發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電技術(shù)領(lǐng)域中的變壓器，涉及將三相輸入電壓變換為同一頻率任意相數(shù)對(duì)稱電壓的裝置，是一種全新結(jié)構(gòu)的多相變壓器。

背景技術(shù)：

電源變流是電能應(yīng)用形式的改變，變流技術(shù)主要包括將交流電變?yōu)橹绷麟姷恼?，和將直流電變?yōu)榻涣麟姷哪孀?。其中，整流是用得最多的變流形式，即需要將交流電整流成直流電以供?yīng)用。由于單向半導(dǎo)體器件整流裝置從交流電力系統(tǒng)取用的電流是非正弦的，因此使電網(wǎng)的電流、電壓波形發(fā)生畸變，必須采用整流變壓器以增加相數(shù)而減輕高次諧波對(duì)電網(wǎng)波形的影響。由于三相電網(wǎng)無(wú)法直接提供多種相數(shù)電流，目前整流裝置發(fā)展的趨勢(shì)是采用大功率、多相數(shù)整流變壓器實(shí)現(xiàn)變相和變壓?，F(xiàn)有傳統(tǒng)整流變壓器大多采用移相繞組結(jié)構(gòu)，即通過一次側(cè)、二次側(cè)移相的量、角聯(lián)結(jié)的繞組串聯(lián)實(shí)現(xiàn)移相方法，也有采用帶有磁分路的特殊鐵心結(jié)構(gòu)，所以以現(xiàn)有方法和結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的技術(shù)路線，不能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的相對(duì)稱，多相變壓器的設(shè)計(jì)、制作都很復(fù)雜，多相電的對(duì)稱性差，尤其是變負(fù)荷時(shí)，各相內(nèi)阻不同所產(chǎn)生的相移和壓降會(huì)破壞各相的對(duì)稱性。

在城市軌道交通中，地鐵和電車需要靠直流電牽引驅(qū)動(dòng)，也必須采用整流變壓器。而在電氣化鐵路的牽引驅(qū)動(dòng)電能則采用交流電的形式，由于送達(dá)列車的接觸網(wǎng)只能采用單相電供電，也存在三相電平衡的難題。

中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)201310111574.1《采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理的多相變壓器》所揭示的變壓器，不但具有傳統(tǒng)變壓器的變壓功能，既能改變電壓，同時(shí)又能改變輸出交流電的相數(shù)。但在許多應(yīng)用場(chǎng)合，變壓器的輸入輸出電壓為中高壓，這對(duì)耐壓較低的電機(jī)分布繞組的絕緣結(jié)構(gòu)形成挑戰(zhàn)，使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變壓器在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用受阻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明采用了與現(xiàn)有傳統(tǒng)多相整流變壓器完全不同的技術(shù)路線，那就是改變變壓器的脈振磁場(chǎng)。而采用類似交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理結(jié)構(gòu)，先由輸入三相電流在變壓器原邊的初級(jí)繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，再將處于該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)內(nèi)并與初級(jí)三相繞組緊耦合的次級(jí)繞組的副邊輸出不同相數(shù)的交流電。

本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變相數(shù)變壓器主要結(jié)構(gòu)由初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和公共磁路組成，其特征為，初級(jí)繞組(1)和/或次級(jí)繞組(2)中，凡涉及中高壓電壓的繞組，均采用集中式繞組；集中式繞組所依附的鐵心(3)為多極結(jié)構(gòu)，極數(shù)p＝mn，m為繞組所涉及的相數(shù)，n為大于等于2的正整數(shù)。

現(xiàn)有的整流變壓器結(jié)構(gòu)，即通過移相或磁分路技術(shù)將三相電轉(zhuǎn)化為不同相數(shù)交流電的方法利用的是脈振磁場(chǎng)整流變壓器的結(jié)構(gòu)依然是方方正正的變壓器外形。

相比較而言，本發(fā)明的變壓器則利用了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，外形結(jié)構(gòu)是圓筒形的電機(jī)，但這種電機(jī)不需要轉(zhuǎn)動(dòng)，也沒有轉(zhuǎn)軸。初、次級(jí)繞組類似于電機(jī)繞組，可以做成任意相，不是如整流變壓器那樣只能是3的倍數(shù)的多相，由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的原理構(gòu)成的三相變非三相變壓器接線方便，設(shè)計(jì)、制造都相對(duì)簡(jiǎn)單容易，而且各相之間可以做到相對(duì)較高的對(duì)稱性，不易受負(fù)載電流變化的影響。解決了繞組的高壓絕緣問題，就可以像許多整流變壓器那樣做到較高電壓的輸出入。

附圖說(shuō)明

圖1、分布繞組變相數(shù)變壓器的整體外形結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2、改進(jìn)前的高壓集中繞組的變相變壓器的內(nèi)部分體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3、高壓集中繞組的變相數(shù)變壓器裝配后內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4、本發(fā)明的6極變相數(shù)變壓器的原邊磁極結(jié)構(gòu)和繞組位置簡(jiǎn)圖。

圖5、本發(fā)明的9極變相數(shù)變壓器的原邊磁極結(jié)構(gòu)和繞組接線簡(jiǎn)圖。

圖6、本發(fā)明各種極柱變相數(shù)變壓器的極柱名稱和繞組相位的向量合成圖。

圖7、本發(fā)明的12極變相變壓器的原邊磁極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖8、集中式繞組的布置圖。

圖9、本發(fā)明的9/4集中繞組變相變壓器的原邊副邊磁極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)施方式

圖1為改進(jìn)前的分布繞組的變相數(shù)變壓器的整體外形結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，三相變不同相數(shù)變壓器的原邊相當(dāng)于繞線式感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，采用三相星形(或者三角形)連接的繞組，副邊為多相結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于繞線式感應(yīng)電機(jī)的定子位置。兩邊的繞組都是分布繞組。由于變壓器不需要轉(zhuǎn)軸，也不需要靠近軸處的鐵心，而只要一個(gè)環(huán)狀體磁軛就可以完成磁回路。當(dāng)原邊嵌入三相結(jié)構(gòu)的初級(jí)繞組，通入三相交流電后，由初級(jí)繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向?yàn)閺较蛄鲃?dòng)，區(qū)別于環(huán)形變壓器中的周向流動(dòng)，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在環(huán)內(nèi)像時(shí)鐘一樣旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，切割副邊繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這一結(jié)構(gòu)與交流電機(jī)中的轉(zhuǎn)子繞組和磁路是基本一致的，原理也相同。該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變相數(shù)變壓器的前提是兩邊都是分布繞組。

但是，分布繞組的絕緣單薄，耐受電壓能力低，如果接入中高電壓，很容易使繞組絕緣擊穿，為此只得將繞組改成集中式繞組。

圖2為改進(jìn)前的采用高壓集中繞組的變相數(shù)變壓器的內(nèi)部分體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，高壓集中繞組(11)套在原邊磁路相極(31)中。假定副邊結(jié)構(gòu)不變，仍為分布繞組，副邊繞組(21)嵌入相當(dāng)于定子位置的副邊磁路齒槽中，外環(huán)磁軛磁路(32)為磁力線穿越副邊繞組后的磁通路，磁流通過磁極和/或齒、內(nèi)外環(huán)磁軛磁路完成通路。圖2a)為副邊，圖2b)為原邊。

圖3則為高壓集中繞組的變相數(shù)變壓器裝配后內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的(2)為相當(dāng)于電機(jī)定子的副邊位置。

從圖3具體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n＝1時(shí)，原邊磁路只有3個(gè)極柱，極柱 之間必須留有足夠空間插入集中繞組，這樣結(jié)構(gòu)的原邊，其實(shí)還是三個(gè)脈振磁場(chǎng)在起作用，構(gòu)不成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。同時(shí)在該變壓器原邊的三個(gè)極柱之間存在磁阻很大的空隙位置，在這些空隙位置對(duì)應(yīng)的副邊繞組中，如果副邊的相數(shù)很多，則必定有許多相的副邊繞組處于這些對(duì)應(yīng)空隙位置上，這些副邊繞組并沒有合適的磁路與原邊磁場(chǎng)產(chǎn)生耦合，所以這樣的變壓器不具備產(chǎn)生均衡多相電的條件，必須加以改進(jìn)。

本發(fā)明就是通過增多磁極的方法，解決脈振磁場(chǎng)向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的問題。磁極數(shù)與相數(shù)的關(guān)系成正比，

p＝mn(式1)

m為繞組所涉及的相數(shù)，

n為大于等于2的正整數(shù)。

對(duì)于圖3所述的3極柱變壓器，為n＝2，顯然不夠完善。

如果使n＝2，就可將圖3的3極結(jié)構(gòu)改變成圖4的6極結(jié)構(gòu)，情況將發(fā)生變化，因?yàn)榇艠O之間的空隙位置將相應(yīng)減小。

圖4為本發(fā)明的6極變相數(shù)變壓器的原邊磁極結(jié)構(gòu)和繞組位置簡(jiǎn)圖。

這6極設(shè)為原有的3個(gè)相極a、b、c和新增極-a、-b、-c。

從3極變?yōu)?極后，可以看出，磁極間的空隙位置就小得多。而3極變?yōu)?極，只需將對(duì)邊極上的繞組反向接就可以了，非常方便。這一做法或者也可以認(rèn)為預(yù)先將三相電改變?yōu)榱嚯姟?/p>

可見，為了使變相數(shù)變壓器能工作在高電壓范圍，就必須以集中繞組代替分布繞組，而要采用分布繞組，就必須增加磁路磁極數(shù)。

原邊的極柱數(shù)p為：

p＝mn，

m為相數(shù)，因?yàn)檩斎氲亩际侨嚯?，所以m＝3

本例中，n等于2。

圖4則畫出變壓器其中a相所接的繞組，該二個(gè)繞組可以串聯(lián)連接，也可以并聯(lián)連接。

圖6a)則為6極柱變相數(shù)變壓器的各極柱名稱和繞組的相位。

圖5為本發(fā)明的9極變相數(shù)變壓器的原邊磁極結(jié)構(gòu)和繞組接線簡(jiǎn)圖。

如果選n＝3，則可得到9極柱結(jié)構(gòu)的原邊。

這9極設(shè)為原有的3個(gè)相極a、b、c和新增合成極d、e、f、g、h、i。相極上通常只有一個(gè)繞組，對(duì)于星形接法，就是相繞組。

合成極的定義為，極上必須有二個(gè)或二個(gè)以上的繞組，引入二個(gè)甚至三個(gè)相(如有必要)的勵(lì)磁電流。

與n＝2的6極柱結(jié)構(gòu)相比，n＝3的9極柱結(jié)構(gòu)的磁極間的空隙位置就更小。

但是，6極結(jié)構(gòu)的繞組直接取用三相電，所以方便得多，只要將三相電壓反向接就可以得到六相電，就如圖6a)所示，并不需要作電壓的向量合成。而從n＝3的9極開始，雖然磁極間的空隙位置更小，但其中繞組就逐漸復(fù)雜起來(lái)。

之所以稱為合成極，就是因?yàn)樵摌O柱上的勵(lì)磁電流是由至少二個(gè)相電流通過向量合成產(chǎn)生的。

因?yàn)槌巳齻€(gè)相極可以直接接入相電壓以外，合成極上的繞組，必須按其規(guī)定的相位角由相鄰兩個(gè)相的電壓按其相角注入一定比例的電流，才能構(gòu)成一個(gè)所要求幅值和角度的磁場(chǎng)，其設(shè)計(jì)計(jì)算方法比較復(fù)雜，這與分相整流變壓器的設(shè)計(jì)有相類似之處。

圖6b)為9極相位磁流的向量合成圖。所設(shè)定向量od與-c相相差20°，與向量oa相相差40°，可見向量od偏向-c，所以-c相的電流大于a相電流。

由于9極的相鄰繞組間的相位角為40°，所以可按幾何學(xué)原理，取部分-c相電壓oc段與部分a相電壓ca段合成，也就是說(shuō)，d磁極上套有二個(gè)相絕緣的獨(dú)立繞組，一個(gè)大繞組串聯(lián)在c相電路中，而小繞組則串聯(lián)在a相電路中。

具體繞組結(jié)構(gòu)為，假定相極上的繞組匝數(shù)為w，則d極柱繞組由wd1和wd2兩個(gè)繞組合成，

wd1的匝數(shù)為：(op/oa)w，

wd2的匝數(shù)為：(pd/oa)w，

按幾何學(xué)三角計(jì)算可得到wd1和wd2的匝數(shù)。

將wd2串聯(lián)在a相繞組中，wd1串聯(lián)在-c相繞組中，就可以得到幅值與a相幅值相同，相位差為40°的勵(lì)磁電流。

按此計(jì)算類推得到其他5個(gè)合成磁極上的繞組數(shù)據(jù)。

如果取n＝4，即12極的變相數(shù)變壓器，則可形成更完美的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。且12個(gè)極柱相當(dāng)于在6極的基礎(chǔ)上，中間再插入6極，這6個(gè)極上的繞組，剛好將相鄰相電流的電流平等注入d極柱上的繞組，合成后剛好形成d相磁場(chǎng)。

在12極的變相數(shù)變壓器，wd1＝wd2＝0.866w，

d合成極上為兩個(gè)相等匝數(shù)的繞組，分別串聯(lián)在a相和c相電路中。

按此類推得到其他5個(gè)合成磁極上的繞組數(shù)據(jù)。

圖6c)為12極相位磁流的向量合成圖。

圖7為本發(fā)明的12極變相數(shù)變壓器的原邊磁極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

根據(jù)上述案例，本發(fā)的明特征為，原邊為三相輸入的6極、9極、12極或其它的3整數(shù)倍極柱。

當(dāng)n足夠大時(shí)，則雖然看起來(lái)每對(duì)磁極上的磁場(chǎng)好像仍是脈振磁場(chǎng)，但整個(gè)變相數(shù)變壓器的大磁路結(jié)構(gòu)上流過的實(shí)際上是與電機(jī)中同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

其實(shí)，在電機(jī)中，對(duì)于某一齒或某一繞組而言，流動(dòng)的磁流或電流 是脈振的磁場(chǎng)，但從宏觀的整個(gè)電機(jī)整體而言，其磁流就形成一個(gè)統(tǒng)一的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以從物理學(xué)原理來(lái)說(shuō)，脈振磁場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)都是相對(duì)而言，并不是彼此對(duì)立排斥的。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，也可以認(rèn)為傳統(tǒng)整流變壓器的原邊輸入的是三相電，副邊通過向量合成，就可以得到以3為倍數(shù)的多相電，而本發(fā)明的變相數(shù)變壓器，是在原邊就預(yù)先將三相電變換為以3為倍數(shù)的多相電，然后在副邊得到任意相的多相電，所以其變相更容易、變化更多樣、對(duì)稱性更強(qiáng)、靈活性更豐富。

如果繞組采用星形接法的話，增加極上的繞組可以與相繞組串聯(lián)連接，則越是靠近哪個(gè)相，與這個(gè)相接近的合成相上的繞組匝數(shù)就越多，串聯(lián)的接法可保證以相同電流為基準(zhǔn)的各相極、合成極上勵(lì)磁磁勢(shì)相位幅值的準(zhǔn)確性，這樣就能保證在變壓器中合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的正確效果。

所串聯(lián)的合成相繞組可以放在零線端，這樣的設(shè)計(jì)，使相極繞組處于相電壓的高端，反相極繞組處于相電壓的中端，而合成極繞組處于相電壓的低端，只需加強(qiáng)相極上繞組的絕緣水平，高壓絕緣問題僅局限在相極繞組上，可以降低合成相繞組的絕緣要求，因?yàn)楹铣蓸O繞組的總匝數(shù)大于相極。

n越大，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越完美，當(dāng)然極增加后，次級(jí)任何一個(gè)相的繞組基本上都可以與初級(jí)極作磁耦合的話，三相變換為多相的設(shè)計(jì)就完成了。當(dāng)然，當(dāng)原邊的極數(shù)增多、或者副邊的相數(shù)增多后，本發(fā)明變壓器的設(shè)計(jì)難度也會(huì)相應(yīng)增加，制造成本也會(huì)相應(yīng)提高，工程設(shè)計(jì)的合理性取決于技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性的折衷。但增加的成本也應(yīng)與所應(yīng)用整流器系統(tǒng)的諧波降低，治理電網(wǎng)污染的成本減少，和節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)利益通盤考慮。

如果在上述變相數(shù)變壓器的副邊嵌入多相結(jié)構(gòu)的n相分布繞組，分布繞組基本上可以與原邊的一個(gè)極或二個(gè)極的磁路耦合。

n相次級(jí)繞組，n可為除了1和3以外的任意正整數(shù)，次級(jí)繞組通過公共磁路(3)與初級(jí)繞組緊耦合，次級(jí)繞組也與初級(jí)繞組一樣徑向分布，并經(jīng)由公共磁路(3)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與初級(jí)繞組緊密交鏈耦合，并在次級(jí)繞組外端保留一個(gè)環(huán)狀體磁軛的磁通路，副邊的整個(gè)磁路結(jié)構(gòu)相當(dāng)于感應(yīng)電機(jī)的定子部分。其結(jié)構(gòu)和原理與交流電機(jī)中定子電樞繞組和磁路也是基本一致的，所不同的是，在電機(jī)中的電樞繞組是三相結(jié)構(gòu)，而本發(fā)明的變相數(shù)變壓器中所稱的次級(jí)繞組是按除了1和3以外相數(shù)的變相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。

本發(fā)明變壓器的結(jié)構(gòu)特征為，初級(jí)繞組(1)和/或次級(jí)繞組(2)中，凡涉及中高壓電壓的繞組，均采用集中式繞組；繞組所依附的鐵心(3)為多極結(jié)構(gòu)，極數(shù)p＝mn，m為繞組所涉及的相數(shù)，n為大于等于2的正整數(shù)。

本發(fā)明變壓器的集中式繞組有兩種形式，一種稱為平插式結(jié)構(gòu)，各極上的繞組相同且覆蓋整個(gè)磁極，適合各種變相數(shù)變壓器。另一種稱為 分層式，相鄰繞組分層布置，都只覆蓋半個(gè)磁極，尺度略有不同，由于繞組安裝位置不同，在磁路結(jié)構(gòu)上有些差異，可采用相同相繞組串聯(lián)連接方式消除差異，所以只適合偶數(shù)極的變壓器。平插式結(jié)構(gòu)適合偶數(shù)極和奇數(shù)極的各種變壓器，其中每個(gè)繞組都可獨(dú)立拆裝，而分層式繞組的拆卸將可能受到鄰近極繞組的影響。

圖8為集中式繞組的布置圖。8a)圖為平插式集中繞組結(jié)構(gòu)，8b)圖為分層式集中繞組結(jié)構(gòu)。

上述結(jié)構(gòu)主要描述本發(fā)明變相數(shù)變壓器的原邊磁極結(jié)構(gòu)和集中式繞組，由于供電電壓高而必須采取的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

本發(fā)明中的變相數(shù)變壓器，不管是用于整流器系統(tǒng)還是軌道交通牽引供電系統(tǒng)，由于功率容量大，所以原邊供電必定來(lái)自10千伏甚至10千伏以上的中高壓，而較多的供電源是50千伏、110千伏或220千伏等級(jí)，所以初級(jí)繞組采用有極磁路的集中繞組為佳。變相數(shù)變壓器次級(jí)繞組應(yīng)視電壓等級(jí)的高低選擇，低電壓的選擇分布繞組，中高電壓的選擇集中繞組。

以下繼續(xù)討論變壓器副邊結(jié)構(gòu)。

多相數(shù)變壓器主要用于直流整流電源。整流變壓器的次級(jí)繞組的輸出是整流器，通過整流器獲得直流電，如用于電化學(xué)產(chǎn)業(yè)，電壓等級(jí)大多在千伏以內(nèi)，所以變壓器次級(jí)采用分布繞組的結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的變壓器也可用于軌道交通領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)國(guó)際軌道交通標(biāo)準(zhǔn)電源電壓集中在750v、1500v、3000v等不多檔次，電壓都不算高，分布繞組的絕緣已足夠，對(duì)于這類應(yīng)用，本發(fā)明的變相數(shù)變壓器的次級(jí)繞組也均可采用分布繞組。

只要次級(jí)繞組的跨距大于一個(gè)原邊極距，一般可以滿足多相電的要求，如要求更高的對(duì)稱性，可將繞組跨距多至二個(gè)原邊極距。

但是，對(duì)于電氣化鐵路，國(guó)際上的交流供電牽引電壓普遍高于萬(wàn)伏，大多采用25千伏的標(biāo)準(zhǔn)交流電壓，最高可達(dá)27千伏，在這種情況下，次級(jí)還是以集中繞組為佳，也就是說(shuō)，對(duì)于電氣化鐵道所用的變相數(shù)變壓器，初級(jí)和次級(jí)均應(yīng)取集中繞組。對(duì)于電氣化鐵路而言，倒是相反，它不需要多相，而是需要二相用于解決供電網(wǎng)的三相電平衡問題。

電氣化是鐵路牽引供能的重要手段。電氣化鐵路主要由交流大電網(wǎng)供電，但目前的大電網(wǎng)是三相體制，要求三相平衡供電，即三相電流相等。如不能平衡，則會(huì)在電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)序電流，在電機(jī)內(nèi)引起逆序磁場(chǎng)，使電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。而牽引網(wǎng)和集電弓很難將三相電同時(shí)引入列車，只能采用單相牽引網(wǎng)的形式向列車輸送電能，且列車的用電隨機(jī)性強(qiáng)、單車耗電量巨大，很容易產(chǎn)生三相電不平 衡。因此為了滿足電網(wǎng)對(duì)三相電嚴(yán)苛的平衡要求，只能由不同相位的交流電分區(qū)向牽引網(wǎng)局部供電。所以，即使設(shè)置了隔離供電區(qū)間的分相區(qū)以均勻三相負(fù)荷，也還需要時(shí)刻關(guān)注三個(gè)相電流的動(dòng)態(tài)平衡，可見，保持三相平衡確實(shí)是一個(gè)在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上很難逾越的核心問題。

高速列車和重載列車驅(qū)動(dòng)牽引，由于列車運(yùn)行驅(qū)動(dòng)功率巨大，功率負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)頻繁，同一區(qū)間的列車牽引負(fù)荷很難與鄰區(qū)另一相的未知負(fù)荷相同，不可能要求或指定列車的即時(shí)實(shí)際牽引功率。為保持三相電的平衡，可以將三相電變換為二相電。三相電的變量有3個(gè)，而二相電的變量只有2個(gè)，所以二相電的平衡當(dāng)然比三相電容易得多。

通過本發(fā)明的變相數(shù)變壓器，將電網(wǎng)中的三相高壓電變換為牽引網(wǎng)中的中壓25kv，對(duì)解決電氣化鐵路牽引供電平衡意義重大，二相電優(yōu)于傳統(tǒng)三相電，可以用于解決或改善現(xiàn)有電氣化鐵路中的三相電的平衡問題。

圖9為本發(fā)明的9/4集中繞組變相變壓器的原邊副邊磁極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。是為改善現(xiàn)有電氣化鐵路中的三相電的平衡問題而設(shè)計(jì)的。圖中，原邊為三相9極鐵心，副邊為二相4極鐵心。次級(jí)相極上產(chǎn)生的4相電中，兩對(duì)邊繞組反向串聯(lián)后得到二相交流電。如果需要副邊更對(duì)稱的磁路，也可將副邊改變?yōu)?極甚至12極。其特征為，副邊為二相輸出，極數(shù)為p＝2n，n為大于等于2的正整數(shù)。

原邊鐵心和副邊鐵心采用零空隙磁路結(jié)構(gòu)，以降低兩鐵心間的磁阻損耗。關(guān)于變壓器的零空隙磁路結(jié)構(gòu)，詳見中國(guó)實(shí)用新型專利授權(quán)201320201736.6，《低效電機(jī)改制成的高效電器》。

變相數(shù)變壓器副邊如采用集中繞組，例如需產(chǎn)生高壓直流的多相整流，也可采用類似原邊的方法——即增加極寬，或按次級(jí)相數(shù)安排相等的初級(jí)磁極，這一對(duì)等方法可以使磁路完全對(duì)稱。

本發(fā)明上述變相數(shù)變壓器的初級(jí)繞組在內(nèi)，次級(jí)繞組在外。初級(jí)繞組和次級(jí)繞組可以相互轉(zhuǎn)換，即初級(jí)繞組在外，次級(jí)繞組在內(nèi)。

類似于電機(jī)結(jié)構(gòu)的特征，上述變壓器的極對(duì)數(shù)為1，如有需要，也可以使其極對(duì)數(shù)為任何正整數(shù)。

在現(xiàn)有多相整流變壓器中，相數(shù)n必須是三的倍數(shù)，但是在本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)多相變壓器中，次級(jí)的相數(shù)n可以是除了1和3以外的任意正整數(shù)，既可以是奇數(shù)，也可以是偶數(shù)，不必是三的倍數(shù)，奇數(shù)的效果可能更佳。

圖1中的布置是，初級(jí)繞組在內(nèi)次級(jí)繞組在外，但初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的位置可以互換，使次級(jí)繞組在內(nèi)而初級(jí)繞組在外，這就與繞線式感應(yīng)電機(jī)的輸入輸出結(jié)構(gòu)關(guān)系更加接近。

為了保持繞組和磁體受熱后的均衡性，變相數(shù)變壓器通常采用中心 軸垂直的安裝結(jié)構(gòu)，垂直安裝結(jié)構(gòu)也利于采用風(fēng)冷或油冷散熱，在風(fēng)冷結(jié)構(gòu)中，鼓風(fēng)機(jī)處于變壓器的下端并向上吹風(fēng)，繞組間和鐵心間都設(shè)計(jì)有垂直方向的通風(fēng)道，使各相散熱均勻。

也可采用逆向風(fēng)冷，即冷卻風(fēng)機(jī)處于變壓器的上端并向下吹風(fēng)，經(jīng)過繞組間和鐵心間設(shè)計(jì)的垂直方向的通風(fēng)道，向下流到變壓器箱體底部，然后使熱空氣沿箱體四周的散熱管排熱，使上層變壓器部分獲得更好的散熱效果。

在油冷結(jié)構(gòu)中，則可以用中空的銅管部分或全部構(gòu)成繞組，而鐵心采用有間隔位置的分段布置和垂直方向的油孔，利于冷卻油的流動(dòng)散熱。

由于電機(jī)繞組空間結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不同相數(shù)變壓器的各相之間不存在類似現(xiàn)有傳統(tǒng)整流變壓器各相間在繞組和磁路間的差異，整流后的諧波特別是低次諧波量將明顯減少，電網(wǎng)電壓電流波形更接近純正弦波，電網(wǎng)的電磁污染將明顯降低。

變相數(shù)變壓器是從電機(jī)結(jié)構(gòu)的啟示中發(fā)明的一種新型變壓器結(jié)構(gòu)，利用電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)相數(shù)改變，同時(shí)利用兩個(gè)繞組的匝比改變電壓，實(shí)現(xiàn)變壓器功能。所以，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變壓器既能像傳統(tǒng)變壓器一樣，改變交流電壓，還能改變相數(shù)，比前面所披露的采用普通的脈振磁場(chǎng)變壓器改變相數(shù)更優(yōu)越。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)多相變壓器大家族的整體結(jié)構(gòu)基本上相當(dāng)于繞線式感應(yīng)電機(jī)。二者的區(qū)別僅為：

1、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)多相變壓器初級(jí)和次級(jí)間沒有氣隙，初次級(jí)繞組間的磁耦合更緊密，磁阻、漏磁更小，因此所需要的勵(lì)磁電流，或者說(shuō)空載電流也與普通變壓器相當(dāng)而遠(yuǎn)比電機(jī)為小。

2、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)多相變壓器次級(jí)可以為環(huán)形連接的n相多相繞組，也可以是星形結(jié)構(gòu)多相繞組。環(huán)形接法的繞組利用率高，效果更好，但沒有中性點(diǎn)，而星形結(jié)構(gòu)有中性連接點(diǎn)。