（电气工程专业论文）基于新型整流变压器的整流系统在化工电解业中的应用研究.pdf

基于新型换流变k 器的整流系统n ；化t 电解业中的应用研究 摘要 随着电力电子技术和控制技术的不断发展，电力电子技术的应用已深入到工 业生产和社会生活的各个领域。然而其负面效应也同益明显，电力电子装置的开 关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流 波形的严重失真，成为最主要的谐波源。传统的化工电解整流装置中，一般采用 整流变压器移相及多重化技术减少进入电网的谐波，但所有谐波均需流过变压器 各个绕组。新型整流变压器由于具有特殊结构，能够配合滤波器实现无功补偿和 谐波屏蔽功能，提高了变压器的性能，这是以往传统整流变压器所不具备的，所 以具有重要的研究价值。论文主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 新型整流变压器的原理研究包括对变压器结构介绍，谐波屏蔽的原理以 及在化工电解整流系统无功补偿和谐波抑制效果与传统变压器的仿真以及实验对 比研究。 ( 2 ) 滤波器的结构及参数设计研究。滤波器的性能也决定了新型整流变压器 是否能够顺利的进行谐波屏蔽，本论文介绍了单调谐滤波器、双调谐滤波器和二 阶高通滤波器的结构及参数设计方法，且对阀侧投入和未投入滤波器两种情况进 行了仿真以及实验对比研究。 ( 3 ) 论述了同步信号的测量方法。为了更准确地输出整流器所需的各桥臂触 发信号，提高触发信号的对称度、齐整度，克服控制角0 【受电网频率的波动及电 网电压波形畸变的不良影响，着重阐述了基于新型高速、连续和倍频锁相的频率 跟踪技术的原理，给出了具体的设计过程，得出了仿真结果。 ( 4 ) 具体介绍了单神经元自适应p i d 控制器的原理。建立了基于单神经元自 适应p i d 控制器的稳流系统仿真模型，且与基于常规p i d 算法的自动稳流系统进 行了仿真对比研究。 本文对基于新型整流变压器的化工电解整流系统进行了理论和应用研究，通 过对基于新型整流变压器的六脉波整流系统与基于传统变压器的十二脉波整流系 统进行m a t l a b 仿真对比研究，结果表明，新型模型的滤波效果大大超过了传 统模型的滤波效果，同时滤波器能够对化工电解整流系统起到无功补偿作用，使 得基于新型换流变压器的整流系统在化工电解业有广泛的应用前景。 关键词：新型整流变压器；桥式同相逆并联整流；化工电解：稳流控制器； 应用研究 硕十学位论文 a b s t r a c t w i t hu n i n t e r r u p t e dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e re l e c t r o nt e c h n o l o g ya n d t h ec o n t r o lt e c h n i q u e ，t h e a p p l i c a t i o no fe l e c t r i cp o w e re l e c t r o nt e c h n o l o g yh a s a l r e a d yg o n ed e e pi n t o t oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dt h es o c i a ll i f e b u tt h ee l e c t r i c p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s w i t c h i n ga c t i o nh a sc a u s e dl a r g ea m o u n to fh a r m o n i ca n d s u b h a r m o n i cc o m p o n e n t so no ro f f , w h i c hr e s u l t si nt h ed i s t o r t i o no fv o l t a g ea n d c u r r e n tw a v ef o r mt h ea cn e t w o r k s e m i c o n d u c t o rd e v i c e sh a v eg e n e r a t e dh a r m o n i c s b e c a u s eo fi t sn o n l i n e a rf e r r o m a g n e t i cm a t e r i a lb e c o m e dt h em a i n e s th a r m o n i c s o u r c e t h ec o n v e n t i o n a lc o m m u t a t i o nt r a n s f o r m e r sa r en o ta b l et os u p p r e s st h e h a r m o n i c sb e c a u s eo ft h ed e f e c to fi t s s t r u c t u r e ，t h eh a r m o n i c ss t i l l a f f e c t sa c n e t w o r kt h r o u g ht h et r a n s f o r m e r s t h en e wm o d e lc o m m u t a t i o nt r a n s f o r m e rh a st h e f u c t i o n so fh a r m o n i c s u p p r e s s i o n a n dr e a c t i v e l o a d c o m p e n s a t i o n ，w h i l e t h e c o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e s rw i t h o u t t h u st h en e wm o d e lc o m m u t a t i o nt r a n s f o r m e rh a s i m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u e i th a sm a i n l yd o n et h ef o l l o w i n ga s p e c tj o bi nt h i sp a p e r ： ( 1 ) r e c t i f i e rt r a n s f o r m e ri st h ek e ye q u i p m e n to fe l e c t r o l y t i cc h e m i c a ls y s t e m t h er e s e a r c ho nr e c t i f i e rt r a n s f o r m e ri n c l u d et h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h et r a n s f o r m e r ， t h ei n t r o d u c t i o no ft h ep r i n c i p l eo fr e c t i f i c a t i o nh a r m o n i cs h i e l d i n g ，r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ni nt h ec h e m i c a le l e c t r o l y s i ss y s t e ma n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o ne f f e c t so f t h es i m u l a t i o nw i t hr e c t i f i e rs y s t e mb a s e do nt h et r a d i t i o n a lc o m p a r a t i v es t u d yo ft h e t r a n s f o r m e r ( 2 ) t h es t u d yo ff i l t e r ss t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s t h ep e r f o r m a n c eo ff i l t e r d e c i d e sw h e t h e rt h en e wm o d e lc o m m u t a t i o nt r a n s f o r m e rc a ne l i m i n a t e dt h e h a r m o n i c s t h i s p a p e ri n t r o d u c e d as i n g l e t u n e d f i l t e r ，d o u b l e t u n e df i l t e r a n d s e c o n d o r d e rh i g h p a s sf i l t e rs t r u c t u r ea n dp a r a m e t e rd e s i g nm e t h o d t w ot y p e so f s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lc o m p a r a t i v eh a v eb e e nc a r r i e do u t ：t h ev a l v es i d ew i t h f i l t e ro rn o t ( 3 ) t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e a s u r e m e n tm e t h o do fs y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l i n o r d e rt oo u t p u tr a t e dc u r r e n ta n dr a t e dv o l t a g em o r ea c c u r a t e l y , t h i sa r t i c l ee m p h a s i s o nt h en e w ，c o n t i n u o u sa n dp h a s e l o c k e df r e q u e n c ym u l t i p l i e ro ft h ep r i n c i p l e so f t r a c k i n gt e c h n o l o g y , g i v e st h es p e c i f i cd e s i g np r o c e s s ，a n dd r a w st h es i m u l a t i o n r e s u l t s ( 4 ) i ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fs i n g len e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rs p e c i f i c t h es i m u l a t i o nm o d e lo fs t e a d yf l o ws y s t e mb a s e do ns i n g l en e u r o na d a p t i v ep i d i i i c o n t r o l l e ri sb u i l t ，c o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nm o d e lo fs t e a d yf l o ws y s t e mb a s e d o nt h ec o n v e n t i o n a lp i d a l g o r i t h m i ns u m m a n y ，t h i sp a p e rs t u d i e sc h e m i c a le l e c t r o l y t i cr e c t i f i e rs y s t e mb a s e do n t h en e wr e c t i f i e rt r a n s f o r m e rf o rt h et h e o r e t i c a la n da p p l i e d r e s e a r c h t h r o u g ht h e c o m p a r a t i v em a t l a bs i m u l a t i o ns t u d yo ft h er e c t i f i e rt r a n s f o r m e rb a s e do nt h en e w r e c t i f i e rs y s t e ma n dt h ec h e m i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mc h e m i c a le l e c t r o l y t i cr e c t i f i e r t h en e wr e c t i f i e rt r a n s f o r m e ra n df i l t e r s y s t e mc a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s sh a r m o n i c s i n t ot h ep u b l i cp o w e r g r i da n da tt h es a m et i m ef i l t e rp l a y st h er o l eo fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，i m p r o v i n gp o w e rf a c t o rt h ec h e m i c a le l e c t r o l y t i cr e c t i f i e rs y s t e m i t m a k et h a tt h er e c t i f i e rs y s t e mo fe l e c t r o l y s i si nt h ec h e m i c a li n d u s t r yh a saw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：n e wm o d e lc o m m u t a t i o n t r a n s f o r m e r ；c o p h a s ec o u n t e rp a r a l l e l c o n n e c t i o n b r i d g er e c t i f i e r ；c h e m i c a le l e c t r o l y s i s ；s t a b i l i z e dc u r r e n t c o n t r o l l e r ；a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 吼刀少年，月毋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 刷磴名协玖 吼矽哆年岁月刁日 一r l - i = h ：i ：砷年厂月矿 硕十学位论文 第1 章绪论 本章主要阐述了设计基于新型整流变压器的化工电解整流系统的目的和意 义，介绍了国内外化工电解整流系统的现状与发展趋势，简要概括了本文选题的 背景和主要研究内容。 1 1 本课题的研究背景与意义 1 1 1 课题来源及主要技术指标 本课题结合湖南省“十五”重大科技专项“高压直流输电新型换流变压器研 制”( 0 5 g k l 0 0 1 2 ) ，为株洲某化工电解烧碱厂在产品更新换代过程中研发一个可 靠性高、安全性好、功率因数高、谐波抑制能力强的供电系统。该系统的主要技 术指标为： ( 1 ) 额定输出直流电流：2 2 0 0 0 a ： ( 2 ) 额定输出直流电压：4 1 5 v ； ( 3 ) 额定直流空载电压：4 7 2 6 v ； ( 4 ) 额定直流输出功率：9 1 3 0k w ； ( 5 ) 稳流精度：- 4 - 1 5 ； ( 6 ) 负荷冲击积分时间：1 分钟( 可调) ； ( 7 ) 最小负荷：6 0 1 1 2 食盐水的电解 氯碱工业是基本化学工业之一，它的主要产品氯气和烧碱在国民经济中占有 相当重要的地位。生产氯气和烧碱有着悠久的历史，工业上采用电化学法始于 1 8 9 0 年。我国的氯碱工业n - - 十世纪2 0 年代才开始创建。随着国民经济的发展， 氯气和烧碱的需求量逐年增长，产品品种也不断发展，而且从科研、设计到生产， 形成了一个完整的工业体系。氯气透平压缩机、大功率氯碱整流机组、氯液化新 工艺等一批节能技术相继用于生产，大幅度降低了氯碱的综合能耗。氯产品技术 迅速发展，万氧氯化法制氯乙烯、大型聚合釜及其配套技术、高型号树脂及糊用 树脂技术，万吨级环氧丙烷及聚醚等无有机氯产品多个品种的生产装置在氯碱 厂建成，极大地提高了我国氯碱产品的技术水平汪1 。 电化学是研究通过电流产生化学变化和通过化学反应产生电能的科学。食盐 幕于新掣换流变压器的整流系统n ：化t 电舻f 业中的j 照用研究 水溶液电解制取氯气、氢气和烧碱，就是电化学在化学工业上应用的一个重要例 子。当电解质溶液在水中时，便离解成带电的质子一离子，这种过程称为电离。 食盐溶解在水中时，便电离为氯离子( c 1 ) 和钠离子( n a + ) 。可以用一个总的反应 方程式来表示食盐水溶液电解的全部反应。 2 n a c i + 2 h 2 0 - - - - , 2 n a o h + c 12 + h 2 因此，电解过程的实质是电解质溶液在直流电作用下，溶液中的离子在电极 上分别放电而进行的氧化还原反应。阳离子在阴极上得到电子而被还原，阴离子 在阳极上放出电子而被氧化口1 。 1 1 3 化工行业电力负荷性质和供电要求 化工电解整流系统对其用电有以下特征： ( 1 ) 直流侧输出额定电流大而额定电压低 化工电解的直流耗能大，具体与原料和生产方法有关；系统要求的直流电流 的等级上万安而电压等级只需几百伏。 ( 2 ) 对供电可靠性要求高 化工电解生产是连续过程，对供电可靠性要求高，如果发生短时停电，恢复 供电后化工电解设备在几小时内只耗电，不能生产；如果停电超过一定时间，就 会破坏电解槽内溶液的动态平衡，以致无法恢复，严重影响生产秩序，经济损失 很大。一般而言，化工电解厂的用电同负荷率达9 5 以上，这对供电提出了较 高的要求h 1 。 ( 3 ) 功率因数低 化工电解的供电系统包括主变压器、调压变压器、整流变压器等感性设备， 故导致无功损耗大，功率因数低畸3 。 ( 4 ) 谐波污染严重 化工电解的直流电流是通过晶闸管整流桥整流所得，晶闸管是典型的非线性 元件，致使整流系统产生大幅值高次谐波严重污染公共电网，在某种工况下还会 出现非特征谐波哺3 。 ( 5 ) 恒直流电流供电 化工电解工艺生产要求采用恒直流电流供电，这样可以提高电流效率；降低 电耗，延长电解槽运行寿命，如果电流波动大，不但将破坏电解槽的正常生产， 而且会造成槽子局部过热，甚至影响到生产安全。 化工电解随着工艺的改进，电解系列电流( 所谓系列电流就是各整流机组汇 入到系统直流侧的总电流) 不断增大，系列电压不太高，工艺生产连续性强h 7 1 。 综上可知整流电源是电解工艺的核心装置，其整流效率、稳流精度和供电可 2 硕十学位论丈 靠性直接关系到电解生产的连续性和安全性，而目前国内整流机组一般采用电力 二极管和可控硅两种整流元件。 1 1 4 化工电解整流装置是电网的主要谐波源之一 由于电力电子技术的飞速发展，电力电子器件己广泛应用于化工电解领域。 化工电解整流系统已经成为电网的谐波源之一哺1 。 谐波是由于变流器的使用和非线性负荷所引起的。谐波电流和谐波电压的出 现，对于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电能质量，使电压波形发 生畸变，不但严重地影响电力系统自身运行，而且还危及供电用户和周围的通信 系统。为此，我国于1 9 9 3 年对电网中的谐波制定了相应的国家标准【9 】。谐波对电 力系统和其他用电设备可能带来非常严重的影响和危害，主要可归纳为以下几 点： 1 对电力系统的影响 ( 1 ) 由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波损耗，降低了发电、输 电及用电设备的使用效率。 电力设备中流过谐波电流时，尽管谐波电流占基波电流的比例一般不大，但 是由于谐波频率高，载流导体中的集肤效应增大，使相应的交流电阻增大，从而 增加谐波所引起的附加铜耗。谐波电流对输电系统的影响主要是增加网损，其次 是在电网中产生谐波电压降，从而降低电压波形质量训。 对具有铁心的设备，如电机、变压器、电抗器等，谐波电压将引起附加的磁 滞和涡流损耗，即附加铁耗。铁耗以高于频率的一次方增加，故随着频率的提高， 铁耗显著增大。在谐波含量较大的情况下，这些附加铁耗将导致设备较为严重的 额外发热。 电容器组是电力系统中用于无功补偿和滤波的重要元件，它对谐波电压的反 应比较灵敏，受高次谐波的影响最为严重。因电容器的容抗随着频率的增加显著 地降低，所以即使谐波电压不大，也会产生较大的谐波电流，使电容器组过负荷， 产生附加损耗，严重时可能损坏电容器组1 。 ( 2 ) 谐波将使电力设备元件加速老化，缩短设备的使用寿命。 对于设备的电气绝缘，在频率较高的电场下，其介质老化的物理过程会显著 地加剧，从而影响使用寿命。除了发热和绝缘老化以外，谐波对设备运行还会带 来其它不良的影响。 ( 3 ) 系统中存在谐波分量时，可能会引起局部的并联或串联谐振，造成谐波 放大，不仅增加了附加损耗和发热，而且可能造成设备的故障或损坏。 幕于新型换流变j f 器的整流系统拒化t 乜解业中的应用研究 2 对电子设备和通信线路的影响 ( 1 ) 谐波可能会引起某些保护设备( 如继电保护装置，熔断器等) 误动作。 同时也会导致电气测量仪表计量不准确。 ( 2 ) 谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的电子设备和通信系统产 生干扰，严重时会导致它们无法正常工作。 3 对变压器的影响 谐波对变压器的影响，主要是增加它的铜耗和铁心损耗。如前所述，在高次 谐波下，变压器绕组中的交流电阻因集肤效应和邻近效应，随着谐波电流频率的 增大而增加，而铁心损耗则随着谐波电压频率的提高而增加。因此在变压器中相 同的谐波含有量下，高次谐波分量比低次谐波分量所引起的变压器的发热更为显 笺【1 2 1鲁0 此外，当整流器的触发脉冲间隔不等或存在其它产生非特征谐波的因素时， 整流变压器的阀侧绕组中可能会出现直流分量电流，使变压器磁路因直流偏磁而 增加其饱和程度，结果导致交流激磁电流中谐波分量增大使谐波的影响更加严 重。 由于谐波污染问题越来越严重，故探讨各种抑制直至完全消除谐波的方法， 已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课 题。 1 2 化工电解整流系统国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 为了使整流装置的性能得到改善，抑制谐波、提高功率因素成为要解决的首 要的任务n 3 1 圳。工程应用中提高整流设备功率因数的设计方案主要有以下几种： ( 1 ) 采用较小的控制角运行。对于需要长时间在低电压情况下工作的负载， 可以通过改变整流变压器的二次抽头或采用y 变换等方法，降低整流变压器 的二次电压。这样，可使晶闸管在较小的控制角下输出低电压，而不采用增大控 制角的方法来降低整流输出电压鄹。 ( 2 ) 降低畸变系数与减少换相重叠角。 增加整流电路的相数。由变流技术的知识可知，整流电路的相数越多， 电流中的高次谐波的最低次数越高，且幅值也越小，更接近于l 。 采用恰当接法的变压器。对于单个整流设备，整流变压器采用y 接 法；对于串联的两个整流电路，其整流变压器分别采用y y 接法与y 接法。 4 硕卜学位论文 这样有利于消除高次谐波，减少畸变系数。 采用通断性能好( 开关时间短、速度快、正向压降小) 的晶闸管，降低通 断电压，减少重叠角。 ( 3 ) 安装电容补偿装置。在整流变压器一次侧装设适当容量的电容器，用以 补偿晶闸管整流设备的无功，使功率因数得到提高。采用这一方法时，要注意在 电容器回路中串入恰当电感量的电抗器，避免接入电容后与原电路中的电感产生 谐振坫1 。 目前抑制谐波方法如下： 1 ) 增加整流装置的等效相数 增加整流装置的等效相数可很大程度上地消除幅值较大的低次谐波。等效多 相系统都是在六相系统基础上利用变压器绕组y 和接法的不同组合或加移相 绕组来构成的，通常采用的等效相数p 有6 、1 2 、1 8 、2 4 、3 0 、3 6 、4 8 相，按理 想条件下，其网侧谐波电流次数为p k + i ，k = i ，2 ，即随着相数越多，注入网 侧的谐波电流越少，一般常随整流装置容量的增大而逐渐增加相数，但当等效相 数高于3 6 相以后，谐波电流幅值降低的效果并不显著6 。1 8 1 。 2 ) 加装滤波装置( 包括无源滤波和有源滤波装置) 为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的措施是从产生谐波的源头抓起， 设法在谐波源附近防止谐波电流的产生，从而降低谐波电压。防止谐波电流危害 的方法，一是被动地防御，即在已产生谐波的情况下，采用传统的无源滤波方法， 由一组无源元件一电容器、电抗器和电阻器组成调谐滤波装置，许多氯碱企业一 般在无功补偿装置中串联电抗器来抑制谐波的放大，减轻谐波对电气设备的危 害；另一种方法是主动预防谐波电流的产生，即有源滤波方法。其原理是利用可 关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等、相位相反的电流来消 除谐波n 妒2 2 3 。总之，一方面要严格限制谐波的发生水平；另一方面还要设法提高 设备自身的抗谐波干扰的能力，改善谐波保护性能，以做到真正意义上的电磁兼 容。 3 ) 合理设计整流变压器的接线方式。 在三相整流变压器的设计中采用y d 或d y 方式接线，可有效抑制谐波7 1 。 由于3 次及3 的整数倍次谐波电流在三角形连接的绕组内形成环流，而在星形 接线的绕组内不可能产生3 次及3 的整数倍次的谐波电流，因此，采用y d 或d y 接线的三相整流变压器能使注入电网的谐波电流中清除3 次及3 的整数倍次的谐 波电流，又由于电力系统中的非正弦交流电的电压或电流通常是正负两半波对时 间轴对称，不含直流分量和偶次谐波分量。因此采用y d 或d y 连接的三相整流 变压器后，注入电网的谐波电流只有5 、7 、1 1 、1 3 等次谐波。这是抑制谐波的 5 幕于新型换流变压器的整流系统相i 化tl 乜解业中的应用研究 最基本措施。 1 2 2 发展趋势 在今后电解烧碱工程的整流设计中应以节能为原则，以较小的投资来获得最 大的收益为原则乜3 删。国内外化工电解整流电源的发展是与电力半导体器件制造 技术和电力电子技术的发展紧密相关的。随着大功率半导体器件制造技术的不断 进步，蓬勃发展的我国氯碱化工工业用的大功率整流电源亦取得了较大的发展， 尤其通过引进、消化、吸收国外大功率半导体器件的制造技术和测试技术以及化 工电解整流设备的设计技术、制造技术和控制技术，使我国化工电解整流电源的 设计制造水平迅速提高。 随着对供电电网质量管理的进一步完善及计算机控制的普及；“绿色电源” 己成为未来化工电解整流电源使用厂家追求的目标。由于有源电力滤波器技术目 前还不够十分完善，在实际应用中还有许多问题需要进一步研究解决，如谐波理 论的进一步完善；控制系统的简单化和数学化；补偿装置的多功能化；降低装置 容量、提高补偿容量乜5 2 6 。 对无功补偿新方法的研究工作，目前国内外的科技工作者研究重点都集中 在以现代电力电子技术为核心，设计研发无源和有源的混合式系统，开发出性能 更为优越的无功补偿装置拉7 一。其中s t a t c o m 技术就是最好的实例，它目前用 于电力系统中性能最好的无功补偿装置，也是柔性输电系统的核心。 预期未来的谐波补偿装置将是无源和有源共存，并将通过计算机检测并监 控，充分提高电源的可靠性。另外我国的变压器制造业总的发展趋势是： ( 1 ) 采用新材料，降低损耗； ( 2 ) 采用新结构，以求重量轻，体积小； ( 3 ) 提高产品的可靠性，减少甚至免维修； ( 4 ) 节约原材料，降低成本。 我国在损耗与噪声研究及节能环保变压器的制造上，已经取得了可喜的成 绩，具备较高水平。然而，节能环保是变压器研发的永恒课题，还有很多问题值 得研究。低损耗硅钢片、阶梯步迭铁心接缝、箔式绕组结构、噪声研究的深入、 环境保护要求、计算机优化设计等新材料、新工艺、新技术的引入及其发展。变 压器可靠性也是至关重要的，在电磁场理论及其计算、浇注工艺、热点温升、局 放机理、质保体系、可靠性工程等方面进行大量的基础研究，积极进行可靠性认 证，进一步提高变压器的可靠性，将是科技工作者的不懈追求，也是设计制造者 长期的课题。 6 硕上学位论文 1 3 新型整流变压器的化工电解整流系统的基本结构及特点 新型整流变压器的化工电解整流系统的基本结构如图1 1 所示。 s c r 电解 负载 ；习习di 图1 1 基于新型整流变压器的化工电解整流系统基本结构 整流变压器是电解化工整流电源系统中的核心技术设备，它把电力网的三相 交流电压变换为所需的一定相数的交流整流电压，经整流元件整流后变为所需要 的直流电。整流变压器好坏直接影响整流效果。新型整流变压器是传统整流变压 器结构的发展，它新增的第三绕组输出端接滤波器组不但可以起到无功补偿和谐 波屏蔽作用，而且减少了阀侧谐波注入变压器一次绕组，降低了变压器的激励电 流，对变压器局部温升和变压器噪声都有抑制作用，有利于变压器的安全稳定运 行和延长使用寿命，具有较好的经济效果h 5 | 。 整流器是由两个三相全控整流桥同相逆并联而构成的，整流元件为晶闸管。 1 4 本文的主要研究内容 以基于新型换流变压器的化工电解整流机组为研究对象。本文根据某化工电 解整流系统的技术指标，通过计算机仿真为系统设计提供理论和实践指导，主要 研究工作有如下几个方面： ( 1 ) 基本理论知识的介绍。阐述了化工整流系统基本结构及特征，介绍了化 工电解整流系统和调压方式以及单机组控制角与档位的配合、稳流控制器的原理 及其实现。 ( 2 ) 整流变压器及其电力滤波器是化工电解整流系统的核心设备。新型整流 7 幕于新型换流变压器的整流系统神i 化丁r 乜解业中的戍用研究 变压器及其滤波系统的研究包括对变压器结构设计，谐波屏蔽的原理，滤波器组 的无功补偿以及基于新型整流变压器的6 脉波整流系统与基于传统变压器的1 2 脉波整流系统的仿真对比研究；电力滤波器设计的好坏直接影响滤波性能，本文 详细地介绍了单调谐、双调谐滤波器和二阶高通滤波器的参数设计过程。 ( 3 ) 论述了同步信号的测量方法，为了更准确地输出整流器所需的各桥臂触 发信号，提高触发信号的对称度、齐整度，着重阐述了基于新型高速、连续和倍 频锁相的频率跟踪技术的原理，给出了具体的设计过程，得出了仿真结果。 ( 4 ) 具体介绍了单神经元自适应p i d 控制器的原理。建立了基于单神经元自 适应p i d 控制器的m a t l a b 仿真模型，对基于常规p i d 控制器的稳流控制系统和 基于单神经元自适应p i d 控制器的稳流控制系统进行了仿真对比研究，得出仿真 结果。 8 硕h 学位论文 第2 章新型整流系统的理论分析与仿真 本章针对目前化工电解整流供电系统滤波和无功补偿方案存在的问题，研究 一种新型整流变压器及其滤波系统，并以单相三绕组谐波屏蔽变压器为例，对谐 波屏蔽变压器的谐波抑制机理进行详细分析。 2 1 六脉波整流电路的工作原理 2 1 1 六脉波整流电路的理想工况 研究整流电路工作原理的基本方法是根据整流元件和负载的特性，分析电 路中各整流元件导通和关闭的物理过程，从而得出一系列的电压和电流波形。通 过对波形的分析，能更清楚地了解整流电路的工作过程，并且在波形分析的基础 上得出一系列的数量关系。在研究的过程中要切实掌握波形分析的方法在分析 整流电路时，为了突出整流电路的物理本质，避免过于繁琐的数学推导，首先假 定整流电路在理想情况之下工作，所谓理想情况是指呦3 ： ( 1 ) 理想的整流设备：在理想的整流设备中整流元件正向电阻为零，即正向 导通时不产生压降。反向电阻为无限大，整流变压器绕组的漏抗为零，从而换相 过程瞬间完成。 ( 2 ) 理想的直流负载：直流负载的理想性是指在生产实践中，尽管负载一般 为电阻电感性，但在分析问题时，可以认为大型整流电路负载的电感量相当大， 足以保持直流电流恒定，整流直流电压中的脉动分量全部为负载电感吸收。 ( 3 ) 理想的运行条件：假设电源具有无限大功率，供电电压恒定，波形为三 相对称的正弦系统。 2 1 2 六脉波整流基本参数 数： 电解工业上广泛应用三相桥式整流电路，所以这旱主要介绍一下它的各项参 ( 1 ) 电阻性负载：直流输出平均电压如式( 2 1 ) 所示。 = f 2 3 4 u 2c o s c a 。 s州o _ 3 0 t x 3 23 4 u 2 1 + o r 3 + c 0 1a 2 t r 3 ( 2 1 )2 1 c 。s 州3 矿萄 固 一 一 y 4 2 新型整流变雎器滤波器 。 图2 5 基于新型整流变压器的整流电路结构图 则所需补偿的无功功率容量( m v a r ) ： 广。：一厂= 一 q = ( 1 一c o s 2 一1 一c o s 2 缈) s ( 2 5 ) 这些无功功率可以由阀侧接入的滤波支路得到部分补偿，不足的无功功率可 在交流网侧投切电容器及网侧的高通滤波器共同补偿。 2 3 新型整流变压器的工作原理及其技术特点 2 3 1 新型整流变压器的工作原理 新型整流变压器共有三个绕组，原边一个绕组为星形接法，副边两个绕组 都为三角形连接。中压绕组与滤波器支路连接，低压绕组与整流器相连。新型整 流变压器单柱绕组结构如图2 6 所示蚴。 围困困 图2 6 单柱绕组结构 】3 基于新型换流变j 氍器的整流系统n ；化t l 乜解业中的应用研究 一1 i i lii ! 接滤波器接整流器 ! il i i 一l 一j 图2 7 新型整流变压器外接电路图 首先用变压器磁势平衡定律来说明，高压绕组匝数形，电流为，中压绕组 匝数职，电流为，低压绕组匝数职，电流为厶。由于整流器的单向导电作用， 低压绕组电流矗为非j 下弦波形，内面包含了谐波成分，在理想状态时谐波电流如 式( 2 2 ) 所示。这样可以把厶的各次谐波当作激励源，磁路中就有谐波电流的主 磁通，以5 次谐波做分析，；表示第三绕组5 次谐波电流，只，表示第三绕组5 次谐波磁势，矽，。表示5 次谐波励磁磁通。忽略5 次谐波励磁磁势，磁势平衡方 程可以写出为e ，= 正，+ 五，则曩，= e ，一五，当e ，= 五，时，e ，= 0 ，即网侧5 次谐波电流厶，= 0 ，这就是新型整流变压器的理论依据。 图2 8 单相三个绕组磁动势图 根据新型整流变压器单相等效阻抗电路图2 9 ，谐波电流等效为谐波电流源， 三个短路阻抗为z k l 2 、z k l 3 、z m 3 ，分别为高压与中压之间短路阻抗、高压与低 压之间短路阻抗、中压与低压之间短路阻抗。z l 、z 2 、z 3 分别为高压绕组、中压 绕组和低压绕组的等效漏阻抗，它们之间满足下列关系： i z l = ( z 肌+ z 舢一z k 2 3 ) 2 z 2 = ( z 肌+ z 鼻2 3 一z 舢) 2 ( 2 6 ) 【z 3 = ( z k l 3 + z k 2 3 一z 足1 2 ) 2 1 4 硕十学位论文 图2 9 新型整流变压器单相三个绕组等效电路图 若在滤波绕组2 上接对刀次谐波调谐的滤波器，如图2 1 0 所示，则对于从 阀侧绕组3 回馈的刀次谐波电流，在一次绕组1 和滤波绕组3 上将产生分流效果。 对于，z 次谐波电流，滤波绕组3 与船次调谐滤波器所在支路呈极小的阻抗，故谐 波电流绝大部分被分流至滤波绕组3 与刀次调谐滤波器所在支路上，这样就限制 了刀次谐波的流通路径，起到了使刀次谐波与变压器一次绕组隔离屏蔽的作用。 对于基波而言，滤波绕组3 与刀次调谐滤波器所在支路呈容性，故在谐波屏蔽的 同时又起到对基波补偿的作用。 图2 1 0 单相三绕组谐波屏蔽变压器等效电路 其实，这种新型整流变压器及其滤波器系统谐波屏蔽的实质可用下列公式 表示： j 一警2 巳2 c r + ，y ， 。2 ， 1 【厶j l 拈c o , , l a - 赤 式中，肛整流变压器滤波绕组和滤波器的等效电阻，足一整流变压器滤波 绕组和滤波器的等效电抗，矗广特征频率的谐波电流，岛一谐波电势，矽一磁链， 己。一整流变压器滤波绕组和滤波器的等效电感，c l 滤波器电容。 当。轴o 、月叶o 时，根据公式得出：乇有谐波源决定，岛_ o ，纯幅值一0 。 因此，这种新型滤波方式是通过削弱谐波磁通来达到了新型整流变压器降噪和谐 波屏蔽的效果。 2 3 2 谐波屏蔽变压器的技术特点 根据前文对谐波屏蔽变压器的谐波抑制原理和绕组结构的分析，总结该类变 压器具有以下几个方面的技术特点： 基于新型换流变j f 器的整流系统神：化tl 乜舻f 业中的j 衄用研究 ( 1 ) 谐波屏蔽变压器的每相由3 个绕组构成，即一次侧电源绕组、二次侧负 载绕组和二次侧滤波绕组； ( 2 ) 二次侧滤波绕组的等值阻抗按零阻抗设计，使得滤波器可采用全调谐设 计方法进行设计，使其完全工作于谐振点，从而获得最佳的滤波效果； ( 3 ) 两个二次绕组应尽可能耦合紧密，以保证一次绕组的谐波电流接近零； ( 4 ) 为了尽可能降低因系统频率、滤波器参数偏移和滤波绕组等值阻抗变化 造成谐波抑制变压器的谐波抑制效果，保证一次侧绕组的谐波电流尽可能小，一 次侧绕组的等值阻抗应设计得稍大一些。 2 3 3 新型整流变压器设计容量的计算 新型整流变压器的结构设计时，根据前面分析可知，不计换相过程时，各绕 组中谐波电流较大，从安全角度考虑，下面将以不计算换相过程为参考，来计算 其设计容量。 以y 联结组整流变压器为例，由式( 2 1 ) 可得直流电压砜与阀侧绕组相电压 有效值之间的关系： 2 豪u d 4 3 2 轰u u ( 2 8 ) 由图2 2 可求得阀侧绕组电流有效值与直流电流的关系： k = 肛万1 = 孚l ( 2 9 ) 由( 2 8 ) 、( 2 9 ) 即可求阀侧绕组容量：& = 1 0 5 尸d ；同样，网侧绕组容量s l 与& 是相同的；把额定直流电压：阮= 4 1 5v 、额定直流电流：d = 2 2 0 0 0 a 、额定直 流输出功率：n = 9 1 3 0 k w 代入到( 2 8 ) 、( 2 9 ) 中，得： 网侧绕组绕组容量：s 】= 1 0 8 8 5 5 2 3k v a ；绕组电压：翻中= 2 0 2 0 7 v ；绕组电流： 石中= 17 9 8a ；阀侧绕组绕组容量：& = 10 8 8 5 5 2 3 k v a ；绕组电压：以m = 3 5 0v ； 绕组电流：五中= 1 0 3 7 0 。8 a ；考虑整流器的消耗的无功功率，则滤波侧绕组的设计 容量取为：绕组容量：岛= 3 9 0 0k v a ；绕组电压：蹋m = 1 0 0 0 0 v ；绕组电流： 五中= 1 3 0a ；最后得新型整流变压器的设计容量：蹦s l + & 坞) 2 = 1 2 8 4 m v a 。 2 4 算例仿真验证 为了验证基于新型整流变压器及其滤波系统谐波抑制机理的先进性和工程 可行性，结合“湖南省重大科技专项”支持建设的基于新型整流变压器及其滤波系 统的直流输电系统研究开发平台，分别建立了基于新型整流变压器的6 脉波化工 1 6 硕十学位论文 电解整流系统和基于传统整流变压器的1 2 脉波化工电解整流系统的仿真模型，并 对两种模型下的换流变压器阀侧、网侧绕组中的电流频谱结果及无功电流进行对 比分析。 1 基于新型整流变压器的6 脉波化工电解整流系统的仿真模型参数如下： ( 1 ) 交流网侧电源为线电压3 5 k v 、频率5 0 h z 的三相对称输电母线； ( 2 ) 新型换流变压器由3 台单相三绕组变压器按图2 1 2 所示的接线方案构成， 3 台单相三绕组变压器参数完全相同，其总额定容量：s = 1 2 8 4 m v a ；一次绕组、 阀侧绕组和滤波绕组线电压比：3 5 0 0 0 v 3 5 0 v 1 0 0 0 0 v ，一次绕组、阀侧绕组和 滤波绕组的等值阻抗分别为：0 0 2 q 、0 0 0 2 q 、0 0 0 0 2 q ； ( 3 ) 阀侧滤波支路由采用全调谐设计方法设计的5 、7 、1 1 和1 3 次单调谐滤波 器组成，交流网侧配置二阶高通滤波器，新系统下的阀侧滤波器及交流网侧接入 的二阶高通滤波器的具体参数，在本论文的第3 章中详细给出； ( 4 ) 直流侧额定电压：乩= 4 1 5 v ；额定功率：尸d = 9 1 3 0 k w 整流器采用三 相全控桥，触发角o r = 7 0 ；平波电抗器：l d = 4 m h 。 图2 1 1 给出基于新型整流变压器及其滤波系统的化工电解整流供电系统的 仿真模型。电解槽负载的等效电路模型为电阻与电容