小型机组励磁整流变压器的选型与计算论文

小型机组励磁整流变压器的选型与计算 摘 要 ：整流变压器的选型和计算是发电机用户经常遇到的技术问题。由于小水电的特殊环境条件，经典理论计算公式的结果往往不符合实际，本文就此作一些探讨，提出一组简明的计算方法。本文的讨论基于如下的条件： 400V 低压同步发电机组，并网运行，三相晶闸管整流，基层用户使用的角度（用户向制造商提供订货数据，不涉及变压器制造的参数设计） 关键字 ：干式整流变压器 晶闸管整流 励磁 同步发电机 小水电 1.概述 在小水电励磁设备的选型配套或维修升级的工作中，电站用户常常遇到整流 变压器参数计算的问题。很多电工设计手册都提供了整流变压器的设计公式，但这些公式适用的是标准的应用条件，与小水电的实际运行环境有所差别，据此设计的变压器可能不太切合实际。同时小水电基层的专业技术人员也缺乏 , 用户通常觉得整流变压器的选型计算很困难。因此为基层用户提出一个简明计算方法是很有必要的。 1 1 整流方式的选择：目前低压机组基本上都采用自励式静止晶闸管励磁方式。其整流方式一般有三相全波半控整流和三相半波整流两种（图 1） .全波整流的变压器效率比较高（ 95），波形比较好。半波整流的硅元件较少，但变压 器二次绕组有直流电流通过，效率比较低（ 74），波形畸变大，用在小于 10kW 的整流电路 ,不过一些早期设计的较大机组也是半波整流。两类整流方式的变压器计算公式有所不同。 1 2 整流变压器的形式：采用环氧干式变压器。容量一般在 10 100kVA 内，标称一次电压（网端） 400V，二次电压（阀端） 100V以内，电流 100 300A 内。由于容量比较小，与整流装置同置一个配电盘体内。整流变压器冷却方式是自冷，在盘侧不安装封闭板时，散热条件比较好。 1 3 绝缘等级与散热方式：小水电使用的干式环氧变压器的绝缘等 级一般是 B级，绝缘系统最高耐温为 130 ，因此变压器满负荷工作时的外表温度有烫手是正常的。如果对变压器加以有效的强制风冷，其输出功率可以提高 10 30。反之，如果变压器是工作在密封的配电箱里，散热条件不良，它的电流容量就必需降低 10或更多。 1 4 阻抗电压：在发电机的励磁系统中，有可能存在整流管击穿或直流回路短路等因素，故整流变压器的短路阻抗电压要比普通的变压器要高，以限制过大的短路电流。短路阻 抗电压的参数由变压器制造厂设计，我们不作讨论，但用户在向厂家订货时必需要注明是晶闸管整流变压器。 2 接线组别 整流变压器的接线组别必须与晶闸管整流控制要求的相位相配合。如果是新的设计，可以按以下原则来考虑。 一般采用 D， y11 的方式，即网侧（一次）采用 接法，阀侧（二次）采用 y 接法。此接法的二次相电压比一次相电压在相位上落后30 。 D,y11 的接法同时适应三相半波和全波两种整流形式。如果现有的整流变压接线组别是 Y， d11，那也可以使用，但不能用于三相半波整流。 至于 Y， y 的接线组别就不推荐使用。我们知道三相可控整流产生的三次谐波电压非常高，可达基波值的 50%以上 , 而变压器的 D接法可以使其三次谐波磁通抵消，把影响降低到最小。但如果采用 Y，y 的接线组，整流电路产生的三次谐波的磁通无闭合回路不能抵消。过高的三次谐波会使电波形畸变过大，影响到变压器及发电机和其它仪表电器设备的正常运行。 电站向厂商提出订货数据时，应说明清楚变压器的连接组别 , 一、二次电压 (同时必需注明是相或线电压 )。 3 一次线电压 U1 的选择 小型机组的机端额定线电压是 400V,但小型水电站一般都处于电网的远端，离变电站线路很长阻抗大。造成末端的网电压过高，尤其是在丰水期发电高峰时段，网电压（机端）往往高达 460V 以上。如果此时一次电压还是按照 400V来设计，变压器就会承受过电压，使损耗增大，发热超标。 整流变压器的铁损与其承受电压倍数比成 4 次方的关系，例如按400V设计的整流变压器，在 1.2 倍（ 480V）电压下运行时，其铁损的增加到（ 480/400） 4=2.07倍。这些损耗最终都在变压器内转为热量，使变压器的温升大增。 更有甚者，当电源电压超高到达一定程度后，变压器的铁心的磁通密度就会进入饱和区，使一次侧电流激增以致线圈烧毁。一些整流变压器的设计制造时由于成本的考虑，选取铁心的磁通密度 Bm 值偏高，而 一次绕组的电压值仍然选取 400V，故在网电压过高地区烧毁变压器的例子并不罕见。 对此就应该适当加大一次绕组的电压值，以使网电压升高 20 %变压器也能应付工作。一般变压器尚有 5% 的电压过载能力，故我们可用经验公式来选取一次侧绕组额定线电压值 U1=0.95U1（ MAX） , 式中， U1（ MAX）是网电（折合到机端）的最高电压值 . 计算结果若小于 400V 则按 400V选取。 一次电压选取值增加后，二次电压也应该增加同样的比值，保持变压比不变，以维持励磁电压与机端电压相同比例地增减，因为 发电机电压越高，需要的励磁功率就越大。 提高一次电压的做法，等效于增加每伏圈数，都是为了降低变压器铁心的磁通密度。防止进入磁通密度曲线的饱和段。带来的好处还有降低了变压器的空载电流和铁损。 当然这样也有些负面影响，因绕组圈数加多，使变压器内阻增大，电流损耗（铜损）略有增加，但对变压器的正常运行不构成什么影响。电压调整系数为 n U1/400 简易计算时 , 可以通取 U1= 440V, 能适应大多数电网条件（ 400V 470V）的要求。 4 二次电压 U2的计算 二次电压的选取值关系到励磁系统 的顶值（强励）电压，最大励磁电流、晶闸管导通角和谐波失真、整流电路的功率因数等等。 按有关规范，励磁电路要提供 1.6 1.8 倍的强励电压，即变压器的二次电压需是额定值的 1.6 1.8倍。但是实际上，我国的小水电机组很少有自成孤立电网运行的，绝大部分都是并入大电网售电运行，没有向电网提供强励功率的需要和能力 须知大电网容量极大，单个小水电机组的对它的影响是微不足道的。 如果按提高 1.6 1.8 倍的数值来选取二次电压，整流电压就比较高，晶闸管整流系统励磁时长期处于被深控的状态，晶闸管的导通角小，波形畸 变增大，功率因数变差 ,故障的短路电流变大，这些因素都对变压器和机组设备运行不利。同时在相同的变压器功率容量下，电压高了必然导致电流降低，线圈绕组的导线截面积下降，电流损耗也增大。 根据我们的经验，选择最大整流电压为额定励磁电压的 1.3 倍就比较适中，除了处理避免上述电压过高的缺点以外，也保留了一定的整流功率裕量，适应了运行条件变化的要求。 相电压 U2 的计算式 三相全波整流 U2 =1.3*1.06（ n UE+2.5） /2.34 =0.59nUE+ 1.47 三相半波整流 U2 =1.3*1.06 (nUE +1.7)/1.17 =1.18 nUE+ 2.0 对上式各项的解释： UE 发电机额定励磁电压（ V）； 系数 1.3 如前所述，是励磁电压的裕量值； 系数 1.06 电流满负载时变压器内阻漏抗引起电压降的补偿值。这里用简单的一个固定数值来代替复杂计算，误差也不太大； n 电压调整系数，见上节所述； 系数 2.34（或 1.17） 三相全波（或半波）整流元件全导通时输出直流电压与输入交流相电压的比值 , 即 UE /U2 2.34（或 UE / U2 1.17）； 数字 2.5（或 1.7） 励磁回路的电压降的总和 ,其中包括整流元件的正向压降（ 1.5V 或 0.75V） ,以及馈电导线和碳刷集电环的压降（ 1.0 V） . 变压比 K=U2 / U1。 简易计算时，可把上式结果的第一、二项合并，有 U2 = 0.71 UE (全波 )，或 U2=1.4 UE(半波 ) 5 电流的计算 三相全波整流一次电流 I2 0.816 K IE,二次相电流 I1 0.816 IE 三相半波整流一次电流 I2 0.472 K IE,二次相电流 I2 0.577 IE 这里的 I1 值尚未考虑变 压器的效率。 6 功率的计算 励磁功率： PE = UEIE（ W） 变压器二次侧功率： 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） 变压器容量的计算： 全波整流 S1=P2/（ 0.8 * 97） =1.29 P2 1.29（ 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） = 2.63 n PE + 4.46 IE（ VA） 式中， 0.8为变压器的额定功率因数 , 97%为变压器一次侧效率。 简易计算时，可把上式结果的第一、二项合并，有 S1 = 2.2 PE（全波用），或 S1 = 3 PE（半波用） 在实际的订货中我们有时发现 ,某些厂商为了降低成本 ,变压器制造的用料偏紧 ,使变压器运行温升偏高 . 在这种情况下为保险起见 , 最好把订货的变压器容量加大 10% 来应付 ,此时变压器的电压数值不改变 , 一、二次电流要按比例提高。 7 计算实例 某小型水电站需订购一励磁整流变压器 , 发电机参数为： 发电机功率 400kW, 额定电压 400V, 发电机励磁电压 UE= 49.4V,励磁电流 IE = 153A. 工作条件：励磁装置为晶闸管三相全波半控整流，机组并大电网运行 , 网电最高电压（机端） 460V。 求解步骤如下 1）连接组 D， y11 2）励磁功率 PE= UEIE = 49.4153 = 7558.2 （ W） 3）一次线电压 U1 = 4600.95 = 437 （ V） ,取 440V 电压调整系数 n =U1/400 = 1.1 4）二次相电压 U2= 0.59nUE+1.07 = 0.591.149.4+1.07 = 33.13V,可选 34V; 5）变压比 K = U2/U1=34/440 = 0.0773 6）二次电流 I2 = 0.816 IE = 0.816153 = 124.85 （ A） ,可选 125A. 7）一次电流 I1 = 0.816 KIE =0.8161530.0773 = 9.65（ A） ,可选 9.7A 8）功率容量 S1= 1.87nPE+ 4.64 IE=1.871.17558.2 + 4.64153 = 16257（ VA） , 可选 17 kVA 最后 , 填写订货清单： 三相干式整流变压器订货数据 变压器容量： 17 kVA 连接组： D， y11 电压比： 440 V（线） / 34 V（相） 电流（一次电流可不报）： 9.7 A / 125 A 功率因数： 0.80 工作制：长期连续工作 按照本文的计 算结果，在额定工况时变压器的负载率为 0.77, 处于经济运行状态。额定励磁电流输出时整流晶闸管的控制角约 65 。 我们用 ms excel（电子表格）软件编写了计算程序 , 计算时只需把三个参数 : 励磁电压 UE、电流 IE和最高网电压 U1（ MAX）输入 , 程序即自动计算出整流变压器的全部数据 , 给出订货清单。此程序在深圳普威尔电气公司的网站（ ）上可以链接下载 , 或该网站可以代行计算 8简易计算方法 发电机参数同前，励磁电压 UE= 49.4V,励磁电流 IE = 153A. 励磁功 率 : P = 40.3161.4 = 7558.24 （ W） 通取一次线电压 :U1 = 440V 三相半波整流时 二次相