新型变压器和传统变压器原理介绍

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
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 (Power Electronic Transformer) 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。
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
SEPIC式三电平电力电子变压器
P E T 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。
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。
ΔΦ ΔΦ E1 = n1 、E2 = n2 Δt Δt
所以，
E1 n1 E2 n2
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
U1 n1 U 2 n2
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
电力电子变压器的原理
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。 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；
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。
P E T 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。
P E T 在电力系统中的应用及展望
变电站
实验室
380 / 220伏 降压 降压
仪器
36伏
变压器基本工作原理
变压器的工作原理
单相变压器原理图
空载运行：U1 → i1 → Φ → 感应电 势e1和e2 → U2 ；
略去绕组电阻和漏抗压降，则：
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ΔΦ/Δt．根据电磁感应定律有：
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。
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。
变压器的种类及发展
按相数分
单相变压器 三相变压器 多相变压器
按制造方式
壳式 心式
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。
P E T 在电力系统中的应用及展望
若想取得更好的社会经济效益,需要对以下 两方面深入研究： （1）对电力电子变压器的各种电路拓扑进行 深入研究，应当从提高可靠性、降低损耗 的基本点着手，而目前所使用的电路结构 复杂、可靠性低、损耗大。 （2）对电力电子变压器控制策略加以研究, 得出能同时完成能量转换和解决电能质量 问题的控制策略,即如何将电能传输、隔离 、变换、保护和改善电能质量问题等各项 功能合而为一。
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
电力电子变压器的原理
高频电压器 工频 AC或DC PWM 变换器1 控制器 PWM 变换器2 工频 AC或DC
图1 PET 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。
变压器基本工作原理
（３）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
I1 U 2 n2 I 2 U1 n1
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
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
发电厂 输电线 220千伏 升压 降压 10千伏
10.5千伏
P E T 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。
百度文库 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。
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。