改造者：蘇曉紅

18脈波整流移相干式變壓器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

改造者：蘇曉紅

本文介紹了18脈波整流變壓器移相的實(shí)現(xiàn)以及延邊三角形電壓、電流、移相角及匝數(shù)的計(jì)算方法。并且介紹了18脈波整流變壓器的結(jié)構(gòu)及一次、二次線圈的絕緣及工藝特點(diǎn)。

現(xiàn)在電力電子在生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從整流器，逆變器，變頻器及電子電源等應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大，電力電子的技術(shù)也越來(lái)越成熟，并向著大功率，高頻化的方向發(fā)展，特別在礦山，冶金和煉鋼等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮著其自身的優(yōu)勢(shì)。但是隨著電力電子的發(fā)展這些開(kāi)關(guān)電源設(shè)備也給電路中的其他設(shè)備帶來(lái)了大量的諧波污染，特別是在大功率的場(chǎng)合下產(chǎn)生了極大的危害。因此在這類(lèi)系統(tǒng)中一般采用多脈波的整流方法，增加整流器的前端輸入的相數(shù)來(lái)抵制和消除電流中的某種次數(shù)的諧波，如12脈波，18脈波和24脈波及更多次脈波整流電路。而這種多脈波的整流電路就可以使用變壓器的移相來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般使用移相變壓器連接幾個(gè)三相整流電路而成。例如18脈波整流電路中利用一個(gè)移相變壓器輸出三組線電壓相等并且電壓相位相差20°的三相電源，經(jīng)過(guò)這三個(gè)三相整流橋輸出每周期具有18個(gè)脈波的直流電壓。本文將對(duì)這種18脈波整流電路的移相變壓器進(jìn)行分析、計(jì)算。

移相的實(shí)現(xiàn)

眾所周知，普通的變壓器相位角是30°的整數(shù)倍，因此要實(shí)現(xiàn)12脈波以上的整流電路就需要采用移相方式來(lái)完成。移相就是讓整流變壓器輸出各繞組之間的同名端線電壓之間有一個(gè)相位差，來(lái)滿(mǎn)足這個(gè)多脈波整流系統(tǒng)中所需要的相位角。具體實(shí)現(xiàn)方法有三種：曲折形繞組移相，六邊形繞組移相和延邊三角形繞組移相。由于延邊三角形繞組移相應(yīng)用最為廣泛，因此此文僅對(duì)延邊三角形繞組移相方式進(jìn)行介紹。

為實(shí)現(xiàn)18脈波的電壓輸出，變壓器的副邊三組輸出電壓的相位角應(yīng)該相差為360°÷18=20°。為此可以利用D，d0聯(lián)接組別，再利用兩組副邊三角形接線向兩個(gè)不同的方向延邊移相得到需要的相位角。按照聯(lián)接組別定義，按順時(shí)針移相為正角度移相（+），按逆時(shí)針移相為負(fù)角度移相（-）。

如圖1所示為18脈波橋式整流電路。移相變壓器的原邊A、B、C三相繞組接成三角形，副邊有三組繞組，其中把第二組繞組直接連接成三角形，輸出電壓為Ua2、Ub2、Uc2，與原邊相角相差0°，第一組繞組和第三組繞組每相均取其一部分（K2，作為主繞組）接成三角形，另一部分繞組（K1，作為移相繞組）為三角形的延伸，輸出電壓分別為Ua1、Ub1、Uc1和Ua3、Ub3、Uc3。但是接法略有不同，副邊第一組繞組的主繞組與原邊三相繞組形成的聯(lián)接組別為D，d0，采用右行移相延伸后副邊電壓滯后原邊電壓20°，即-20°。副邊第三繞組的主繞組與原邊三相繞組形成的聯(lián)接組別為D，d8，采用左行移相延伸后副邊電壓超前原邊電壓20°，即+20°。其聯(lián)接組別及相位圖如圖2所示。

延邊三角形電壓、電流、移相角及匝數(shù)的計(jì)算

以一臺(tái)ZPSC9-5000/10干式整流移相變壓器為例做計(jì)算，變壓器參數(shù)如下：容量：Sn=5000KVA，原邊額定電壓：U1n=10000V，副邊額定電壓：U2n=2100V。

移相電壓計(jì)算

根據(jù)輸出電壓和變壓器輸出脈波數(shù)所對(duì)應(yīng)的移相角度，按正弦定理得：

圖1　18脈波延邊三角形變壓器整流電路

圖2　18脈波延邊三角形整流變壓器聯(lián)接組別及位圖

式中：Uy—移相繞組電壓（V）；

U2n—副邊額定電壓（V）；

α—移相角（度）；

UZ—主繞組電壓（V）；

由于：U2n=2100V，，可根據(jù)以上公式計(jì)算得出：Uy=829.4V，UZ=729.3V。

移相電流計(jì)算

由圖2中可以看出，副邊移相繞組的電流為兩相主繞組電流的矢量和，并且兩相主繞組電流相位角相差120°，因此其合成電流（即移相繞組電流）為主繞組電流的其計(jì)算公式如下：

式中：I2n—副邊線電流（A）；

Iy—副邊移相繞組電流（A）；

IZ—副邊主繞組電流（A）；

由于：Sn=5000KVA，U2n=2.1KV，可根據(jù)以上公式得出：I2n=458.2A，Iy=458.2A，IZ=264.6A。

匝數(shù)計(jì)算

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定變壓器變比偏差要求小于0.5％，并且電磁原理變壓器的匝數(shù)只能為整數(shù)，在確定了變壓器的鐵芯及原邊繞組匝數(shù)后，變壓器副邊輸出的合成電壓及移相角度都會(huì)產(chǎn)生偏差。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取多種匝數(shù)，反復(fù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，選取輸出電壓及相位角度偏差都滿(mǎn)足要求的匝數(shù)。首先選取第二組繞組匝數(shù)，即0°偏差繞組，確定匝電勢(shì)。然后根據(jù)主繞組電壓和移相繞組電壓，確定主繞組匝數(shù)和移相繞組匝數(shù)?？梢愿鶕?jù)以下公式計(jì)算：

式中：N2—第二組繞組匝數(shù)；

Ny—移相繞組匝數(shù)；

NZ—主繞組匝數(shù)；

et—匝電勢(shì)（V）；

根據(jù)比較所得選取第二組繞組匝數(shù)N2=66，匝電勢(shì)et=31.82V，移相繞組匝數(shù)Ny=26，主繞組匝數(shù)NZ=23。

偏差計(jì)算

根據(jù)輸入的電壓及原邊的匝數(shù)可以確定繞組匝電勢(shì)，再根據(jù)各相位下的匝數(shù)，可以計(jì)算出實(shí)際輸出電壓及移相角度，并進(jìn)行相應(yīng)偏差計(jì)算。根據(jù)以下公式計(jì)算實(shí)際輸出電壓和移相角度：

按余弦定理合成：

式中：U'y—實(shí)際移相繞組電壓；

U'z—實(shí)際主繞組電壓；

U'2—實(shí)際第一、三組繞組輸出電壓；

電壓偏差|ΔU2|=|（U'2-U2n）/U2n|×100％；

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，變壓器輸出電壓和移相角度都在允許偏差范圍內(nèi)，滿(mǎn)足國(guó)家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

變壓器結(jié)構(gòu)的確定

a） 此移相變壓器線圈采用同心式結(jié)構(gòu)放置。原副邊線圈均采用沿軸向三分裂放置，因此原副邊各有9個(gè)線圈，共18個(gè)線圈。

b） 原邊線圈采用分段圓筒式結(jié)構(gòu)，放在外側(cè)。副邊線圈采用層式結(jié)構(gòu)，放在內(nèi)側(cè)。原副邊線圈之間放置接地屏蔽層減小諧波的影響。

c） 變壓器鐵芯采用三相三柱式，全斜接縫，疊片采用多步進(jìn)疊，鐵芯硅鋼片采用取向優(yōu)質(zhì)高導(dǎo)磁硅鋼片。

d） 絕緣系統(tǒng)采用玻璃纖維等H級(jí)絕緣材料，線圈經(jīng)空氣澆注爐內(nèi)進(jìn)行樹(shù)脂澆注，再經(jīng)高溫固化后形成固態(tài)線圈。具有防火性能好，難燃自熄，絕緣性能好，局部放電量小，耐雷電沖擊能力強(qiáng)，耐潮濕等特性。

e） 由于在變壓器的移相繞組中的電流大于主繞組的電流，因此在選取導(dǎo)線時(shí)，移相繞組的導(dǎo)線應(yīng)大于主繞組中的導(dǎo)線，并根據(jù)變壓器的損耗和溫升要求選擇適當(dāng)?shù)木€規(guī)。

f） 變壓器的移相繞組的匝數(shù)和主繞組的匝數(shù)選取往往需要經(jīng)過(guò)多次的試算，必要時(shí)還應(yīng)重新調(diào)整鐵芯數(shù)據(jù)和匝電壓，以便合成電壓和移相角度偏差盡可能小。

g）由于此類(lèi)變壓器結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中還應(yīng)特別注意了副邊三組移相繞組間絕緣距離的選取。

結(jié)束語(yǔ)

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.026