電力電子技術(shù)在變壓器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與分析

1、電力電子技術(shù)在變壓器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與 分析陳永杰趙奇唐日強(qiáng)許繼變壓器有限公司摘要：電力電子技術(shù)融入電力系統(tǒng)屮的變壓器，是當(dāng)前國(guó)際上較為先進(jìn)的理念，與傳 統(tǒng)變壓器相比，不僅能夠提高當(dāng)前的電能質(zhì)量，并且能夠提高電網(wǎng)的利用效率， 具有很大優(yōu)勢(shì)。本文首先是對(duì)電力電子技術(shù)在變壓器中應(yīng)用的基本原理進(jìn)行闡述, 對(duì)電力電子變壓器的幾種電路類型進(jìn)行了研究，并且著重分析了雙pwm變換的 電力電子變壓器。在對(duì)雙pwm變換的電力電子變壓器進(jìn)行分析吋，首先從它的結(jié) 構(gòu)框圖以及電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。先從整流電路對(duì)電力電子變壓器進(jìn)行分析，再?gòu)?逆變電路對(duì)雙pwm變換的電力電子變壓器分析，通過這三種對(duì)變壓器的詳細(xì)分 析，對(duì)我們了解

2、雙pwm電力電子變壓器有非常大的幫助，能夠使我們充分了解 其工作原理，從而對(duì)電力電子技術(shù)應(yīng)用在變壓器中充滿信心，這種變壓器將逐 漸取代傳統(tǒng)變壓器，在未來會(huì)有好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù);變壓器設(shè)計(jì);應(yīng)用與分析;作者簡(jiǎn)介：陳永杰，工程師，研究方向?yàn)樽儔浩髟O(shè)計(jì)。在我國(guó)電力系統(tǒng)中最主要的電氣設(shè)備就是電力變壓器，傳統(tǒng)的電力變壓器負(fù)荷 變化對(duì)電力影響特別大。當(dāng)電力的負(fù)荷發(fā)生故障時(shí)，不能很好的隔離故障，為了 隔離故障而使用絕緣油會(huì)對(duì)環(huán)境形成一定的污染，傳統(tǒng)的電力變壓器有著自己 的不足，比如體積大、空載耗損也比較大和重量大等;跟傳統(tǒng)的變壓器相比較來 看，電力電子變壓器是新型的一種能量電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，這種

3、電力電子變壓器最 大的優(yōu)點(diǎn)就是耗損相對(duì)比較小，不需要絕緣油等，我國(guó)目前將現(xiàn)代電力電子技 術(shù)和控制技術(shù)引到以前傳統(tǒng)的電力技術(shù)方面，通過半導(dǎo)體集成電路、微處理控制 系統(tǒng)和半導(dǎo)體電力開關(guān)器件來對(duì)電流的大小、電壓、相位、頻率和波形來進(jìn)行控 制和變換，為了更好地替換以前傳統(tǒng)的電力變壓器，就需要使用電力電子交流 技術(shù)和電力電子器件來控制和轉(zhuǎn)換有關(guān)的能量，還有很多的理論知識(shí)和一些實(shí) 際問題需要大家來進(jìn)行研究。1電力電子變壓器的基本原理 初級(jí)功率變換器、次級(jí)功率變換器以及聯(lián)系初級(jí)和次級(jí)功率變換器的高頻變壓器 來共同構(gòu)成電力電子變壓器。根據(jù)電力電子變壓器的輸入和輸出這種特點(diǎn)來看， 也就是電力電子變壓器的交交變換

4、，電力電子變壓器的基木工作原理就是輸入 的工頻電壓利用原邊變換器，將工頻電壓轉(zhuǎn)換為高頻電壓，利用高頻變壓器耦 合到副邊，最后再利用副邊功率變換器將電壓轉(zhuǎn)換成所需要的高頻交流電壓;對(duì) 電力電子變壓器要減小它的體積，來增加電力電子變壓器的工作頻率;為了把工 頻交流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，這就需要使用合適的電力控制方案和現(xiàn)代電力電 子技術(shù)，最終能夠使電力電子變壓器逐步的過渡成小型變壓器和輕型變壓器。2電力電子變壓器的幾種電路類型2.1斬控式電力電子變壓器在1995年，電力電子變壓器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)被制造出來，這也是美國(guó)電科院首次成 功制造斬控式的電力電子變壓器。2. 2交-交-交變換電力電子變壓器在1999年

5、，交-交-交變換的電力電子變壓器被制造出來，它是一種新型的電力 電子變壓器，這也是美國(guó)徳州大學(xué)首次成功制造該種類型的電力電子變壓器。2.3反激式電力電子變壓器反激式電力電子變壓器是近年來研制的新型變壓器，它的內(nèi)部元件大大減少， 結(jié)構(gòu)非常的簡(jiǎn)化。3雙pwm變換的電力電子變壓器分析3. 1結(jié)構(gòu)框圖及電路結(jié)構(gòu)雙pwm變換的基木思路是把原電壓進(jìn)行高頻整流，然后再進(jìn)行輸出。具體做法是 當(dāng)原交流電到達(dá)電力電子變壓器后，首先在變壓器的原邊對(duì)其進(jìn)行三相整流， 然后再進(jìn)行單相逆變，使交流電壓轉(zhuǎn)變成為直流電，然后經(jīng)過高頻變壓器，把 直流電壓進(jìn)行高頻耦合后，然后再通過三相逆變將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿?xiàng)交流電 壓，經(jīng)過電力

6、電子變壓器的副邊進(jìn)行輸岀。電力電子變壓器由電壓型三相pwm,單相橋式逆變電路和單相橋式整流電路構(gòu) 成，另外還包括了高頻變壓器和三相橋式逆變電路。首先，電力系統(tǒng)中的交流電 通過變壓器時(shí)，首先會(huì)在原邊被雙pwm變換的電力電子變壓器的進(jìn)行整流，在 通過三相電壓型pwm整流后，把這些交流電準(zhǔn)變成直流電，這些直流電能夠被 電網(wǎng)電流的相位所控制，然后把這些電流經(jīng)過單相逆變電路，將其逆變成為單 相高頻交流電，通過電力電子變壓器的耦合后，進(jìn)行單相高頻整流，在完成單 相高頻整流后，在變壓器的副邊將高頻的交流電轉(zhuǎn)變成為直流電，然后在直流 電轉(zhuǎn)換成為三相交流電前，在變壓器的副邊經(jīng)過三相逆變電路的轉(zhuǎn)變，最后將 傳輸過

7、來的的直流電由轉(zhuǎn)變成三相交流電，再通過濾波電路，重新輸入到店里 系統(tǒng)屮，此時(shí)經(jīng)過變壓器工作后，形成的交流電的頻率為工頻。3.2整流電路分析在雙pw'm變換的電力電子變壓器中，既有三相全橋整流的電路，是由全控器件 組成，還包含有單相全橋整流電路，同樣也是由全控器件組成。在雙pwm變換的 電力電子變壓器中，采用的整流電路沿襲了以往經(jīng)常采用的ac/dc變換電路， 這個(gè)變換電路也是應(yīng)用最為廣泛的一種，其他傳統(tǒng)的整流電路還有不控整流和 相控管整流，以及pwm整流，這些整流方式代表了電子元件發(fā)展的歷史，是從 二極管發(fā)展到晶閘管，再發(fā)展到門極關(guān)斷功率開關(guān)管的。這些被廣泛應(yīng)用的相控 整流器，在歷史中應(yīng)

8、用的時(shí)期，對(duì)當(dāng)時(shí)電路整流具有非常重要的意義，但是隨 著時(shí)代的發(fā)展，這些相控整流器己經(jīng)逐漸不能應(yīng)對(duì)當(dāng)前的科技水平，另外，這 些傳統(tǒng)的相控整流器本身也存在很多問題，比如說晶閘管在應(yīng)用吋，在換相過 程屮經(jīng)常會(huì)在網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)問題，表現(xiàn)是引起波形畸變;另外，在傳統(tǒng)的二極管相控 整流器應(yīng)用過程中，述經(jīng)常會(huì)在深控時(shí)網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)問題，表現(xiàn)特征是功率因數(shù)下 降顯著;還有，在傳統(tǒng)的二極管相控整流器應(yīng)用時(shí)，在網(wǎng)側(cè)諧波也會(huì)也會(huì)對(duì)電網(wǎng) 產(chǎn)牛影響，使電網(wǎng)產(chǎn)牛諧波污染;最后，傳統(tǒng)相控整流器在閉環(huán)控制時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng) 存在問題，經(jīng)常會(huì)由于響應(yīng)過慢而降低了電力系統(tǒng)的工作效率。因此，電力系統(tǒng)亟需采用一種新型的整流技術(shù)來取代傳統(tǒng)的這些整流技術(shù)，

9、pwm 整流技術(shù)在這時(shí)起到了關(guān)鍵性的作用，不僅相對(duì)于傳統(tǒng)的二極管整流得到了全 面的改善，而且采用pwm斬控整流技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控整流技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中, 利用全控型的功率開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半空型開關(guān)管，能夠使網(wǎng)側(cè)電流變?yōu)檎也ǎ?從而避免發(fā)生網(wǎng)側(cè)的波形畸變;不僅能夠?qū)W(wǎng)側(cè)電流的功率因數(shù)進(jìn)行控制，而口 還能使電力系統(tǒng)的電能進(jìn)行雙向傳輸，最重要的是極大的提升了動(dòng)態(tài)控制響應(yīng) 的速度?；谶@些優(yōu)勢(shì)，我們可以看出，pwm整流技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的相控整流技 術(shù)極具優(yōu)勢(shì)，應(yīng)當(dāng)被廣泛應(yīng)用并推廣。3.3逆變電路分析變壓器原邊采用了單相逆變電路，其作用是把電力系統(tǒng)傳輸過來的交流電整流 成為直流電后，把直流的輸岀電壓提高頻

10、率，使其變?yōu)楦哳l的電壓;副邊包含了 三相逆變電路，主要作用是把經(jīng)過整流后的高頻輸出電壓進(jìn)行降頻，同時(shí)把直 流電經(jīng)過三相逆變轉(zhuǎn)化成為工頻的交流電，從而使人們正常使用。采用這種逆變 電路，主要是為了降低交流電容易由于負(fù)載阻抗而導(dǎo)致的波動(dòng)。在變壓器中，采 用并聯(lián)的直流電大電容，把這些大電容當(dāng)作電壓源，能夠利用直流電的特性在 交流側(cè)輸岀電壓吋輸岀矩形波，這是跟直流電自身的特性決定的，因此輸岀的 電壓波形與負(fù)載和阻抗是沒有關(guān)系的。而因?yàn)榻涣麟娫诮?jīng)過負(fù)載時(shí)容易產(chǎn)生比較 大的波動(dòng)，這是交流電的特性決定的，不利于我們正常使用，另外，直流側(cè)電 容具有緩沖電力系統(tǒng)中無功能量的功能，當(dāng)雙pwm變換的電力電子變壓器中

11、的 電流經(jīng)過負(fù)載時(shí)，如果負(fù)載的狀態(tài)是感性，對(duì)提供的無功功率能夠進(jìn)行緩沖， 而通過雙pwm變換的電力電子變壓器中逆變的反饋二極管，能夠作為無功能量 的傳輸媒介，把交流側(cè)的無功能量傳輸?shù)街绷鱾?cè)，形成傳輸通道。4結(jié)語雙pwm電力電子變壓器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，不僅能夠抑制諧波的正方向流動(dòng)， 也能夠抑制諧波的反方向流動(dòng)。通常分為斬控式，交一交式和反激式電力電子變 壓器三種電路類型。在電力系統(tǒng)的配電環(huán)節(jié)屮，電力電子變壓器能夠抑制諧波的 正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，從而使電力系統(tǒng)中的電壓跌落和電壓升高對(duì)設(shè)備的影響 被消除，并且有效的解決了除電力系統(tǒng)中的電壓過載和欠電壓等這些電源方面 的原因?qū)е略O(shè)備負(fù)荷過大的問題，能夠極大的提高供電的可靠性，而且有效的 提高電力系統(tǒng)提供的電能質(zhì)量。在電力系統(tǒng)中得到有效的應(yīng)用，它可以得到有效 的應(yīng)用，不僅能夠靈活的調(diào)節(jié)交流輸電系統(tǒng)的阻抗，而且能夠非常順暢的控制 交流輸電功率的潮流;既能夠快速的變動(dòng)電壓及相位實(shí)施，還能夠輕易的與柔性 輸電技術(shù)結(jié)合在一起，促進(jìn)了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜上所述，電力電子技術(shù)融入變壓器是當(dāng)前電力系統(tǒng)研究的新興領(lǐng)域，將這種 變壓器所提供的研究思路和理論應(yīng)用于實(shí)際，并口逐漸實(shí)用化、民用化，能夠極 大的提高電力系統(tǒng)的電能利用效率，從而使電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。參考文獻(xiàn)1 韓國(guó)亮