小型机组励磁整流变压器的选型与计算-电气设计论文

1、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

2、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。11 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。12 整流变压器的形式：采用环氧干式变压器。

3、容量一般在10100kVA内，标称一次电压（网端）400V，二次电压（阀端）100V以内，电流100300A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。13 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1030。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。14 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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、器的正常运行不构成什么影响。电压调整系数为nU1/400简易计算时, 可以通取U1= 440V, 能适应大多数电网条件（400V470V）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1.61.8倍的强励电压，即变压器的二次电压需是额定值的1.61.8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1.61.8倍的数值来选取二次电

9、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)/

10、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 /U22.34（或UE / U21.17）；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，

11、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+

12、3.46IE（W）变压器容量的计算：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）= 2.63 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

13、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，y112）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

14、/400 = 1.14）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 = 0.07736）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9.7A8）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

15、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