电源变压器范例(3篇)
电源变压器范文
【关键词】有源滤波；电力变压器；节能技术；研究
一、前言
作为一项实际应用效果良好的控制方法，有源滤波控制技术在近期得到了长足的发展和进步。研究其理念下的电力变压器节能技术，能够更好地提升有源滤波控制的实践水平，从而有效优化电力变压器节能技术的最终整体效果。
二、有源滤波器控制概述
近年来，随着电力电子技术的高速发展和电力电子设备的普及，使得谐波对电网的污染日趋严重。电力电子装置自身所具有的非线性导致了电网中含有大量谐波，给电力系统带来了严重的谐波污染。谐波是指对周期流进行的傅里叶分解后得到频率不为基波频率的分量。有源电力滤波器（APF）是一种能动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对幅值和频率都变化的谐波进行快速的跟踪补偿且补偿性不受系统阻尼的影响，其控制电路容易实施限流保护以提高系统的安全性，因而受到了极大的关注。
控制系统是有源电力滤波器的核心，决定了有源电力滤波器的主要性能和指标。现今常用的PI控制对检测到的误差信号能立即产生校正作用，跟踪的快速性较好，但是它的跟踪效果不好，并且PI调节不能消除系统的稳态误差。重复控制技术被引入APF控制，用来消除周期性负载谐波，其思想来源于控制理论的内模原理，利用负载扰动的周期性规律，有针对性的逐步修正，可以保证输出的波形精确跟踪给定，是一种能消除所有包含在稳定闭环内的周期性误差的控制方案，结构简单，易于实现。
有源滤波器系统结构各部分的主要功能：电压型逆变模块和连接电抗器，用于补偿负载畸变的谐波电流，通过它完成电网与直流电容有功功率和无功功率的交换；直流侧支撑电容，用于存储电能，为VSI提供直流电压支撑，同时补偿系统有功损耗以保证直流电压稳定；锁相环，用于锁定电网电压相位；畸变电流检测模块，用于实时检测负载的谐波电流分量和无功电流量，为VSI输出的补偿电流提供参考值；逆变器控制模块，可以通过直接电流控制或间接电流控制方法，使VSI输出电流实时跟踪指令电流的变化。
三、变压器运行损耗影响因素分析
影响变压器损耗的因素有很多，总结起来，主要表现在以下几个方面：
1.变压器的结构类型
传统的变压器几乎都是采用高压绕组和低压绕组制成，利用电磁感应原理实现高压与低压之间的电压转换与电能传递。新的结构的出现，使得变压器的运行损耗不再是单纯的分为有功功率损耗和无功功率损耗，而是必须要针对具体的结构进行分析。
2.变压器的材料类型
变压器的材料主要是指用于制作铁芯和绕组的材料，从过去普通的铁质铁芯，发展到目前非晶合金铁芯变压器、三相油浸卷铁芯变压器等新式材料变压器，由于新型材料的应用，使得现在的变压器的导磁率相较于过去传统变压器有了大幅提升，因此现在的变压器的运行损耗已经越来越取决于材料的导磁率等属性。
3.变压器的负载类型
变压器连接不同类型的负载，对于变压器在实际运行过程中的损耗也有会有一定影响，这主要是因为电网中的负载类型包括感性负载、非感性负载以及其他类型的负载，不同类型的负载会影响到变压器在电能转换和配电传输过程中的效率，从而对变压器运行的损耗产生影响。
4.电网的输电状况
变压器作为电力电能转换传输的关键环节，必然会参与电网的并网连接和运行，电网电压的状况也会对变压器的运行损耗产生一定影响，比如电网输电电压采用超高压进行传输，其变压器的运行损耗相对就会小一些，电力转换的效率相对就较高。
四、有源滤波的电力变压器节能技术
1.补偿电流的检测方法
（一）通过对带阻滤波器装置的应用，使基波电流能够流经待检测的电流。通过此种方式，将所获取的变压器高次谐波设定为检测电流的补偿对象。我们通常将此种对补偿电流的检测方式称之为基波电流减去法。此项方法的优势在于：补偿反应直观，且可操作性强，但同样存在一定的不足之处，即整个有源滤波器在功能实现方面相对比较简单，仅能够针对变压器高次谐波进行消除。并且，对带阻滤波器装置的应用是建立在理想环境下的，实际环境中无法达到理想的应用状态。因此，在现阶段的电力系统建设中，较少会使用此种检测方法。
（二）在有关补偿电流检测方面还有一个关键性的方法，即频率分析法。此项检测方法以傅里叶级数分析法为基础而形成。在对畸变电流、电压进行检测的基础之上，对其实施基于傅里叶式的转换。转化过程当中可将畸变电流、电流分解成分具有高次谐波代数属性的组分，最终形成相应的补偿电流。但由于其建立在傅里叶级数分析的基础之上，导致检测数据的分析存在比较大的难度，且相对于实际情况的可调控性较低。
2.补偿电流控制途径
现阶段，补偿电流的控制主要可通过以下几种途径实现：
（一）三角载波调制法
指的是将在检测环节所得到的电流实际值和参考值之间的偏差产生的控制信号与高频的三角调制波展开实时比较，最后将所得到的矩形脉冲作为逆变器各个开关组件的一个控制性的信号，从而在逆变器的输出端得到所需要的波形。这种调制方法的最大优势在于开关的频率比较固定，响应的速度也较快，而且对高开关频率的系统具有较好的控制特性。但是这种方法最大的不足在于电流系统的硬件较为复杂，以致出现的误差较大，而且调制器的带宽是有限的，不能滤除所有调制性信号的所有脉动，输出的波型中可能存在与三角载波相同频率的高频畸变分量；高频的三角波会使逆变器一直处于保持高频工作状态，这就会产生较大的开关损耗和高频失真，在大功率的系统应用中无法正常使用。
（二）滞环比较调制法
这种方法是以补偿电流的参考值为基准而设计的1个滞环带，在实际的补偿电流将要离开滞环带时，逆变器的开关就会自动工作，使得实际的电流始终停留在滞环带以内，数值始终围绕其参考值的上下在波动。这种调制方法的优势在于它的硬件电比较路简单，容易实现，而且动态的响应较快，控制的精度高。但不足是对于无线连接的逆变器而言，若三相间的控制不能独立，则势必会产生相间的干扰，这样就不利于快速暂停的有效控制。
五、结束语
通过对基于有源滤波的电力变压器节能技术的相关研究，我们可以发现，该项工作的顺利开展，有赖于对有源滤波多项影响环节与因素的充分掌控，有关人员应该从其应用的客观实际出发，研究制定最为符合实际的相对应实施方案。
参考文献：
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电源变压器范文
1引言
近年来,我国上海、广州和北京等城市引进的地铁车辆上,辅助电源均采用了静止式辅助逆变电源。广州地铁和上海地铁2#线为igbt辅助逆变电源;北京“复八线”为gto热管散热器自冷式辅助逆变电源。因此开发和研制地铁车辆静止式辅助逆变电源实现国产化是发展我国城市轨道交通的必然趋势。静止式辅助逆变电源与传统的电动发电机组供电方式的比较如下:
(1)静止式辅助逆变电源直接从地铁动车第三轨受电,经过dc/dc斩波变换后向三相逆变器提供稳定的输入电压,通过vvvf变频调压控制,逆变器输出三相交流电压向负载供电,对于多路输出电源,电路采用变压器隔离形式。这种辅助逆变电源的优点是输出电压品质因数好、电源使用效率高、工作性能安全可靠。
(2)传统地铁辅助电源通常采用旋转式电动发电机组的供电方案。电动机从dc750v第三轨受电,发电机输出三相交流电压向负载供电,对于直流dc110v和dc24v部分用电设备,仍需通过三相变压器和整流装置提供电源。这种供电方式机组体积大、输出容量小、效率低,电源易受直流发电机组工况变化的影响,输出电压波动大,可靠性差。
2地铁车辆辅助电源系统方案比较
下面针对dc750v地铁车辆上几种常用的辅助逆变电源电路结构方案,进行分析和比较。211直接逆变方式图1是地铁车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式。开关元器件通常可采用大功率gto,igbt或ipm。辅助逆变电源采用直接从第三供电轨受流方式,逆变器按v/f等于常数的控制方式,输出三相脉宽调制电压向负载供电。这种电路的特点是电路结构简单、元器件使用数量少、控制方便,但缺点是逆变器电源输出电压容易受电网输入电压的波动影响,输入与输出不隔离,输出的电压品质因数差、谐波含量大、负载使用效率低。
图1直接逆变辅助电源电路结构原理图
212斩波降压逆变方式
斩波降压加逆变方式的辅助电源电路结构如图2所示。此电路主要由单管dc/dc斩波器、二点式逆变器、三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。逆变器输出经过三相滤波后,输出稳定的正弦三相交流电压,作为驱动空调机、风机等三相交流负载电源,同时三相交流电压经变压器和整流后,可实现电源的多路直流输出。其特点如下。
(1)三相逆变器输出电压不受输入电网电压波动的影响,dc/dc斩波的闭环控制可以保持逆变器输入电压的恒定。
(2)每台辅助逆变电源斩波器只需一只大功率高压igbt元件,逆变器可以采用较低电压的igbt元件。
(3)由于逆变器输入电压恒定,对于只要求cvcf控制的逆变器来说,只需要一定数量的梯波输出,即可保证逆变器输出稳定的脉宽调制电压,谐波含量小于5%。
(4)斩波器分散布置在每台车的电源上,机组结构统一。对于供电网,虽然每台电源斩波的开关频率相同,但它们之间的斩波相位差是随机的,同样可实现斩波器多相多重斩波作用。
(5)隔离变压器的使用实现了电网输入与输出负载之间的电气隔离。
图2斩波降压逆变方式电路结构原理图
213两重斩波降压逆变方式
与单管直接dc/dc斩波降压逆变方式的辅助电源电路基本相同,两重斩波器替代了dc/dc单管斩波器,开关元器件可采用gto、igbt或ipm。电路结构原理图如图3所示。其特点如下。
(1)采用两重斩波器,当上、下两个斩波器控制相位互相错开180°时,可以使斩波器的开关频率相应提高一倍,因而可大大减小滤波装置的体积和重量,降低逆变器中间直流环节电压的脉动量,提高辅助逆变电源的抗干扰能力。
(2)两重斩波器闭环控制起到了稳压和变压作用,因此可提高逆变器的输出效率。
(3)两重dc/dc斩波器与单管斩波器相比,开关元器件和斩波器的附件多了一倍,但管子的耐压可降低一半,提高了元件的使用裕度和设备的安全可靠性。
(4)直流供电网与负载之间的变压器隔离以及相应设计的滤波器,可以保证逆变器输出的三相交流电压谐波最小,且可降低对负载过充电压的影响,提高负载的使用寿命。
图3两重斩波降压逆变方式电路结构原理图
214升降压斩波逆变方式
图4为升降压斩波加逆变的地铁辅助电源电路结构原理图,前级斩波由一个平波电抗器及两个开关管、二极管和储能电抗器构成,升降压斩波器本质上相当于两相dc/dc直流变换器,控制系统采用pwm控制方式。两个开关管交替通断,按输出电压适当地控制脉冲宽度,可以获得与输入电压相反的恒定直流输出电压。后级逆变输出由两点式三相逆变器和三相滤波器组成。斩波器和逆变器开关元器件可采用gto或igbt,ipm等。此电路的特点是:电网电压的波动不影响斩波器输出电压的恒定稳定,当电网电压高于斩波器输出电压时,斩波器按降压斩波控制方式工作;当电网电压低于斩波器输出电压时,斩波器按升压斩波控制方式工作。两个开关管的交替导通和关断,提高了斩波开关频率,降低了储能电抗器体积和容量以及开关器件的电压应力,减小了输出电压的脉动量。
图4升降压斩波逆变方式电路结构原理图
3地铁辅助逆变电源的开发与研制
铁道科学研究院机车车辆研究所早在20世纪80年代末,已开始采用先进的变流控制技术和新型大功率gto和igbt元器件,开发车载电源产品。先后研制出大功率gto斩波器、两象桥式igbt斩波器、驱动大功率直线电机和地铁车辆的车载igbt逆变器。1999年研制客车dc600v供电系统的空调逆变电源,并于当年6月在铁道部四方车辆研究所通过了性能试验,9月在武昌车辆段k79/80上装车运行。
2000年开发研制出用于内燃机车和电力机车的空调逆变电源,该产品已在南昌内燃机务段和邵武电力机务段装车运行考核。2002年针对北京“复八线”地铁车辆进口辅助逆变电源的技术条件,铁道科学研究院机车车辆研究所研制开发出了dc750v国产化地铁车辆辅助电源工程化机组,并通过铁道部产品质量监督检测中心机车车辆检验站的型式试验。开发研制的dc750v地铁辅助电源总容量为40kva,主要负荷为照明、换气扇、司机室空调机组和车辆dc110v,dc24v控制电源。考虑到电源的可靠性和车辆上多路电源的随机多重性,电源主电路采用单管斩波降压逆变电路,大功率igbt开关元件和热管散热方式。控制采用斩波和逆变双闭环脉宽调制控制技术,保证了电源三相交流输出电压稳定性好、谐波含量低。其主要技术参数见表1。
表1地铁辅助电源装置主要技术参数
这种地铁辅助电源具有如下特点。
(1)辅助电源斩波器采用斩波闭环控制方式,保证输入电压变化时,逆变电源中间直流环节的电压稳定。
(2)输出逆变器的开关频率设定为214khz,采用了谐波抑制方法,有效地抑制了输出电压、电流谐波含量和对输出高频隔离变压器冲击,提高了逆变器的功率因数和负载的使用效率。
(3)采用三相滤波装置和隔离变压器,实现了输入与输出、交流负载和直流输出电源之间的电气隔离。
(4)采用变频启动方式,电器负载的启动电流冲击小,有利于延长负载设备的使用寿命。
(5)控制系统采用了mc80c196十六位单片机作为主控制单元,具有实施控制、保护、自诊断、自恢复、故障存储、led指示灯和汉字显示、数据传输、指令接收等功能。
(6)控制系统设有短路、过压、欠压、过流、过热、接地等故障保护功能,保护信号消失后自动恢复运行,提高了地铁辅助逆变电源的安全性和可靠性。
(7)主控制单元使用箱式插板结构,便于维修、检修及更换设备。为适应机车运行中的冲击大、振动大等特点,机箱采用金属框架结构,具有较高的机械强度和良好的电磁屏蔽效果。
dc750v地铁辅助电源额定负载试验波形如图5～图8所示。
图5输入电压与输出电压的稳态波形
图6输出电压、电流波形
图7中间环节电压起动、稳态、停止过程
4结论
(1)采用静止辅助逆变电源代替传统的直流发电机组供电装置,已是地铁与轻轨城市轨道交通发展的必然趋势。
(2)静止辅助逆变电源方案的选择,应结合国内电力电子技术的发展、元器件的使用水平以及国外地铁电动车组辅助逆变电源的发展方向,研制和开发出适合我国城市轨道交通地铁和轻轨车辆的辅助逆变供电系统。
(3)地铁静止辅助逆变电源的研制成功标志着我们已具备了开发和生产国产化地铁辅助电源的能力。
图8输出电压、电流起动、稳态、停机过程
参考文献
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电源变压器范文篇3
关键词：Z源；T型逆变器；同相电压偏移；反相电压偏移；中点平衡
中图分类号：TN919?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2016）21?0153?06
NeutralpointbalanceandboostcontrolofZ?sourceT?typethree?levelinverter
basedonSPWM
JIAYuxiang1，LIRunjuan1，LIUTao2
（1.DepartmentofElectricalEngineering，HenanRadio&TelevisionUniversity，Zhengzhou450000，China；
2.SchoolofElectricalEngineering，ShandongUniversity，Jinan250061，China）
Abstract：TheZ?sourcethree?levelneutralpointclamped（NPC）inverterhasthedisadvantageofmorepassivecomponents.ThetopologyofZ?sourceT?typethree?levelinverterisadopted，whichhasthesameboostcharacteristicswithZ?sourceNPCinverter，buthaslessquantityofswitchingdevicesandhigherefficiencythanthoseofZ?sourceNPCinverter.TakingZ?sourcethree?levelT?typeinverterasanexample，themethodsofphasedisposition（PD）andalternativephaseoppositiondisposition（APOD）areanalyzed.ThestudyfoundthatthePDmethodcanreducetheswitchingfrequencyandswitchingloss.ThePDmodelofZ?sourceT?typethree?levelinverterwasestablishedwithMatlab/Simulink.ThesimulationresultsshowthatthePDmethodcanobtainpreferablewaveformquality.TosolvetheinherentneutralpointimbalanceofT?typethree?levelinverter，themethodofinjectingzero?sequencecomponenttocontroltheneutralpointbalanceisputforward.Theeffectivenessoftheproposedmethodwasverifiedwithanexperiment.
Keywords：Z?source；T?typeinverter；phasedisposition；phaseoppositiondisposition；neutralpointbalance
0引言
随着分布式电源的迅速发展及其在效率要求的不断提升，提高电能质量、减少谐波污染、提高发电系统的效率已经成为逆变设备的必要条件。三电平变换器（见图1）相比于传统的两电平逆变器具有谐波少、耐压高、开关应力小、电磁干扰（ElectroMagneticInterference，EMI）少等优点，已经在分布式电源及微电网领域得到广泛应用。然而对于燃料电池、光伏电池等分布式电源的输出电压并不是恒定的，无法实现较宽直流电压范围的变流功能和得到较高的交流输出电压[1?3]。为了满足直流母线较宽的电压范围，文献[4]加入了DC/DC变换器，即采用两级结构。然而此变换器不仅需要较多的功率器件，在工作过程中还产生大量的开关损耗，降低系统效率。为了减少因DC/DC多电平变换器开关损耗对系统效率的影响，采用Z源多电平变换器是一种理想的选择。
文献[5]提出了一种Z源中点钳位（NeutralPointClamped，NPC）逆变器，它由两个独立的直流电源、两个Z源和一个三电平NPC逆变电路组成。Z源的引入使直通成为一种正常的工作状态，通过控制直通占空比，Z源三电平NPC逆变器可以实现升压功能，且不用控制死区时间，可以防止输出电流波形畸变。桥臂直通不会引起功率器件的损坏，可靠性明显增加。虽然Z源给二极管中点钳位逆变器的性能带来了改善，但是该电路拓扑存在储能元件多，硬件成本高等缺点。文献[6]在上述研究的基础上提出了一种单Z源的二极管中点钳位（NeutralPointClamped，NPC）逆变器，该逆变器可以实现同样的升压和逆变功能。因此，Z源三电平NPC逆变器相对于传统三电平NPC逆变器优势明显，前景十分广阔。
假设P，O，N分别代表1，0，-1状态。大矢量[PNN]没有和直流侧电容中性点相连，故不会影响中点电位平衡，如图8（a）所示。零矢量[OOO]虽然和直流侧电容中性点相连，但是三相输出电流之和为0，也不会影响中点平衡，如图8（b）所示。如果T型三相三电平逆变器输出为P?type的小矢量[POO]，如图8（c）所示，该类型的小矢量会减少上侧电容电压Vdc1。反之，如果T型三相三电平逆变器输出为N?type的小矢量[OON]，如图8（d）所示，该类型的小矢量会减少下侧电容电压[Vdc2。]
本文采用中点平衡控制是通过控制N?type和P?type小矢量实现的。P?type小矢量用于减小上侧电容电压，P?type小矢量用于减小下侧电容电压。
如果下侧电容电压[Vdc2]大于上侧电容电压[Vdc1，]N?type小矢量用于实现中点平衡控制；即A相，B相和C相的调制波[Ua，Ub，Uc]分别同时减去[Tmin，]可得：[Tmin]为调制波[Ua，Ub，Uc]中的最小值，通过每个控制周期比较获得。
反之，如果下侧电容电压[Vdc2]小于上侧电容电压[Vdc1，]P?type小矢量用于实现中点平衡控制，即A相，B相和C相的调制波[Ua，Ub，Uc]分别同时加上[Tmin，]可得：[Tmin]为调制波[Ua，Ub，Uc]中的最小值，通过每个控制周期比较获得。
5仿真和实验结果
为验证Z源三电平T型逆变器拓扑的可行性，首先按照电路参数进行仿真研究，本文采用Matlab/Simulink建立该逆变器的PD仿真模型，进行仿真对比验证。仿真参数为：独立电压[Uin=]200V；直流侧的电容[C1=C2=C3=C4=3]mF；电感[L1=L2=L3=L4=3]mH；负载为三相对称负载，负载电阻为10Ω；滤波电感为2.8mH；滤波电容为0.1mF；载波频率为6kHz。
为了证明Z源三电平T型逆变器的升压能力，首先，设定调制度[M=]0.8，直通占空比的时间[TULST=]0。图9依次输出的是相电压、相电流、线电压、Z源电容电压、直流链电压[Vi。]Z源三电平T型逆变器没有升压，因此线电压的峰值等于200V。由式（7）可得理论相电压为92V，理论线电压值为159V，高质量的正弦相电流可以得到。Z源电容电压由于没有升压而保持200V不变化。直流链电压[Vi]也是保持在200V附近波动。
然后，设定调制度[M=]0.8，直通占空比的时间[TULST=]0.2，仿真波形如图10所示。由式（7）可知升压因子[B=1.66，]相电压为[159×1.661.732=]152.4V，实际测量值为140V。由式（5）可得升压最大值[Vi]为332V，而实际测量值为324V。电流没有受到直通信号的影响而发生畸变。Z源的电容电压由式（5）可得为266V，实际测量值为265V。另外，[Vdc]电压在162～324V变化实现升压和逆变功能。
仿真结果表明Z源三电平T型逆变器可以使线电压升到设定的值而不影响输出电流的波形质量。
为了证明ULST方法比FST方法具有更好的波形质量，假定FST方法采用和ULST方法一样的参数。设定调制度[M=]0.8，直通占空比的时间[TFST=]0.2。图11依次输出的是相电压、线电流、线电压、Z源电容电压、[Vi]电压。表2给出了滤波之前线电压谐波和开关损耗的比较。
为了证明加入直通不会影响输出电压的波形质量，相同的输入电压加在直通模式（TULST=0.2）和非直通模式（TULST=0）下，它们的谐波对比如图12所示。
最后，对Z源三电平NPC逆变器采用PD方法进行仿真对比，在参数一样的情况下，线电压、相电流、Vi电压如图13，图14所示。THD对比如表3所示。
从表3中可以看出，Z源三电平T型逆变器与Z源三电平NPC逆变器在相同的调制策略下，波形质量相同。
为了验证Z源三电平T型逆变器拓扑的中点平衡和升压，进行实验验证。仿真参数为：独立电压[Uin=]80V；直流侧的电容[C1=C2=C3=C4=]3mF；电感[L1=L2=L3=][L4=]3mH；负载为三相对称负载，负载电阻为20Ω；滤波电感为2.8mH；滤波电容为0.1mF；载波频率为6kHz。
为了证明Z源三电平T型逆变器的中点平衡能力，首先，设定调制度[M=]0.8，直通占空比的时间[TULST=]0。图17依次输出的是电容电压、相电流、直流链电压[Vi。]Z源三电平T型逆变器没有升压，因此线电压的峰值等于80V。
为了证明中点平衡能力和升压能力，设定调制度[M=0.8，]直通占空比的时间[TFST=0.15。]图18依次输出的是电容电压、相电流、直流链电压[Vi。]经过本文算法以后中点电容是平衡的。Z源三电平T型逆变器实现升压功能，因此线电压的峰值等于115V。
6结论
T型三电平具有较少的开关器件得到广泛的应用。本文采用一种新型Z源T型三电平逆变器拓扑，采用PD调制方法实现升压和逆变功能，其相对于APOD调制方法具有较少的谐波。针对T型三电平固有缺点，提出了注入零序分量实现中点平衡控制方法。本文所提算法实现了中点平衡和升压的功能。通过仿真和实验验证了本文所提算法的正确性。
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