新型变压器和传统变压器原理介绍.ppt

新型变压器与传统变压器的原理介绍 变压器 变压器是一种静止的 将某一等级的交流电压和电流转换为同频率的另一等级的交流电压和电流的设备 功能 变电压 电力系统变电流 电流互感器变阻抗 电子电路中的阻抗匹配 变压器应用举例 变压器基本工作原理 变压器的工作原理 空载运行 U1 i1 感应电势e1和e2 U2 略去绕组电阻和漏抗压降 则 单相变压器原理图 变压器基本工作原理 1 电动势关系由于电磁感应现象 原 副线圈中具有相同的 t 根据电磁感应定律有 E1 n1 t E2 n2 t 所以 变压器基本工作原理 2 电压关系如果不计原 副线圈的电阻 则有 U1 E1 U2 E2所以 只要匝数不同 就可得到不同输出电压 这就变压器的变压原理 n2 n1时 U2 U1 此时为升压变压器n2 n1时 U2 U1 此时为降压变压器 变压器基本工作原理 电流关系由于不存在各种电磁能量损失 输入功率等于输出功率P1 P2 即 U1I1 U2I2所以 变压器高压线圈匝数多而通过的电流小 可用较细的导线绕制 低压线圈匝数少而通过电流大 应用较粗的导线绕制 变压器的种类及发展 按用途分 1 电力变压器 电力系统传输电能的升压变压器 降压变压器等 2 特殊变压器 给电焊机供电的电焊变压器 给炼钢炉供电的电炉变压器等3 仪用互感器 电压互感器 电流互感器4 试验变压器 高压试验用5 调压变压器 能在一定范围内连续调节输出电压6 控制变压器 隔离防止触电安全 同时提供多种电压 变压器的种类及发展 不同的分类 基本原理一样 变压器的种类及发展 油浸式变压器 变压器的种类及发展 干式变压器 变压器的种类及发展 问题的提出传统的电力变压器 虽然具有制作工艺简单 可靠性高等优点 但是其缺点也十分明显 如体积 重量 空载损耗大 过载时易导致输出电压下降 产生谐波 负载侧发生故障时 不能隔离故障 从而导致故障扩大 带非线性负荷时 畸变电流通过变压器耦合进入电网 造成对电网的污染 电源侧电压受到干扰时 又会传递到负载侧 导致对敏感负荷的影响 使用绝缘油造成环境污染 需要配套的保护设备对其进行保护等 这使得传统的电力变压器无法满足我国建设坚强智能电网的需求 新型变压器 电力电子变压器随着大功率电力电子元器件及其控制技术的发展 一种通过电力电子变换技术实现电力系统中电压变换和能量传递的新型变压器 电力电子变压器PET PowerElectronicTransformer 得到了越来越多的关注 PET通过电力电子器件和电力电子变流技术对电网能量进行转换与控制 以替代传统的电力变压器 新型变压器 电力电子变压器的突出优点有以下几方面 1 体积小 重量轻 极少环境污染 2 运行时二次侧输出电压幅值恒定 不随负载变化 且平滑可调 3 一次 二次侧电压为正弦波形 一 二次功率因数可调 4 PET变压器的一 二次电压 电流和功率均高度可控 5 PET本身具有断路器的功能 无需常规的变压器继电保护装置 电力电子变压器的原理 研究PET的初衷是为了降低传统变压器的体积和重量 因为 变压器的体积和重量与它的运行频率成反比 借助于电力电子技术提高其变换频率 就可减小体积和重量 PET的基本设计思路源于具有高频连接的AC AC变换电路 图1 通过电力电子变换技术将变压器一次侧的工频交流输入信号变换为高频信号 经高频变压器耦合到二次侧后 再经电力电子变换还原成工频交流输出 因高频变压器起隔离和变压作用 而铁心式变压器的体积与频率成反比 所以高频变压器的体积远小于工频变压器 且整体效率高 电力电子变压器的原理 图1PET基本原理 电力电子变压器的原理 电力电子变压器有多种形式 根据拓扑结构大体可以分为两类 1 拓扑结构中无直流环节 称为AC AC直接电力电子变压器 2 在高频变压器两侧含有直流环节 称为AC DC AC电力电子变压器 图中所有开关都为双向开关 即由两个IGBT和二极管相对连接 可以使电流双向流动 一次侧开关SW1 SW2 SW3 SW4和二次侧开关SW1 SW2 SW3 SW4 工作在同步状态 在高频变压器T的原边换流开关SW1 SW4交替导通下 工频交流电被调制成高频电压 该高频电压经过变压器耦合到副边 再经过副边换流开关SW1 SW4 交替导通换流之后 还原成工频的交流电 电力电子变压器的原理 图2单相PET结构示意图 电力电子变压器的原理 该类变换器的优点是 能实现电压的基本变换 结构简单 体积和重量均大幅下降 但该方案可控性不高 电压电流应力大 副边电压波形仅仅是对原方电压波形的还原 电压波形的还原还必须保证整流模块和逆变模块开关同步 PET的具体实现方案可分为两种基本形式 一种是在变换过程中不含直流环节 即直接AC AC变换 其原理是在高频变压器一次侧进行高频调制 在二次侧同步解调 如上图2和下图3所示 电力电子变压器的原理 图3三相AC AC型PET结构图 电力电子变压器的原理 另一种是在变换过程中存在直流环节 通常是在变压器一次侧进行AC DC变换 将直流调制为高频信号经高频变压器耦合到二次侧后进行DC AC变换 两种方案相比 由于后一种方式具备良好的控制特性受到更多的关注 以下是PET三种典型的拓扑结构 电力电子变压器的原理 三相AC AC型PET结构 图3 由24个IGBT和二极管 以及高频变压器组成 电路复杂 损耗较大 另外 为了避免两相之间有短时短路 其控制策略较复杂 虽然有研究者提出过一种四步开关控制策略能够避免相间短路的出现 但算法较复杂 目前难以实现 图3三相AC AC型PET结构图 电力电子变压器的原理 图4为采用反激型变换器的电力电子变压器 该结构直接采用AC AC变换的思想 使结构简化 开关控制采用PWM控制策略 其工作原理为 当开关断开时 电源对电感和电容充电 能量存储于电感和电容中 当开关导通时 电感向变压器一次绕组放电 能量高度耦合到二次侧 对二次电容充电 同时对负载供电 当开关断开时 二次电容也继续对负载供电 该电路的另一个特点是电源侧的电感和电容组成了LC滤波器 适当的参数选择可以滤除电源侧的电压谐波 能在一定程度上解决电能质量的问题 但是这种结构不能用于大功率的场合 图4采用反激型变换器的PET结构图 电力电子变压器的原理 图5所示工作原理为 工频交流电经过三相PWM变换器变换为直流 直流电压经过桥式逆变器变换为高频交流电压输入到变压器原边 然后耦合到高频变压器副边 经过一个全桥整流器变为直流电压 再通过三相逆变器输出三相交流电压 这种结构的PET多了中间的直流环节 其可控性提高 具有输出电压波形质量高 抑制谐波的双向流动的特点 但经过的变换环节太多 损耗较大 且对器件的耐压等级也是个考验 图5三相AC DC AC型PET结构图 电力电子变压器的原理 多电平智能变压器的提出多电平变换器是近年来研究较热的一种新兴变流技术 其相比于两电平变换器突出的优点在于 1 单个开关器件承受的应力小 而系统整体容易实现大容量 2 在相同的开关频率下 输出波形质量更高 谐波含量更低 3 运用合适的控制算法可以使系统更加安全可靠的运行 电力电子变压器的原理 SEPIC式三电平电力电子变压器 PET在电力系统中的应用及展望 对PET进行研究的一个重点内容是通过其解决电能质量问题 即电力电子变压器既具备传统电力变压器的功能 又具有抑制谐波双向流动 防止负载侧出现故障扰动影响电源电压 消除电压跌落 升高 以及过电压 欠电压等电源侧电压的干扰对负荷的影响 对自身和系统进行保护 并给出报警信号和故障类型等信息 PET在电力系统中的应用及展望 PET一 二次侧的电压源变换器可根据系统需求快速调节交流侧的电压幅值和相位 实时控制暂态过程中PET一 二次侧的电压 电流和功率 同时 有效的发电机励磁控制在暂态时也可提高系统阻尼 改善系统的电压特性 PET在电力系统中的应用及展望 当发生一回线断路故障时 用PET代替常规铁芯变压器接入系统中 发电机输出有功和转速的振荡幅值 时间和次数等特性都有明显的改善 当系统中出现短路故障时 通过上面所提到的控制策略来控制电力电子变压器 能够使系统获得对扰动的良好的阻尼特性 有效地抑制了扰动时发电机输出的功率以及转速的振荡 PET在电力系统中的应用及展望 通过分析PET的基本理论和发展现状 我们看出PET具有良好的发展前景 可以使用在对能量转换装置的体积 重量有特殊要求的场合 如航海 航空 航天等领域 也可以为电能质量敏感负荷供电 如造纸厂 生产精密机械的汽车零件制造 半导体制造业 金融 军事 医疗领域等 可以有效的改善电能质量问题 PET在电力系