《电气工程名词》第一版。

1998年，经全国科学技术名词审定委员会审定发布。

单相变压器更节能

单相变压器变损是否低？在以前关于介绍单相变压器及单相供电技术的论文中，认为单相变压器比同容量的三相变压器空载损耗小、节能，并且变损低。有的论文列举出的应用实例，提到改造具有的经济效益时，用D10、D11甚至D12系列的变压器和同容量的S9系列变压器进行比较，例如提到同容量的D11单相变压器比S9三相变压器空载损耗降低得多，因此认为单相变压器比三相变压器运行更经济，其实这是个误解。举例时忽略了两者之间的技术层次上的差异，根据JB/T3837-1996《变压器类产品型号编制办法》，对变压器型号的编序的性能水平做了规定，凡大一号的性能参数要提高到一个新水平。例如D10系列变压器是根据S10变压器参数设计的，论证D10或者D11等系列变压器的降低损耗的效果时，应选取同型号的S10或S11变压器进行比较，选取S9系列变压器作为参照物其实是不公平的。

另外，普通S9系列变压器采用的是叠装式铁芯结构，而D10、D11等大多采用了卷铁芯结构：叠装式铁芯和卷铁芯存在工艺技术上的差别，卷铁芯结构克服了传统叠装铁芯结构中无法克服的缺点，例如在一张铁芯叠片中，沿外侧和沿内侧的磁路长度相差较大，使得磁通在铁片内不是均匀分布，并产生高次谐波，结果导致损耗增加。在三相铁芯中，铁轭和B相的芯柱交会区域内，由于三相磁动势的原因产生旋转磁场使损耗增加，在铁芯叠片彼此之间对接处有接缝，在此接缝区域内，有横向穿越叠片的磁通而使损耗增加。因此，卷铁芯变压器比叠装铁芯变压器空载损耗小，空载电流小。同是11型号的100 kVA容量的三相卷铁芯密封变压器与单相卷铁芯变压器除了重量明显差异外，技术指标差别并不明显。所以一直认为的单相变压器比三相变压器变损小、节能的结论是没有依据的。

单相变压器线损低

单相供电方式是否线损低？根据电路原理，同样的距离输送同样的功率P ，功率因数为1，三相供电方式与单相供电方式的线路损失如下。假设使用同截面的导线，导线电阻为R。单相变压器两线方式供电，输送功率P 时，相线、中性线中电流为I ，产生的线路损失为 P 单损 = 2I^2R。三相变压器三相四线方式供电，输送功率P时，线路中相电流为I /3，理想状态下中性线无电流，相线 P 相损 =（I/3）²R = I²R/9。

本方式下线路损失为P三损 = 3×（I /3）²R = I²R/3。通过计算可见，三相供电方式的线路损失是最低的，单相供电的方式比三线制的损耗高6倍。由此可见，单相供电方式在与三相供电方式在降低线路损失方面并无优势。

实施例：如图1至图4所示，《一种基于九相自耦移相变压器的对称式UPS电源系统》包括电源三相交流输入端、电源三相交流输出端18、九相自耦移相变压器1、用于控制三相逆变器输出的同步控制装置14、工频隔离变压器15和三路输出装置。所述九相自耦移相变压器1为对称型九相自耦移相变压器1，九相自耦移相变压器1的三相交流输入端与电源三相交流输入端连接。九相自耦移相变压器1设有三组三相交流输出端分别为超前组输出端A1、B1和C1、原始组输出端A0、B0和C0以及滞后组输出端A2、B2和C2。所述工频隔离变压器15设有三组三相交流输入端，分别为超前组输入端U1、V1和W1、原始组U0、V0和W0以及滞后组U2、V2和W2。所述工频隔离变压器15的输出端U、V和W与电源三相交流输出端18连接；所述三路输出装置为超前组输出装置、原始组输出装置和滞后组输出装置。所述超前组输出装置包括依次连接的超前组零序抑制换向电感2、超前组三相六脉波整流器5、超前组三相逆变器8和超前组滤波电感11；超前组零序抑制换向电感2的三相输入端与上述超前组输出端A1、B1和C1连接；超前组滤波电感11的三相交流输出端与上述超前组输入端U1、V1和W1连接。所述原始组输出装置包括依次连接的原始组零序抑制换向电感3、原始组三相六脉波整流器6、原始组三相逆变器9和原始组滤波电感12；原始组零序抑制换向电感3的三相输入端与上述原始组输出端A0、B0和C0连接；原始组滤波电感12的三相交流输出端与上述原始组输入端U0、V0和W0连接。所述滞后组输出装置包括依次连接的滞后组零序抑制换向电感4、滞后组三相六脉波整流器7、滞后组三相逆变器10和滞后组滤波电感13；滞后组零序抑制换向电感4的三相输入端与上述滞后组输出端A2、B2和C2连接；滞后组滤波电感13的三相交流输出端与上述滞后组输入端U2、V2和W2连接。所述同步控制装置设有四组采样输入端，分别与电源三相交流输入端、和超前组三相逆变器的输出端、原始组三相逆变器的输出端以及滞后组三相逆变器的输出端连接；所述同步控制装置设有三组控制输出端，三组控制输出端分别与超前组三相逆变器的控制端、原始组三相逆变器的控制端以及滞后组三相逆变器的控制端连接。

九相自耦移相变压器1将输入对称三相交流电源（A，B，C）移相为三组相位对应互差20⁰的对称三相交流电源：原始组（A0，B0，C0）、超前组（A1，B1，C1）和滞后组（A2，B2，C2）。原始组（A0，B0，C0）相位与输入三相交流电源（A，B，C）相同，超前组（A1，B1，C1）超前原始组（A0，B0，C0）相位20⁰，滞后组（A2，B2，C2）滞后原始组（A0，B0，C0）相位20⁰。

如图1所示，原始组（A0，B0，C0）、超前组（A1，B1，C1）和滞后组（A2，B2，C2）信号分别经过各自连接的零序抑制换向电感、三相六脉波整流器分别实现六脉波整流，最后输入到各自连接的三相逆变器和滤波电感后，经过工频隔离变压器15，在输出时进行交流隔离并联和功率合成。零序抑制换向电感的作用是抑制各组的零序电流，且有利于三相六脉波整流器内电流换向。

如图2所示为该发明采用的18脉波±20^O自耦移相变压器，即九相自耦移相变压器1的绕组结构和连接示意图。图2中原始组（A0，B0，C0）为变压器本体输入，接市电380V三相交流电源。图2中（A1，B1，C1）和（A2，B2，C2）分别为两组三相交流输出。（A1，B1，C1）各相对应超前原始组（A0，B0，C0）相位20^O，（A2，B2，C2）各相对应滞后原始组（A0，B0，C0）相位20^O。正常工作时，将变压器本体的原始组（A0，B0，C0）接电网电压（A，B，C）三相，这样在实现18脉波整流效果时，该九相自耦移相变压器1本体的功率容量不超过系统总输出功率的20%，该九相自耦移相变压器1本体的结构和重量都极大的小于常规隔离型工频移相变压器。

进一步地，所述工频隔离变压器15为工频四端口耦合隔离Y/Y连接三相变压器，该工频隔离变压器15设有三组交流输入端口和一组交流输出端口，工频隔离变压器15的每相磁芯柱上设有三段独立的绕组，且该三段独立的绕组形成一组三相交流输入端口，每段独立绕组的两个端部为一个三相交流输入端口的两个输入端，工频隔离变压器15的初、次级的绕组关系为“Y/Y”结构。

如图3所示为该发明采用的四端口耦合隔离Y/Y连接三相变压器结构和绕组示意图。图3中[U1，U0，U2]分别是三个通道DC/AC逆变部分的三相正弦输出中的初相角为0⁰的基准相输出，它们被控制为相同的波形，且与三相电网电源输入对应同相。按图3中绕组配置，输入与输出是Y/Y型结构，输出电压U分别与三个输入电压的变比为w2/w1，输出电流是三相[U1，U0，U2]输入电流的并联叠加，既功率叠加。同理，该设计方法也运用于输出V相与输入三相[V1，V0，V2]的关系、输出W相与输入三相[W1，W0，W2]的关系。

进一步地，所述基于九相自耦移相变压器1的UPS电源系统，还包括储能装置，所述储能装置包括充电器17、蓄电池组20和控制电流定向移动的耦合单元16。充电器17的三相交流输入端与电源三相交流输入端连接，充电器17的直流输出端与蓄电池组20连接。所述耦合单元16包括六个二极管，其中三个二极管的阳极均与蓄电池组20的正极连接，且该三个二极管的阴极分别与超前组三相逆变器8的直流输入端的正极、原始组三相逆变器9的直流输入端的正极以及滞后组三相逆变器10的直流输入端的正极连接。另三个二极管的阴极均与蓄电池组20的负极连接，且该三个二极管的阳极分别与超前组三相逆变器8的直流输入端的负极、原始组三相逆变器9的直流输入端的负极以及滞后组三相逆变器10的直流输入端的负极连接。超前组三相逆变器8的直流输入端的电压、原始组三相逆变器9的直流输入端的电压以及滞后组三相逆变器10的直流输入端的电压均大于蓄电池组20的电压。

实际操作中，正常情况下蓄电池组20电压略低于各路的三相六脉波整流器输出的直流电压，对三相六脉波整流器的两直流输出端不产生影响。当电网断电时，蓄电池组20通过二极管单向通路给三路三相逆变器供电。

进一步地，所述储能装置还包括接触器JK1、JK2、JK3。分别与超前组三相逆变器8的直流输入端的正极和负极连接的两个二极管D1、D2为超前组二极管，分别与原始组三相逆变器9的直流输入端的正极和负极连接的两个二极管D3、D4为原始组二极管；分别与滞后组三相逆变器10的直流输入端的正极和负极连接的两个二极管D5、D6为滞后组二极管。超前组二极管的两个二极管D1、D2分别并联接触器JK1的主触头，原始组二极管的两个二极管D3、D4分别并联接触器JK2的主触头，滞后组二极管的两个二极管D5、D6分别并联接触器JK3的主触头。

设计接触器JK1、JK2、JK3，可以减少耦合单元16的能耗；如当系统正常工作时，接触器JK1、JK2、JK3处于断开状态，当电网断电时，接触器JK1、JK2、JK3处于闭合状态，蓄电池组20直接对各路的三相逆变器进行供电，耦合单元16处于短路状态；减少耦合单元16的二极管的能耗。

进一步地，所述基于九相自耦移相变压器1的UPS电源系统，还包括旁路电路，旁路电路包括旁路静态开关装置，旁路静态开关装置的输出端与电源三相交流输出端18连接。设计旁路电路，增加系统的稳定性，当各路的三相逆变器出现故障时，旁路静态开关装置闭合，直接通过旁路电路进行供电；旁路电路输入端19可以直接与市电连接，也可以连接于其他供电设备。

进一步地，所述超前组三相六脉波整流器5、原始组三相六脉波整流器6和滞后组三相六脉波整流器7的电路均为可控三相整流电路。所述可控三相整流电路包括三个电感组成的电感组、六个单向可控硅元件以及一个电容。六个单向可控硅元件中的单向可控硅元件两两同向串联形成三条支路，每条支路的两端均分别与电容的正极和负极连接并形成回路，三个电感的一端分别连接于三条支路的中间电势端，三个电感的另一端分别连接于可控三相整流电路的输入端；此处的可控三相整流电路的输入端相当于超前组三相六脉波整流器5或原始组三相六脉波整流器6或滞后组三相六脉波整流器7的输入端。

进一步地，所述超前组三相逆变器8的电路、原始组三相逆变器9的电路和滞后组三相逆变器10的电路均为三相全桥逆变电路。所述三相全桥逆变电路由三个单相全桥电路组成单相全桥电路包括上桥臂和下桥臂，且上桥臂和下桥臂分别由两个绝缘栅双极型晶体管组成，其中上桥臂的两个绝缘栅双极型晶体管的集电极均与三相全桥逆变电路的直流输入端的正极连接，且该两个绝缘栅双极型晶体管的发射极分别与下桥臂两个绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，下桥臂两个绝缘栅双极型晶体管的发射极分别与三相全桥逆变电路的直流输入端的负极连接；每个单相全桥电路的输出端的两个输出端口分别与该单相全桥电路的上桥臂和下桥臂的两个连接点连接。

在常规情况下，需要利用大电感耦合的大电流平衡电抗器，才能实现三组六脉波整流器输出的直流侧并联，这样便抵消了18脉波整流带来的经济效益。该发明避开了使用笨重的平衡电抗器，分别采用三个主电路完全相同的并列独立逆变通道（参见附图1），这样三组六脉波整流就不能通过直流侧并联形成环流，从而使九相自耦移相变压器精确实现了18脉波整流，极大的减小了输入电流谐波。

图1中“同步控制装置14”是保证并列独立逆变通道按相同规律工作，输出各相频率、相位和幅值对应相同的三相电压，并使输出三相电压（U，V，W）与输入电网电压（A，B，C）同步。该发明采用三相全桥结构，既提高系统可靠性和冗余能力，又使系统有更强的带不平衡负载能力，还利于系统进行模块化规范设计。

进一步地，所述超前组滤波电感11的电路、原始组滤波电感12的电路和滞后组滤波电感13的电路均为与单相全桥电路的输出端连接的LC低通滤波电路；LC低通滤波电路由三路滤波电路组成，每路的滤波电路主要由一个电感和一个电容组成，且每路滤波电路设有两个输入端和两个输出端；每路滤波电路的两个输入端分别与单相全桥结构的桥臂中点连接，为一个输入端口；每路滤波电路的两个输出端为一个输出端口，通过保险后分别与工频隔离变压器的三相交流输入端口对应连接。

进一步地，工频隔离变压器15与电源三相交流输出端18之间设有主路静态开关装置，主路静态开关装置主要由三个双向可控硅元件组成；三个双向可控硅元件的一端与工频隔离变压器15的三相交流输出端连接，三个双向可控硅元件的另一端分别与电源三相交流输出端18连接。进一步地，所述旁路静态开关装置主要由三个双向可控硅元件组成；三个双向可控硅元件的一端与旁路电路输入端连接，三个双向可控硅元件的另一端分别与电源三相交流输出端18连接。

下面结合附图5对该发明的工作原理作进一步的详细说明。

如图5所示，T1为18脉波±20°自耦移相变压器。L1、SCR1、SCR3、SCR5、SCR4、SCR6、SCR2和C1组成超前组可控三相整流器；IGBT1～IGBT12组成超前组三相逆变器；L4、C4、L5、C5、L6、C6组成了超前组逆变器的3个单相逆变全桥的LC低通滤波电路。同样，L2、SCR1’、SCR3’、SCR5’、SCR4’、SCR6’、SCR2’和C2组成原始组三相六脉整流器；IGBT13～IGBT24组成原始组三相逆变器；L7、C7、L8、C8、L9、C9组成了原始组逆变器的3个单相逆变全桥的LC低通滤电路。L3、SCR1”、SCR3”、SCR5”、SCR4”、SCR6”、SCR2”和C3组成滞后组三相六脉整流器；IGBT25～IGBT36组成滞后组三相逆变器；L10、C10、L11、C11、L12、C12组成了滞后组逆变器的3个单相逆变全桥的LC低通滤波器。T2为四端口耦合隔离三相变压器，超前组、原始组、滞后组的各单相全桥逆变器输出通过该工频隔离变压器15将功率叠加在一起。SCR7-9为旁路静态开关，SCR10-12为逆变静态开关。

在整流输入三相电源正常的情况下，三相电经过整流器输入开关CB1、熔断器FUSE1-3和检测整流器输入电流的霍尔电流传感器HP1-3，送到18脉波±20°自耦移相变压器的输入端，自耦移相变压器将输入三相交流电源移相为三组相位对应互差20°的三相交流电源：超前组（U1，V1，W1）、原始组（U0，V0，W0）和滞后组（U2，V2，W2）。（图5中省略了各路的零序抑制换向电感）超前组（U1，V1，W1）三相交流电经过超前组可控三相整流器整流成直流，再经过超前组三相逆变器逆变成交流电，通过LC低通滤波电路输出纯净三相电。同理，原始组（U0，V0，W0）三相交流电经过原始组三相六脉整流器整流成直流，再经过原始组三相逆变器逆变成交流电，通过LC低通滤波电路输出纯净三相电。滞后组（U2，V2，W2）三相交流电经过滞后组三相六脉整流器整流成直流，再经过滞后组三相逆变器逆变成交流电，通过LC低通滤波电路输出纯净三相电。这三组输出的交流电在同步控制装置14（图5中未画出）的控制下，与旁路输入交流电源同频同相，幅值也相差很小，通过四端口耦合隔离三相变压器，将功率叠加在一起，经过逆变静态开关、输出断路器CB3给负载供电。同时，整流输入三相电源经过隔离型充电器17给蓄电池组20充电。

当整流输入三相电源不正常时，超前组三相六脉整流器、原始组三相六脉整流器和滞后组三相六脉整流器都停止工作。蓄电池通过二极管D1、D2、JK1给超前组三相逆变器供电，通过二极管D3、D4、JK2给原始组三相逆变器供电，通过二极管D5、D6、JK3给滞后组三相逆变器供电，保证三组逆变器能不间断的工作，给负载的供电也不会中断。如整流输入三相电源恢复正常，超前组三相六脉整流器、原始组三相六脉整流器和滞后组三相六脉整流器恢复工作，JK1、JK2、JK3断开，充电器17也恢复工作，进入正常工作模式。由于该UPS系统具有一定的冗余性，当其中任意一组三相六脉整流器或三相逆变器出现故障时，其他的都能正常工作。由于采用3个单相全桥组成三相全桥逆变电路，能适应负载100%不平衡。如当三组三相逆变器均不能正常工作时，逆变输出的三相静态开关SCR10-12会切断，旁路三相静态开关SCR7-9导通，由于此前逆变输出的三相电与旁路输入的交流电源同频、同相，因此UPS可不间断的切换到旁路工作，CB3为旁路输入断路器。当需要维护时，可通过UPS的维护旁路不间断给负载供电，CB4为维护旁路的断路器。