18脉波h级绝缘干式整流变压器设计 整流变压器, 直流电源, 整流器, 电机, 工业

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[导读] 干式移相整流变压器是一种专门为中高压变频器提供多相整流电源的装置，采用延边三角形移相原理.
关键词：整流变压器

　　1 引言
　　工业用的直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流器所组成的整流设备而得到的，并广泛应用于冶金、化工和牵引等领域，如城市轨道交通、轧钢电机的直流传动、同步电机的直流励磁等。整流变压器的作用是将交流电网电压变换成整流装置所需要的电压，并通过相数和相位角的变换，改善交流和直流侧的运行特性。整流变压器可将整流设备与电网电路隔离开来，确保设备的安全，并且限制短路电流，减少整流设备对电网和其他并联运行整流设备相互间的电磁干扰，抑制晶闸管等整流元件的电流上升率。
　　由于干式变压器的无油污染问题，防潮、耐热、阻燃、防腐蚀等特性，广泛应用于工业、生活的各个方面。目前主要存在两种主流类型的干式变压器：一种是以欧洲为代表的树脂浇注式干式变压器(简称ordt)，另一种是以美国为代表的浸漆式干式变压器(简称ovdt)。而作为h级绝缘的干式整流变压器，以c级绝缘材料nomex纸作为绝缘介质，具有更高的可靠性和环保特性，而且具有更好的经济性，受到广泛的欢迎。
　　h级干式整流变压器耐热等级为180℃，主要绝缘材料为nomex纸，该绝缘纸是美国杜邦公司的专利产品，是一种以芳香酰胺纤维为基础的合成绝缘材料，其本身为c级，耐热等级达220℃。nomex纸还有许多优点，是极佳的电气绝缘材料，用其制造的变压器可以防潮、阻燃，对环境适应性好，而且变压器尺寸紧凑，占用空间小，变压器抗冷热冲击、抗短路能力、抗过电压能力均好于其它类型变压器。尤其是h级整流变压器的制造工艺和产品结构特点，对于需要多个抽头，结构复杂的多个移相绕组的整流变压器来说，具有非常明显的优势，使其制造加工周期短，成本低，真空压力浸渍(vip)后绕组刚性好，机械强度得到保证，同时，由于有漆膜覆盖在绝缘材料表面，提高了变压器的防潮能力。
　　2 移相的形成及工作原理
　　干式移相整流变压器是一种专门为中高压变频器提供多相整流电源的装置，采用延边三角形移相原理，通过多个不同的移相角二次绕组，可以组成等效相数为9相、12相、15相、18相、24相以及27相等整流变压器。变压器的一次侧直接入高压电网，其二次侧有多个三相绕组，它按0°、θ°、…、(60-θ)°等表示延边三角连接变压器二次侧的各低压三相绕组，同时表示各低压三相绕组线电压相对对应绕组的移相角。当每相由n个h桥单元串联时，θ=60°/n，实现了输入的多重化，形成6n脉波整流。这样，如果各h桥单元功率平衡，电流幅值相同，理论上一次侧输入电流中不含有6n±1以下各次谐波，并可提高功率因数，一般不需再配备无功补偿和谐波滤波装置。最适宜用于防火要求高、负荷波动大的环境中，如海上石油平台、火力发电厂、自来水厂、冶金化工、矿山建材等特殊的工作环境中。
　　多绕组干式移相整流变压器是根据不同的用户而设计，容量从200kva~10000kva不等，一次阻抗较大，变压器的效率>98%，采用h级绝缘系统，绕组温升限值120k。为了提高电能质量，整流变压器的输出波形不像电力变压器在一个周期内只有三个正弦脉波，而是根据一次侧电压和装机容量，确定每台变压器在一个周期内的脉波数。高压变频调速技术目前呈现多样化，以西门子技术为代表的级联式多重化技术，基本可以做到完美无谐波，它采用整流变压器将多个低压模块叠加(串联)而形成高压输出，功率器件采用igbt，目前国内绝大多数高压变频器厂家都是采用这种技术。abb的acs5000系列变频器是三电平的拓朴结构，36脉波的整流变压器共有6个移相组，每两个移相组为一个变频单元供电，功率器件为igct，abb还有一种变频器采用12脉波整流逆变技术，其变压器采用三绕组形式。以ab(rockwell)为代表的18脉波整流逆变技术，其需要整流变压器采用三分裂形式。
　　整流变压器作为这一技术的重要构成，是伴随高压变频器的技术而出现并迅速发展的。根据变频器单元数和电压等级的不同，移相整流变压器输出绕组数和电压也不同，3kv的多采用3级，移相分为0°、±20°，每移相组电压为630v;6kv的多采用6级，移相分为±5°、±15°、±25°，每移相组电压为630v，也有采用5级或7级，5级时移相角为0°、±12°、±24°，电压为710v，7级时移相角为0°、±8.57°、±17.14°、±25.71°，电压为490v;10kv的多采用8级，移相分为±3.75°、±11.25°、±18.75°、±26.25°，每移相组电压为720v，也有采用9级和10级。理论上讲，级数越多，变压器输入侧的谐波越少，对电网的污染越小，但级数多，变频器的功率单元就多，增加了制造成本，所以上述级数是各变频器厂家普遍采用的。abb的acs5000变频器所需变压器在结构上要与上述的简化一些;12脉波和18脉波的整流变压器多采用分裂方式，适用于abb和ab的变频器。用以改善整流装置的高次谐波对电网和通讯等设备的影响。
　　在电网三相电压的基础上，为获得均匀分布多脉波二次侧电压，即需要每相二次侧电压在120°内均匀分布展开。为此利用y，d11与yd1两种接线组别，达到相互移相60°。再利用二次侧延边三角形移相得到需要的相位角。按照接线组别定义，顺时针移相为(+)，逆时针移相为(-)。例如：18个脉波的移相变压器，间隔为：360°/18=20°。其接线组别计移相角按顺序分别为：y，d11-20°;y，d11;y，d11+20°。
18脉波h级绝缘干式整流变压器设计概述#e#3 18脉波h级绝缘干式整流变压器设计概述

　　3.1 容量的确定
　　铁心的选择与电压有关，而导线的选择与电流有关，即导线的粗细直接与发热量有关。也就是说，变压器的容量只与发热量有关。对于一个设计好的变压器，如果在散热不好环境中工作，假如为1000kva，如果增强散热能力，则有可能工作在1250kva。另外，变压器的标称容量还与允许的温升有关，例如，如果一台1000kva的变压器，允许温升为100k，如果在特殊的情况下，可以允许其工作到120k，则其容量就不止1000kva。由此也可以看出，如果改善变压器的散热条件，则可以增大其标称容量，反过来说，对于相同容量的变频器，可以减小变压器柜的体积。
　　变压器容量的选择一般从电压、电流及环境条件几方面综合考虑。其中应根据用户用电设备的容量、性质和使用时间来确定所需的负荷量，以此来选择变压器容量。在正常运行时，应使变压器承受的用电负荷为变压器额定容量的75%-90%左右。
　　变压器是由绕在同一铁心上的两个或两个以上的线圈绕组组成，绕组之间是通过交变磁场而联系着，并按电磁感应原理工作。变压器安装位置应考虑便于运行、检修和运输，同时应选择安全可靠的地方。在使用变压器时必须合理地选用变压器的额定容量。变压器空载运行时，需用较大的无功功率。这些无功功率要由供电系统供给。变压器的容量若选择过大，不但增加了初投资，而且使变压器长期处于空载或轻载运行，使空载损耗的比重增大，功率因数降低，网络损耗增加，这样运行既不经济又不合理;变压器容量选择过小，会使变压器长期过负荷，易损坏设备。因此，变压器的额定容量应根据用电负荷的需要进行选择，不宜过大或过小。
　　变压器的设计一般只看额定容量，而不看额定功率，因为其电流只与额定容量有关。对于电压源型变频器，由于其输入功率因数接近于1，所以额定容量与额定功率几乎相等。电流源型变频器则不然，其输入侧变压器功率因数最多等于负载异步电机的功率因数，所以对于相同的负载电机，其额定容量要比电压源型变频器的变压器大一些。
　　3.2 铁心磁通密度的选取
　　变压器设计的基本问题是磁通和电流密度。变压器的电流与容量成正比，电流密度的大小(即导线的粗细)按照导体的发热量来考虑。对于磁通，电磁学的基本关系式为：
　　u=4.44fwφ，
　　其中：
　　u为电压;
　　f为频率，在这里为50hz，定值;
　　w为线圈的匝数;
　　φ是磁通量。
　　由于硅钢片的磁通密度b受到材料的限制，一般仅能设计到1.4-1.8特斯拉，而φ=bs，所以，要增大φ，一般只能增大铁心的截面积。变压器的铁心一般为三相柱式，铁心的截面积按照上述公式可以确定，铁心窗口的大小则要考虑把线圈放进去为原则。容量越大的变压器，导线越粗，铁心的窗口就需要越大。在变压器的设计中，铜和铁的用量可以均衡考虑。因为一旦变压器的容量确定了，电流就确定了，导线的粗细也就确定了，增大匝数w，磁通φ就可以小一些，铁心的截面积就可以小一些，但是要把这些匝数绕进去，铁心的窗口要大一些;相反，减小匝数w，磁通φ就要大一些，铁心的截面积要大一些，但是铁心的窗口可以小一些。
　　3.3 谐波电流问题
　　由于整流元件的单向阻断作用会引起整流变压器交变磁场波形的畸变，即使电网电压为理想的正弦波，整流装置从交流电网中取用的电流也是非正弦的。谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系;而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦波，即产生了谐波。
　　整流器和逆变器产生的谐波电压、电流：整流器的作用将交流电转成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波(50hz基波)外，还叠加了一系列高次波形——谐波。应该说电动机采用变频器进行调速，可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能(近30%)，但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表——压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还会使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。增加换流装置的相数或脉波数，是减少换流装置产生谐波电流的十分有效的措施。
　　3.4 超铭牌容量运行问题
　　确定变压器铭牌容量需要综合考虑其它一些因素。例如环境温度的影响，降低温度可以提高变压器的输出功率和减少变压器的损耗，又如变压器台数的合理选择和技术经济比较等等都是影响变压器容量选择的考虑因素。
　　至于变压器的过载能力是和起始负荷率、环境温度和通风散热条件等相关的因素有关，且只能是应急性质和短时间的。过负载时首先要求不致损坏变压器的绝缘和降低使用效率为原则，一年四季中高峰用电是可能会超负荷而低谷时又会出现轻载运行。这“超”、“轻”负载两者之间的量和时间基本相等，同时会起到互补的作用，但最好不要超负荷。
　　过负荷百分数(n)计算公式：
　　n=(i-le)/ie×100
　　式中：
　　i —变压器实际负荷电流;
　　ie—变压器额定电流。
　　当然对于设置有强迫风冷的变压器其应急过载能力可达40-50，而且过持断续时间也可适当延长(但绝不允许过载情况下长期运行)，这可由产品的技术条件来确定。
　　综合上述各种因素对选择变压器容量的影响，从节能、经济、实用、安全可靠出发，一般选取变压器负荷率在0.65-0.8为宜。
　　3.5 抑制环流问题
　　对于18脉波及以上的整流变换，整流变压器绕组采用曲折接线(z接线)实现，各整流单元并联(或串联)，共同向负载供电。只要满足m组6脉动整流交流侧的电压u(n)(n=1，2，……，m)依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脉波的多相整流。而对于18脉波移相，理论上不含有17、19次及以下谐波，因此很好地减少了低次谐波环流的影响;通常只要保证变压器两侧角星总匝数比等于1.732，便能很好地避免环流问题的出现，而这只是理论上的计算，实际中匝数不可能为小数，所以只能在设计时合理选择分配，使得比值尽量趋近。
　

3.6 阻抗计算的要求

　　变压器二次电抗数值愈小，负载分配相差就愈大。理论计算表明：增大整流变压器二次电抗，可以部分减小负载电流分配不均的问题。由于整流变压器二次侧电抗可调整的只有变压器内部引线电抗和二次侧母线电抗，可调节范围很有限。而且，整流机组的负载率是随生产工艺和备用机组的投切经常变化的。所以，这样的设想具有很大的局限性，实际上是做不到的。将整流变压器绕组按分裂式变压器结构(如轴向分裂)设计，增大绕组间阻抗，也有利于改善负载电流分配不均问题。但针对晶闸管整流器而言，可能存在着其它不利于晶闸管安全运行的因素。
　　采用晶闸管整流器虽然可以对两套二次侧绕组的电流作适当的调整，使之达到均衡，但存在着其它不利于晶闸管整流器安全运行的因素。
　　采用饱和电抗器进行细调，能较好地解决二者负载电流分配不均问题。但也是有代价的，饱和电抗器占用的地方、增加的制造成本、本身的电耗和对功率因数的影响等都是不能忽略的。
　　在18脉波整流电路中，整流主电路是由三组6脉波晶闸管整流桥组成的。由三组完全独立的二次侧绕组供电。
　　整流装置在运行过程中会导致电网各点电压波形产生畸变，干扰电网上其它电气设备的正常运行。同理，电网的扰动超过一定极限时，也会导致整流装置规定性能的下降，使其运行中断、甚至损坏。这就是整流器与所在电网的兼容性问题。按国标gb10236-88的规定，兼容的含义是：第一，整流器对电网的干扰在电网的容许范围之内;第二，整流器接入电网后，整流变压器一次侧的电压波动、频率、波形等参数的扰动(包括其本身接入后引起的扰动)应低于所选整流器的抗电网干扰极限值。
　　按照国标gb10236-88的规定，b级抗扰等级的整流器允许的换相缺口极限值是120°。如果换相缺口过大，则会造成触发失败、误触发或变频器工作不稳定。若变压器在换相期间，参与换相的两相交流端子被瞬间短路，使变压器二次侧线电压突降到接近于零，从而导致电压波形出现缺口。
　　3.7 器身结构
　　变频器是通过整流变压器的多个移相组将各二次绕组形成相位差，各移相组分别为相应的功率单元供电，实现输入多重化，在这些单元内完成整流、逆变，然后再进行叠加。有了多个移相，就可以消除各单元产生的谐波对电网的污染，这就是完美无谐波变频器的基本工作原理。变压器的一组移相单元为变频器的一相供电，三相需要三组移相单元组成，因此采用二次侧有三组移相单元组成的绕组。
　　18脉波干式整流变压器二次侧出头多，为方便均匀放置于外线柱。因此一次绕组置于内线柱，一次侧绕组抽头出线较困难，一般无分接。由于三相变压器具有三组绕组，三组绕组的组间工作电压即为变频器的相间电压，而且它们之间的绝缘距离属于爬电距离，因此绝缘距离应达到国标要求，按端部对地要求做试验(一组通电耐压，其它两组接地)。各二次绕组接入变频器为串联，因此，移相角应按顺序逐步变化并与变频器侧一致，以减小单元(段间)电压梯度。绕组的同名端起绕，如内三角形导线为单根线，延边可采用双根导线，单根与双根变换处焊抽头。
　　3.8 温升计算
　　温升从一个侧面反应出整台变压器设计的合理性，验证绝缘散热效果的优劣。根据最高温升要求、不同的散热要求，采取不同的设计方案，而在实际温升试验中，多采用电阻法来测试绕组温升，因为相比较之下，热电偶法测量的是变压器线圈外层的温升，电阻法测得的是变压器线圈的平均温升。电阻法测绕组温升公式：
　　△t=(k+t1) (r2-r1)/r1-(t2-t1)
　　式中：
　　△t—绕组温升;
　　r1—实验开始的电阻;
　　r2—实验结束时的电阻;
　　k—对铜绕组，等于234.5;对于铝绕组：225;
　　t1—实验开始时的室温;
　　t2—实验结束时的室温。
　　4 h级绝缘干式整流变压器运行中的问题
　　由于整流变绕组电流是非正弦的，含有很多高次谐波，为了减小对电网的谐波污染，为了提高功率因数，必须提高整流设备的脉波数，这可以通过移相的方法来解决，移相的目的就是为使整流变压器二次绕组的同名端线电压之间有一个相位移。
　　干式变压器以其优异的性能，强大的过载能力，只要保证设计没有问题，在一般工业现场状况下都能顺利的运行;而部分出现问题案例，究其原因，均为绝缘系统损坏导致的短路故障;所以干式整流变压器的设计主要在于绝缘系统的设计，足够的绝缘裕量，尽可能避免铜线的毛刺和绕线所致绝缘纸破损以及总装焊接所致的绕组烫伤，裂纹等制做工艺因素，从而避免出现运行故障。
　　5 结束语
　　h 级敞开型变压器的一次绕组采用层式结构，以 nomex纸板做层间绝缘阻隔。低压绕组采用箔式或饼式线圈，这种结构的高低压线圈都与空气有直接的大面积接触，因而它们的散热状况很好，并且绕组的抗短路能力特别强，有较强的超铭牌运行能力。在多接缝的铁心上刷上一层粘接剂，在结构上采取悬浮隔噪措施，大大降低了噪声。制造工艺过程不采用环氧树脂真空浇注或缠绕，而可以采用类似于油浸式变压器传统制造工艺，制造设备、模具投入少，产品易于改型，制造厂的风险小，这样可以提高成品合格率，并降低制造成本。