新型變壓器和傳統(tǒng)變壓器原理介紹

1、新型變壓器與傳統(tǒng)變壓器的原理介紹變壓器變壓器變壓器是一種靜止的，將某一等級(jí)的交流電壓和電流轉(zhuǎn)換為同頻率的另一等級(jí)的交流電壓和電流的設(shè)備。功能：變電壓 電力系統(tǒng)變電流 電流互感器變阻抗 電子電路中的阻抗匹配 變壓器應(yīng)用舉例變壓器應(yīng)用舉例 發(fā)電廠發(fā)電廠10.5千伏千伏輸電線輸電線220千伏千伏升壓升壓10千伏千伏變電站變電站降壓降壓實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室380 / 220伏伏降壓降壓儀器儀器36伏伏降壓降壓變壓器基本工作原理變壓器基本工作原理變壓器的工作原理變壓器的工作原理空載運(yùn)行：U1 i1 感應(yīng)電勢(shì)e1和e2 U2 ； 略去繞組電阻和漏抗壓降，則：?jiǎn)蜗嘧儔浩髟韴D 變壓器基本工作原理變壓器基本工作原理（

2、1）電動(dòng)勢(shì)關(guān)系 由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，原、副線圈中具有相同的/t根據(jù)電磁感應(yīng)定律有：E1 = n1t、E2 = n2t所以，2121nnEE 變壓器基本工作原理變壓器基本工作原理（2）電壓關(guān)系如果不計(jì)原、副線圈的電阻，則有： U1 = E1、U2 = E2 所以，只要匝數(shù)不同，就可得到不同輸出電壓，這就變壓器的變壓原理：n2 n1時(shí)，U2 U1，此時(shí)為升壓變壓器n2 n1時(shí)，U2 U1，此時(shí)為降壓變壓器2121nnUU 變壓器基本工作原理變壓器基本工作原理（）電流關(guān)系 由于不存在各種電磁能量損失，輸入功率等于輸出功率 P1 =P2，即：U1I1= U2I2所以： 變壓器高壓線圈匝數(shù)多而通過的電流小

3、，可用較細(xì)的導(dǎo)線繞制，低壓線圈匝數(shù)少而通過電流大， 應(yīng)用較粗的導(dǎo)線繞制。121221nnUUII 變壓器的種類及發(fā)展變壓器的種類及發(fā)展：電力系統(tǒng)傳輸電能的升壓變壓器 / 降壓變壓器 等。 ：給電焊機(jī)供電的電焊變壓器，給煉鋼爐供電的電爐變壓器等： / ：高壓試驗(yàn)用調(diào)節(jié)輸出電壓變壓器的種類及發(fā)展變壓器的種類及發(fā)展不同的分類，基本原理一樣不同的分類，基本原理一樣變壓器的種類及發(fā)展變壓器的種類及發(fā)展油浸式變壓器油浸式變壓器變壓器的種類及發(fā)展變壓器的種類及發(fā)展干式變壓器干式變壓器變壓器的種類及發(fā)展變壓器的種類及發(fā)展 問題的提出問題的提出 傳統(tǒng)的電力變壓器，雖然具有制作工藝簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)

4、也十分明顯，如體積、重量、空載損耗大；過載時(shí)易導(dǎo)致輸出電壓下降、產(chǎn)生諧波；負(fù)載側(cè)發(fā)生故障時(shí)，不能隔離故障，從而導(dǎo)致故障擴(kuò)大；帶非線性負(fù)荷時(shí)，畸變電流通過變壓器耦合進(jìn)入電網(wǎng)，造成對(duì)電網(wǎng)的污染；電源側(cè)電壓受到干擾時(shí)，又會(huì)傳遞到負(fù)載側(cè)，導(dǎo)致對(duì)敏感負(fù)荷的影響；使用絕緣油造成環(huán)境污染；需要配套的保護(hù)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行保護(hù)等。 這使得傳統(tǒng)的電力變壓器無法滿足我國建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的需求。新型變壓器新型變壓器電力電子變壓器 隨著大功率電力電子元器件及其控制技術(shù)的發(fā)展，一種通過電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中電壓變換和能量傳遞的新型變壓器電力電子變壓器PET (Power Electronic Transformer)

5、 得到了越來越多的關(guān)注。 PET 通過電力電子器件和電力電子變流技術(shù)對(duì)電網(wǎng)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換與控制，以替代傳統(tǒng)的電力變壓器。新型變壓器新型變壓器電力電子變壓器的突出優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面：（1）體積小，重量輕，極少環(huán)境污染；（2）運(yùn)行時(shí)二次側(cè)輸出電壓幅值恒定，不隨負(fù)載變化，且平滑可調(diào)；（3）一次、二次側(cè)電壓為正弦波形，一、二次功率因數(shù)可調(diào)；（4）PET 變壓器的一、二次電壓、電流和功率均高度可控；（5）PET 本身具有斷路器的功能，無需常規(guī)的變壓器繼電保護(hù)裝置。電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理 研究PET 的初衷是為了降低傳統(tǒng)變壓器的體積和重量。因?yàn)?變壓器的體積和重量與它的運(yùn)行頻率成反比,借助于

6、電力電子技術(shù)提高其變換頻率,就可減小體積和重量。 PET 的基本設(shè)計(jì)思路源于具有高頻連接的AC/AC 變換電路（圖1），通過電力電子變換技術(shù)將變壓器一次側(cè)的工頻交流輸入信號(hào)變換為高頻信號(hào)，經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)后，再經(jīng)電力電子變換還原成工頻交流輸出。因高頻變壓器起隔離和變壓作用，而鐵心式變壓器的體積與頻率成反比，所以高頻變壓器的體積遠(yuǎn)小于工頻變壓器，且整體效率高。電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理 圖1 PET 基本原理電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理 電力電子變壓器有多種形式，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大體可以分為兩類： 1.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中無直流環(huán)節(jié)，稱為AC-AC直接電力電子變壓器； 2.在

7、高頻變壓器兩側(cè)含有直流環(huán)節(jié)，稱為 AC-DC-AC電力電子變壓器。 圖中所有開關(guān)都為雙向開關(guān), 即由兩個(gè)IGBT 和二極管相對(duì)連接, 可以使電流雙向流動(dòng)。一次側(cè)開關(guān)SW1、SW2、SW3、SW4和二次側(cè)開關(guān)SW1、SW2、SW3、SW4工作在同步狀態(tài)。在高頻 變壓器T 的原邊換流開關(guān)SW1SW4交替導(dǎo)通下, 工頻交流電被調(diào)制成高頻電壓,該高頻電壓經(jīng)過變壓器耦合到副邊, 再經(jīng)過副邊換流開關(guān)SW1SW4交替導(dǎo)通換流之后,還原成工頻的交流電。電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理圖2 單相PET結(jié)構(gòu)示意圖電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理 該類變換器的優(yōu)點(diǎn)是：能實(shí)現(xiàn)電壓的基本變換,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,

8、體積和重量均大幅下降。但該方案可控性不高,電壓電流應(yīng)力大,副邊電壓波形僅僅是對(duì)原方電壓波形的還原,電壓波形的還原還必須保證整流模塊和逆變模塊開關(guān)同步。 PET 的具體實(shí)現(xiàn)方案可分為兩種基本形式：一種是在變換過程中不含直流環(huán)節(jié)，即直接AC/AC 變換,其原理是在高頻變壓器一次側(cè)進(jìn)行高頻調(diào)制,在二次側(cè)同步解調(diào)，如上圖2 和下圖3 所示； 電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理圖3 三相AC/ AC 型PET 結(jié)構(gòu)圖電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理 另一種是在變換過程中存在直流環(huán)節(jié)，通常是在變壓器一次側(cè)進(jìn)行AC/DC 變換, 將直流調(diào)制為高頻信號(hào)經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)后進(jìn)行DC/AC 變

9、換。兩種方案相比，由于后一種方式具備良好的控制特性受到更多的關(guān)注。 以下是PET 三種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理三相AC/AC 型PET 結(jié)構(gòu)（圖3）由24 個(gè)IGBT 和二極管，以及高頻變壓器組成,電路復(fù)雜、損耗較大。另外,為了避免兩相之間有短時(shí)短路,其控制策略較復(fù)雜。雖然有研究者提出過一種四步開關(guān)控制策略能夠避免相間短路的出現(xiàn),但算法較復(fù)雜，目前難以實(shí)現(xiàn)。圖3 三相AC/ AC 型PET 結(jié)構(gòu)圖電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理 圖4為采用反激型變換器的電力電子變壓器。該結(jié)構(gòu)直接采用AC/AC 變換的思想，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。開關(guān)控制采用PWM控制策略，其工作原

10、理為：當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電源對(duì)電感和電容充電，能量存儲(chǔ)于電感和電容中；當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感向變壓器一次繞組放電，能量高度耦合到二次側(cè)，對(duì)二次電容充電，同時(shí)對(duì)負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，二次電容也繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電。該電路的另一個(gè)特點(diǎn)是電源側(cè)的電感和電容組成了LC 濾波器，適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇可以濾除電源側(cè)的電壓諧波，能在一定程度上解決電能質(zhì)量的問題，但是這種結(jié)構(gòu)不能用于大功率的場(chǎng)合。圖4 采用反激型變換器的PET 結(jié)構(gòu)圖電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理 圖5 所示工作原理為：工頻交流電經(jīng)過三相PWM變換器變換為直流，直流電壓經(jīng)過橋式逆變器變換為高頻交流電壓輸入到變壓器原邊，然后耦合到高頻變壓器副邊，經(jīng)過一

11、個(gè)全橋整流器變?yōu)橹绷麟妷?，再通過三相逆變器輸出三相交流電壓。這種結(jié)構(gòu)的PET 多了中間的直流環(huán)節(jié)，其可控性提高，具有輸出電壓波形質(zhì)量高、抑制諧波的雙向流動(dòng)的特點(diǎn)，但經(jīng)過的變換環(huán)節(jié)太多，損耗較大，且對(duì)器件的耐壓等級(jí)也是個(gè)考驗(yàn)。圖5 三相AC/ DC/ AC 型PET 結(jié)構(gòu)圖電力電子變壓器的原理電力電子變壓器的原理多電平智能變壓器的提出 多電平變換器是近年來研究較熱的一種新興變流技術(shù)，其相比于兩電平變換器突出的優(yōu)點(diǎn)在于：1.單個(gè)開關(guān)器件承受的應(yīng)力小，而系統(tǒng)整體容易實(shí)現(xiàn)大容量；2.在相同的開關(guān)頻率下，輸出波形質(zhì)量更高，諧波含量更低；3.運(yùn)用合適的控制算法可以使系統(tǒng)更加安全可靠的運(yùn)行。電力電子變壓器的

12、原理電力電子變壓器的原理SEPIC式三電平電力電子變壓器P E T 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及展望在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及展望 對(duì)PET 進(jìn)行研究的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容是通過其解決電能質(zhì)量問題，即電力電子變壓器既具備傳統(tǒng)電力變壓器的功能，又具有抑制諧波雙向流動(dòng)、防止負(fù)載側(cè)出現(xiàn)故障擾動(dòng)影響電源電壓；消除電壓跌落、升高，以及過電壓、欠電壓等電源側(cè)電壓的干擾對(duì)負(fù)荷的影響；對(duì)自身和系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，并給出報(bào)警信號(hào)和故障類型等信息。 P E T 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及展望在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及展望 PET 一、二次側(cè)的電壓源變換器可根據(jù)系統(tǒng)需求快速調(diào)節(jié)交流側(cè)的電壓幅值和相位，實(shí)時(shí)控制暫態(tài)過程中PET 一、二次側(cè)的電壓、電流和功率

13、；同時(shí)，有效的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制在暫態(tài)時(shí)也可提高系統(tǒng)阻尼，改善系統(tǒng)的電壓特性。P E T 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及展望在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及展望 當(dāng)發(fā)生一回線斷路故障時(shí),用PET 代替常規(guī)鐵芯變壓器接入系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)輸出有功和轉(zhuǎn)速的振蕩幅值、時(shí)間和次數(shù)等特性都有明顯的改善。 當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時(shí),通過上面所提到的控制策略來控制電力電子變壓器,能夠使系統(tǒng)獲得對(duì)擾動(dòng)的良好的阻尼特性,有效地抑制了擾動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的功率以及轉(zhuǎn)速的振蕩。P E T 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及展望在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及展望 通過分析PET 的基本理論和發(fā)展現(xiàn)狀,我們看出PET具有良好的發(fā)展前景?？梢允褂迷趯?duì)能量轉(zhuǎn)換裝置的體積、重量有特殊要求的場(chǎng)合,如航海、航空、航天等領(lǐng)域；也可以為電能質(zhì)量敏感負(fù)荷供電，如造紙廠、生產(chǎn)精密機(jī)械的汽車零件制造、半導(dǎo)體制造業(yè)、金融、軍事、醫(yī)療領(lǐng)域等，可以有效的改善電能質(zhì)量問題