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电力电子变压器介绍
0、前言
电力电子变压器(PowerElectronicTransformer简称PET)作为一种新型
的能量转换设备,与传统的变压器相比,具有体积小、重量轻、空载损耗小、
不需要尽缘油等优点。它是集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理
以及自动操纵理论等领域为一体的电力系统前沿研究课题,通过电力电子器
件和电力电子变流技术,对能量进行转换与操纵,以替代传统的电力变压器。
1、全然原理
PET的设计思路源于具有高频连接的AC/AC变换电路,其全然原理见图
1,即通过电力电子变换技术将变压器原边的工频交流输进信号变换为高频
信号,经高频变压器耦合到副边后,再经电力电子变换复原成工频交流输出。
因高频变压器起隔离和变压作用,因铁心式变压器的体积与频率成反比,因
此高频变的体积远小于工频变压器,其整体效率高。
图1电力电子变压器全然原理框图
PET的具体实现方案分两种形式:一是在变换中不含直流环节,即直截了
当AC/AC变换,其原理是:在高频变压器原边进行高频调制,在副边同步解调;
二是在变换中存在直流环节,通常在变压器原边进行AC/AC变换,再将直流调
制为高频信号经高频变压器耦合到副边后,在副边进行DC/AC变换。对比两
种方案,后种操纵特性良好,通过PWM调制技术可实现变压器原副边电压、电
流和功率的灵活操纵,有看成为今后的开展方向。
2、研究现状
自1970年美国GE公司首先制造了具有高频连接的AC/AC变换电路后,
许多科研工作者对各种不同结构的具有高频连接的AC/AC变换器进行了深进
的探讨和研究,并提出了PET的概念。美国海军和美国电力科学研究院(EPRI)
的研究小组先后提出了一种固态变压器结构,KoosukeHarada等人也提出了
一种智能变压器,他们通过对高频技术的使用,使变压器体积减小,实现恒
压、恒流、功率因数校正等功能。
早期的PET的理论和实现研究由于受当时电力电子器件和功率变换技术
开展水平的限制,所提出的各种设计方案均未能有用化,特殊是在可用于实
际输配电系统(10kV以上)的PET的研究方面进展不大。进进20世纪90年代,
国外在这一研究领域中取得了一些新进展,提出了新的技术方案,并制作了
与配电系统电压等级相当的实验室样机。如美国密苏里大学在ABB和爱默生
公司资助下对电力电子变压器进行了研究,完成了10kVA,7200V/240V的
实验样机,但仅实现了全然的电压变换功能和对输进的功率因数操纵。另外,
设计时为减小对开关器件的应力,输进采纳多个变流器串联工作,使系统的
可靠性大大落低,当其中任意一个器件出现故障都会导致工作异常。美国威
斯康星一麦迪逊大学与ABB公司合作,德克萨斯农机大学也于20世纪90年
代末对电力电子变压器进行了研究,但以上工作只对其电压变换的功能进行
了分析和研究。
另外,美国德州AM大学提出了一种基于直截了当AC/AC变换的PET的
结构,见图2。这种PET的首要设计目标是减小变压器体积和重量并提高其整
体效率,其工作原理为:工频信号先被变换为中频信号(600Hz~112kHz)后通
过中频隔离变压器耦合到其副边,中频信号随后又被同步复原为工频信号。
为了减小器件开关过程中由于电流突变造成的过电压,该方案采纳了一种4
级开关操纵策略,可使功率器件在无汲取电路的条件下平安换向。图2中的
中频隔离变压器采纳了常规的硅钢铁心变压器。试验讲明,关于常规变压器,
当其工作频率由60Hz提高到110kHz后,变压器的输送容量可提高3倍,效率
也有所提高。这种PET的体积比同容量的常规变压器小1/3,总体效率与常规
变压器相当,其原理和操纵较简单,易于实现。但变压器副边波形全然是对原
边波形的复原,可控性不高。
图2基于AC/AC变换的PET〔单相〕
为简化结构,落低本钞票.和KieferndorfR等人在buck-boost变换器的根
底上提出一种直截了当AC/AC变换结构的PET(见图3)。
图3基于buck-boost的PET
这种变压器的工作过程为:输进三相电源的线电
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