊繞組中接成單相造成的電流不平衡同題。
然后把三臺變壓器合成為一臺多極變壓器來解決。當極數等于6時或是6的整數倍時就可以按照上述各相繞組按順序規則換位來實現如圖4所示。
第二個辦法是二次繞組串接時在六極或六極整數倍條件下將二次第二組繞組推遲60°電角度串接，將第三組越前第一組60°電角度串接如圖18所示。
通過上述二個方法徹底解決了一次原邊三相繞組輸入電流不平衡問題，圖4和圖18都是通過換位法解決三相輸入電流不平衡問題的。
達到了創造出“能保持輸入電流平衡的變相變頻變壓器”的目的。
如果按照直線三相繞組變成矩形變壓器，所形成的磁場就不是旋轉磁場而是旋轉磁場展開后所形成的定向連續移動磁場。同樣具有一次三相保持負荷平衡，變相變頻變壓的功能。其鐵芯的形狀如圖11所示。
圖12中心柱矩形多窗孔鐵芯變壓器，同樣能創造出變相變頻變壓器。
本變壓器是根據三相繞組排列，特殊接法形成波形直線移動磁場設計的矩形變壓器，此變壓器便于疊片制造，線圈繞制簡單、容易，接線方便，每個線圈只能充當前旋轉繞組中一個線圈的一個邊是由旋轉磁場展開變為直線移動磁場，直線磁場再以直線為軸卷成閉合矩形而形成，以此演變成本變壓器形狀，本變壓器磁路匝數計算都簡單易行。
將三相繞組所形成的旋轉磁場以槽道齒端直徑d為軸卷成園形對接，旋轉磁場不變，而線圈的每一個邊對接，每個邊變成一個線圈，這樣就形成了園環變壓器，如圖15所示。旋轉磁場的形成，根據圖15-1圖15-2三相繞組在0～360°電角度不變化的情況下，我們以圖15-2所示的兩柱三相繞組產生的磁場為例說明旋轉磁場是如何形成的，變壓器一次三相繞組由六個線圈AA′BB′CC′組成。
每個線圈在空間相隔60°，當三相繞組接通三相電源后，線圈中就有一個對稱的三相電流流過ia＝ImCoswt ib＝ImCos(wt-120°) ic＝ImCos(wt-240)各相電流隨時間而變化的曲線如圖14所示，當Wt＝0時，ia＝0 ib＝-1/2Imic＝1/2Im假如我們規定，電流為正時，電流從每個相每個線圈的外端流入以表示，內端流出時以⊙表示。電流為負時，則方向相反，以Wt＝0這一瞬間為例，如圖15-2(a)由圖可見C′B兩個線圈的內端都是流入紙面的，而外端都是流出的，而B′C兩左線圈正好相反，AA′線圈的電流為零時，根據右手螺旋定則可知。三相線圈電流產生的磁場方向都是向下，下為N極上為S極，如圖2-15(a)所示。
當Wt＝60°、120°、180°、240°、300°、360°、時的電流及磁通方向分別如圖2-15(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示。比較圖2-15(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)可以看出，磁場在順時針旋轉，即形成了一個旋轉磁場。為了疊片和制造方便把圓環形變壓器演變成兩柱矩形變壓器鐵芯，如圖16所示，一次繞組仍按三相繞組排列，而繞組每一個邊形成一個線圈，這樣線圈數比原來多一倍，對應的兩個線圈接法必須尾尾相聯。相鄰線圈接線時A相和B相必須相差120°電角度，線圈的最少個數必須按下式計算N＝3×P×2N為線圈個數、3為三相、P為磁極對數。
二次線圈最少18個線圈P2＝3二次線圈的頻率n1=60f1p1]]>N1為旋轉磁場的旋轉速度，單位為轉/分f1為一次電源頻率f2n1p260]]>如果二次為18個線圈，那么二次線圈有3個N極3個S極，為3個極對數。如果兩個線圈尾首串聯，仍看成一個線圈，如果18個線圈尾尾相串聯，就變成了3個極對數P2＝3f2=p2n160=3×n160]]>設P1＝3n1=60f1p1=60×503]]>P2＝3 1000轉/分f2=n1p260=1000×360=50HZ]]>
關于匝間電勢變比系數與普通變壓器相同。變壓器形狀，線圈接法排列如圖17、18、19所示。
這樣就變成了矩形旋轉磁場，變相變頻變壓器。
圖16實質是一個循環磁場原邊和副邊各為18個線圈變壓器的實際形狀示意圖。
1)兩柱矩形窗孔形鐵芯。
2)一次原邊線圈18個。
3)為二次副邊線圈18個。
三相變單相變壓器副邊線圈數不得少于18個，即極數不得小于6，因為一對磁極NS為一組接成單相時會引起原邊一次三相電流不平衡，只有將三組二次繞組三相線圈分別調勻時，即第二組滯后第一組60°，第三組越前第一組60°時，互相串聯才能實現一次原邊三相繞組電流平衡，接法見圖18所示。三相變單相選極對數必須是3的偶數倍。
為了實現三相輸入電流平衡有二個辦法，是將一次原邊繞組必須定為極對數3的偶數倍，最少為6極，相當于一對極為一個變壓器，三對極為三個變壓器，將其ABC三相繞組都按順時針或都按逆時針，即ABC、BCA、CAB或ACB、CBA、BAC，按順序接成繞組如圖19所示，即使二次串成單相引起不平衡，在原邊按這樣接法也能保持原邊三相電流平衡。所以制造變壓器，三相變成單相輸出，又要同時變頻，又要求保持三相輸入電流平衡三大條件，就必須按一次原邊三相繞組極數設計為3的偶數倍，最少6極。線圈數最少6×3＝18個線圈。
三相不變單相，只要求變壓變頻，設計磁極數為1個極對數的倍數即可，線圈數為3×2P。
鐵芯的窗孔數以一次或二次磁極數最多的一方為準。磁極數乘3為最少窗孔數。
設計鐵芯必須使產生的磁通形成閉合回路，否則激磁電流過大，會燒壞線圈。
權利要求
1.能保持輸入電流平衡的變相變頻變壓器，包括有鐵心、原邊繞組、副邊繞組，原邊繞組和副邊繞組都套在鐵心上，其特征在于該鐵心成圓筒形、矩形、中心柱矩形、兩柱矩形等，該鐵心是由若干個形狀相同的硅鋼片疊壓而成，各硅鋼片間相互絕緣，該若干個硅鋼片槽口對齊疊壓后在鐵心內形成槽道和窗孔。在所述各種形狀鐵心為導磁鐵體，該導磁體的形狀為各種形狀，該導磁體是由若干形狀相同的硅鋼片疊壓而成，各硅鋼片相互絕緣。該變壓器的原邊繞組是由三個獨立的繞組構成，每個繞組首端分別與三相電源線連接，每個繞組的尾端連接在一起構成中性點，即三個繞組做星形連接；三個繞組相互間按120度的電角度的空間間隔均勻下線到所述鐵心的槽道內或窗孔內。該變壓器的副邊繞組也是由三個繞組構成，該三個繞組相互間按120度電角度的空間間隔均勻下線到所述鐵心內，該三個繞組的首端和尾端兩兩順序連接，即三個繞組相互串聯成一個繞組。
2.如權利要求1所述的能保持輸入電流平衡的變相變頻變壓器，其特征在于所述鐵心的槽道數或窗孔數為36槽。
3.該變壓器是根據三相繞組所形成的旋轉磁場或者演變成的直線移動磁場構成的筒形、矩形、中心柱矩形、兩柱矩形變相變頻變壓器。
全文摘要
一種能保持輸入電流平衡的變相變頻變壓器,其鐵心是由若干個硅鋼片疊壓而成,各硅鋼片的內邊緣上開有槽口;在鐵心中空的部分裝有一導磁鐵體,該導磁體是由若干形狀硅鋼片疊壓而成,原邊繞組是由三個做星形連接的繞組構成,副邊繞組是由三個串聯的繞組構成,原邊繞組和副邊繞組的三個繞組都是按120度電角度的空間間隔下線到鐵心的槽道內,其優點是可將三相輸入電壓、電流變為單相電壓、電流輸出,能夠使輸入的三相電流保持平衡,能夠變頻。
文檔編號H01F30/14GK1229257SQ98101008
公開日1999年9月22日 申請日期1998年3月12日 優先權日1998年3月12日
發明者李文恒 申請人:李文恒