小型機(jī)組勵(lì)磁整流變壓器的選型與計(jì)算

1、小型機(jī)組勵(lì)磁整流變壓器的選型與計(jì)算                 摘要：整流變壓器的選型和計(jì)算是發(fā)電機(jī)用戶經(jīng)常遇到的技術(shù)問題。由于小水電的特殊環(huán)境條件，經(jīng)典理論計(jì)算公式的結(jié)果往往不符合實(shí)際，本文就此作一些探討，提出一組簡(jiǎn)明的計(jì)算方法。本文的討論基于如下的條件：400V低壓同步發(fā)電機(jī)組，并網(wǎng)運(yùn)行，三相晶閘管整流，基層用戶使用的角度（用戶向制造商提供訂貨數(shù)據(jù)，不涉及變壓器制造的參數(shù)設(shè)計(jì)） 關(guān)鍵詞：干式整流變壓器 晶閘管整流 勵(lì)磁 同步發(fā)電

2、機(jī) 小水電在小水電勵(lì)磁設(shè)備的選型配套或維修升級(jí)的工作中，電站用戶常常遇到整流變壓器參數(shù)計(jì)算的問題。很多電工設(shè)計(jì)手冊(cè)都提供了整流變壓器的設(shè)計(jì)公式，但這些公式適用的是標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用條件，與小水電的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境有所差別，據(jù)此設(shè)計(jì)的變壓器可能不太切合實(shí)際。同時(shí)小水電基層的專業(yè)技術(shù)人員也缺乏，用戶通常覺得整流變壓器的選型計(jì)算很困難。因此為基層用戶提出一個(gè)簡(jiǎn)明計(jì)算方法是很有必要的。1.1 整流方式的選擇：目前低壓機(jī)組基本上都采用自勵(lì)式靜止晶閘管勵(lì)磁方式。其整流方式一般有三相全波半控整流和三相半波整流兩種。全波整流的變壓器效率比較高（95），波形比較好。半波整流的硅元件較少，但變壓器二次繞組有直流電流通過，效率

3、比較低（74），波形畸變大，用在小于10kW的整流電路，不過一些早期設(shè)計(jì)的較大機(jī)組也是半波整流。兩類整流方式的變壓器計(jì)算公式有所不同。1.2 整流變壓器的形式：采用環(huán)氧干式變壓器。容量一般在10100kVA內(nèi)，標(biāo)稱一次電壓（網(wǎng)端）400V，二次電壓（閥端）100V以內(nèi)，電流100300A內(nèi)。由于容量比較小，與整流裝置同置一個(gè)配電盤體內(nèi)。整流變壓器冷卻方式是自冷，在盤側(cè)不安裝封閉板時(shí)，散熱條件比較好。1.3 絕緣等級(jí)與散熱方式：小水電使用的干式環(huán)氧變壓器的絕緣等級(jí)一般是B級(jí)，絕緣系統(tǒng)最高耐溫為130，因此變壓器滿負(fù)荷工作時(shí)的外表溫度有燙手是正常的。如果對(duì)變壓器加以有效的強(qiáng)制風(fēng)冷，其輸出功率可以提

4、高1030。反之，如果變壓器是工作在密封的配電箱里，散熱條件不良，它的電流容量就必需降低10或更多。1.4 阻抗電壓：在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)中，有可能存在整流管擊穿或直流回路短路等因素，故整流變壓器的短路阻抗電壓要比普通的變壓器要高，以限制過大的短路電流。短路阻抗電壓的參數(shù)由變壓器制造廠設(shè)計(jì)，我們不作討論，但用戶在向廠家訂貨時(shí)必需要注明是晶閘管整流變壓器。2、接線組別整流變壓器的接線組別必須與晶閘管整流控制要求的相位相配合。如果是新的設(shè)計(jì)，可以按以下原則來考慮。一般采用D，y11的方式，即網(wǎng)側(cè)（一次）采用接法，閥側(cè)（二次）采用y接法。此接法的二次相電壓比一次相電壓在相位上落后30°。D，

5、y11的接法同時(shí)適應(yīng)三相半波和全波兩種整流形式。如果現(xiàn)有的整流變壓接線組別是Y，d11，那也可以使用，但不能用于三相半波整流。至于Y，y的接線組別就不推薦使用。我們知道三相可控整流產(chǎn)生的三次諧波電壓非常高，可達(dá)基波值的50%以上， 而變壓器的D接法可以使其三次諧波磁通抵消，把影響降低到最小。但如果采用Y，y的接線組，整流電路產(chǎn)生的三次諧波的磁通無閉合回路不能抵消。過高的三次諧波會(huì)使電波形畸變過大，影響到變壓器及發(fā)電機(jī)和其它儀表電器設(shè)備的正常運(yùn)行。電站向廠商提出訂貨數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)說明清楚變壓器的連接組別， 一、二次電壓（同時(shí)必需注明是相或線電壓）。3、一次線電壓U1的選擇小型機(jī)組的機(jī)端額定線電壓是4

6、00V，但小型水電站一般都處于電網(wǎng)的遠(yuǎn)端，離變電站線路很長(zhǎng)阻抗大。造成末端的網(wǎng)電壓過高，尤其是在豐水期發(fā)電高峰時(shí)段，網(wǎng)電壓（機(jī)端）往往高達(dá)460V以上。如果此時(shí)一次電壓還是按照400V來設(shè)計(jì)，變壓器就會(huì)承受過電壓，使損耗增大，發(fā)熱超標(biāo)。                     整流變壓器的鐵損與其承受電壓倍數(shù)比成4次方的關(guān)系，例如按400V設(shè)計(jì)的整流變壓器，在1.2倍（480V）電壓下運(yùn)行時(shí)，其鐵

7、損的增加到（480/400）4=2.07倍。這些損耗最終都在變壓器內(nèi)轉(zhuǎn)為熱量，使變壓器的溫升大增。更有甚者，當(dāng)電源電壓超高到達(dá)一定程度后，變壓器的鐵心的磁通密度就會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)，使一次側(cè)電流激增以致線圈燒毀。一些整流變壓器的設(shè)計(jì)制造時(shí)由于成本的考慮，選取鐵心的磁通密度Bm值偏高，而一次繞組的電壓值仍然選取400V，故在網(wǎng)電壓過高地區(qū)燒毀變壓器的例子并不罕見。對(duì)此就應(yīng)該適當(dāng)加大一次繞組的電壓值，以使網(wǎng)電壓升高20%變壓器也能應(yīng)付工作。一般變壓器尚有5%的電壓過載能力，故我們可用經(jīng)驗(yàn)公式來選取一次側(cè)繞組額定線電壓值U1=0.95U1（MAX），式中，U1（MAX）是網(wǎng)電（折合到機(jī)端）的最高電壓值。計(jì)

8、算結(jié)果若小于400V則按400V選取。一次電壓選取值增加后，二次電壓也應(yīng)該增加同樣的比值，保持變壓比不變，以維持勵(lì)磁電壓與機(jī)端電壓相同比例地增減，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)電壓越高，需要的勵(lì)磁功率就越大。提高一次電壓的做法，等效于增加每伏圈數(shù)，都是為了降低變壓器鐵心的磁通密度。防止進(jìn)入磁通密度曲線的飽和段。帶來的好處還有降低了變壓器的空載電流和鐵損。當(dāng)然這樣也有些負(fù)面影響，因繞組圈數(shù)加多，使變壓器內(nèi)阻增大，電流損耗（銅損）略有增加，但對(duì)變壓器的正常運(yùn)行不構(gòu)成什么影響。電壓調(diào)整系數(shù)為nU1/400簡(jiǎn)易計(jì)算時(shí)，可以通取U1= 440V，能適應(yīng)大多數(shù)電網(wǎng)條件（400V-470V）的要求。4、二次電壓U2的計(jì)算二次電

9、壓的選取值關(guān)系到勵(lì)磁系統(tǒng)的頂值（強(qiáng)勵(lì)）電壓，最大勵(lì)磁電流、晶閘管導(dǎo)通角和諧波失真、整流電路的功率因數(shù)等等。按有關(guān)規(guī)范，勵(lì)磁電路要提供1.61.8倍的強(qiáng)勵(lì)電壓，即變壓器的二次電壓需是額定值的1.61.8倍。但是實(shí)際上，我國的小水電機(jī)組很少有自成孤立電網(wǎng)運(yùn)行的，絕大部分都是并入大電網(wǎng)售電運(yùn)行，沒有向電網(wǎng)提供強(qiáng)勵(lì)功率的需要和能力須知大電網(wǎng)容量極大，單個(gè)小水電機(jī)組的對(duì)它的影響是微不足道的。如果按提高1.61.8倍的數(shù)值來選取二次電壓，整流電壓就比較高，晶閘管整流系統(tǒng)勵(lì)磁時(shí)長(zhǎng)期處于被深控的狀態(tài)，晶閘管的導(dǎo)通角小，波形畸變?cè)龃?，功率因?shù)變差，故障的短路電流變大，這些因素都對(duì)變壓器和機(jī)組設(shè)備運(yùn)行不利。同時(shí)在

10、相同的變壓器功率容量下，電壓高了必然導(dǎo)致電流降低，線圈繞組的導(dǎo)線截面積下降，電流損耗也增大。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，選擇最大整流電壓為額定勵(lì)磁電壓的1.3倍就比較適中，除了處理避免上述電壓過高的缺點(diǎn)以外，也保留了 本篇論文來自范文論文網(wǎng)收集與整理，感謝原作者！    一定的整流功率裕量，適應(yīng)了運(yùn)行條件變化的要求。相電壓U2的計(jì)算式對(duì)上式各項(xiàng)的解釋：UE發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓（V）；系數(shù)1.3如前所述，是勵(lì)磁電壓的裕量值；系數(shù)1.06電流滿負(fù)載時(shí)變壓器內(nèi)阻漏抗引起電壓降的補(bǔ)償值。這里用簡(jiǎn)單的一個(gè)固定數(shù)值來代替復(fù)雜計(jì)算，誤差也不太大；n電壓調(diào)整系數(shù)，見上節(jié)所述；系數(shù)2.

11、34（或1.17）三相全波（或半波）整流元件全導(dǎo)通時(shí)輸出直流電壓與輸入交流相電壓的比值， 即UE /U22.34（或UE / U21.17）；數(shù)字2.5（或1.7）勵(lì)磁回路的電壓降的總和，其中包括整流元件的正向壓降（1.5V或0.75V），以及饋電導(dǎo)線和碳刷集電環(huán)的壓降（1.0 V）。                     變壓比K=U2 / U1.簡(jiǎn)易計(jì)算時(shí)，可把上式結(jié)果的第一、二項(xiàng)合并，有U

12、2 = 0.71 UE （全波），或U2=1.4 UE（半波）5、電流的計(jì)算三相全波整流一次電流I20.816 K IE，二次相電流I10.816 IE三相半波整流一次電流I20.472 K IE，二次相電流I20.577 IE這里的I1值尚未考慮變壓器的效率。6、功率的計(jì)算勵(lì)磁功率： PE = UEIE（W）變壓器二次側(cè)功率：全波整流P2=3U2I2=3（0.59 n UE + 1.47）×0.816IE = 1.45 n PE +3.60IE（W）半波整流P2=3U2I2=3（1.18nUE+ 2.0）×0.577IE = 2.04 n PE+3.46IE（W）變壓器容

13、量的計(jì)算：全波整流S1=P2/（0.8 ×97）=1.29 P21.29（1.45 nPE +3.60IE）= 1.87n PE + 4.64IE （VA）半波整流S1= P2 /（0.8×97）=1.29 P2 =1.29（2.04 nPE +3.46IE）= 2.63n PE + 4.46 IE（VA）式中，0.8為變壓器的額定功率因數(shù)，97%為變壓器一次側(cè)效率。簡(jiǎn)易計(jì)算時(shí)，可把上式結(jié)果的第一、二項(xiàng)合并，有S1 = 2.2 PE（全波用），或S1 = 3 PE（半波用）在實(shí)際的訂貨中我們有時(shí)發(fā)現(xiàn)，某些廠商為了降低成本，變壓器制造的用料偏緊，使變壓器運(yùn)行溫升偏高。 在這種

14、情況下為保險(xiǎn)起見，最好把訂貨的變壓器容量加大10% 來應(yīng)付，此時(shí)變壓器的電壓數(shù)值不改變，一、二次電流要按比例提高。7、計(jì)算實(shí)例某小型水電站需訂購一勵(lì)磁整流變壓器， 發(fā)電機(jī)參數(shù)為：發(fā)電機(jī)功率400kW， 額定電壓400V， 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓UE= 49.4V，勵(lì)磁電流IE = 153A.工作條件：勵(lì)磁裝置為晶閘管三相全波半控整流，機(jī)組并大電網(wǎng)運(yùn)行， 網(wǎng)電最高電壓（機(jī)端）460V.求解步驟如下1）連接組 D，y112）勵(lì)磁功率PE= UEIE = 49.4×153 = 7558.2 （W）3）一次線電壓U1 = 460×0.95 = 437（V），取440V4）二次相電壓U2=

15、0.59nUE+1.07 = 0.59×1.1×49.4+1.07 = 33.13V，可選34V；6）二次電流I2= 0.816 IE =0.816×153 =124.85（A），可選125A.8）功率容量S1=1.87nPE+ 4.64IE=1.87×1.1×7558.2 + 4.64×153= 16257（VA），可選17 kVA最后，填寫訂貨清單：三相干式整流變壓器訂貨數(shù)據(jù)變壓器容量：17 kVA連接組：D，y11電壓比：440 V（線）/ 34 V（相）電流（一次電流可不報(bào)）：9.7 A / 125 A功率因數(shù)：0.80 工作

16、制：長(zhǎng)期連續(xù)工作按照本文的計(jì)算結(jié)果，在額定工況時(shí)變壓器的負(fù)載率為0.77， 處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。額定勵(lì)磁電流輸出時(shí)整流晶閘管的控制角約65°。8、簡(jiǎn)易計(jì)算方法發(fā)電機(jī)參數(shù)同前，勵(lì)磁電壓UE=49.4V，勵(lì)磁電流IE=153A.勵(lì)磁功率：P = 40.3×161.4 =7558.24 （W）通取一次線電壓：U1= 440V三相半波整流時(shí)二次相電壓 U2=1.4 UE =1.4×49.4=69.2 V，可選70V變壓器容量S1=3×7558. =22674（VA），可選23 kVA三相全波整流時(shí)二次相電壓 U2 =0.71 UE =0.71×49.4 =35.1（V），可選35V變壓器容量 S1 =2.2×7558.2=1662（VA），選17 kVA與上節(jié)的計(jì)算結(jié)果比較可見，簡(jiǎn)易計(jì)算方法的誤差并不大，可以付諸應(yīng)用。在