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小型機(jī)組勵(lì)磁整流變壓器的選型與計(jì)算工學(xué)論文
摘要：整流變壓器的選型和計(jì)算是發(fā)電機(jī)用戶經(jīng)常遇到的技術(shù)問題。由于小水電的特殊環(huán)境條件，經(jīng)典理論計(jì)算公式的結(jié)果往往不符合實(shí)際，本文就此作一些探討，提出一組簡(jiǎn)明的計(jì)算方法。本文的討論基于如下的條件：400V低壓同步發(fā)電機(jī)組，并網(wǎng)運(yùn)行，三相晶閘管整流，基層用戶使用的角度（用戶向制造商提供訂貨數(shù)據(jù)，不涉及變壓器制造的參數(shù)設(shè)計(jì)）
關(guān)鍵詞：干式整流變壓器 晶閘管整流 勵(lì)磁 同步發(fā)電機(jī) 小水電
1.概述
在小水電勵(lì)磁設(shè)備的選型配套或維修升級(jí)的工作中，電站用戶常常遇到整流變壓器參數(shù)計(jì)算的問題。很多電工設(shè)計(jì)手冊(cè)都提供了整流變壓器的設(shè)計(jì)公式，但這些公式適用的是標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用條件，與小水電的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境有所差別，據(jù)此設(shè)計(jì)的變壓器可能不太切合實(shí)際。同時(shí)小水電基層的專業(yè)技術(shù)人員也缺乏，用戶通常覺得整流變壓器的選型計(jì)算很困難。因此為基層用戶提出一個(gè)簡(jiǎn)明計(jì)算方法是很有必要的。
1.1 整流方式的選擇：目前低壓機(jī)組基本上都采用自勵(lì)式靜止晶閘管勵(lì)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兩種。全波整流的變壓器效率比較高（95％），波形比較好。半波整流的硅元件較少，但變壓器二次繞組有直流電流通過(guò)，效率比較低（74％），波形畸變大，用在小于10kW的整流電路，不過(guò)一些早期設(shè)計(jì)的較大機(jī)組也是半波整流。兩類整流方式的變壓器計(jì)算公式有所不同。
1.2 整流變壓器的形式：采用環(huán)氧干式變壓器。容量一般在10－100kVA內(nèi)，標(biāo)稱一次電壓（網(wǎng)端）400V，二次電壓（閥端）100V以內(nèi)，電流100－300A內(nèi)。由于容量比較小，與整流裝置同置一個(gè)配電盤體內(nèi)。整流變壓器冷卻方式是自冷，在盤側(cè)不安裝封閉板時(shí)，散熱條件比較好。
1.3 絕緣等級(jí)與散熱方式：小水電使用的干式環(huán)氧變壓器的絕緣等級(jí)一般是B級(jí)，絕緣系統(tǒng)最高耐溫為130℃，因此變壓器滿負(fù)荷工作時(shí)的外表溫度有燙手是正常的。如果對(duì)變壓器加以有效的強(qiáng)制風(fēng)冷，其輸出功率可以提高10％～30％。反之，如果變壓器是工作在密封的配電箱里，散熱條件不良，它的電流容量就必需降低10％或更多。
1.4 阻抗電壓：在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)中，有可能存在整流管擊穿或直流回路短路等因素，故整流變壓器的短路阻抗電壓要比普通的變壓器要高，以限制過(guò)大的短路電流。短路阻抗電壓的參數(shù)由變壓器制造廠設(shè)計(jì)，我們不作討論，但用戶在向廠家訂貨時(shí)必需要注明是晶閘管整流變壓器。
2、接線組別
整流變壓器的接線組別必須與晶閘管整流控制要求的相位相配合。如果是新的設(shè)計(jì)，可以按以下原則來(lái)考慮。
一般采用D，y11的方式，即網(wǎng)側(cè)（一次）采用△接法，閥側(cè)（二次）采用y接法。此接法的二次相電壓比一次相電壓在相位上落后30°。
D，y11的接法同時(shí)適應(yīng)三相半波和全波兩種整流形式。如果現(xiàn)有的整流變壓接線組別是Y，d11，那也可以使用，但不能用于三相半波整流。
至于Y，y的接線組別就不推薦使用。我們知道三相可控整流產(chǎn)生的三次諧波電壓非常高，可達(dá)基波值的50%以上， 而變壓器的D接法可以使其三次諧波磁通抵消，把影響降低到最小。但如果采用Y，y的接線組，整流電路產(chǎn)生的三次諧波的磁通無(wú)閉合回路不能抵消。過(guò)高的三次諧波會(huì)使電波形畸變過(guò)大，影響到變壓器及發(fā)電機(jī)和其它儀表電器設(shè)備的正常運(yùn)行。
電站向廠商提出訂貨數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)說(shuō)明清楚變壓器的連接組別， 一、二次電壓（同時(shí)必需注明是相或線電壓）。
3、一次線電壓U1的選擇
小型機(jī)組的機(jī)端額定線電壓是400V，但小型水電站一般都處于電網(wǎng)的遠(yuǎn)端，離變電站線路很長(zhǎng)阻抗大。造成末端的網(wǎng)電壓過(guò)高，尤其是在豐水期發(fā)電高峰時(shí)段，網(wǎng)電壓（機(jī)端）往往高達(dá)460V以上。如果此時(shí)一次電壓還是按照400V來(lái)設(shè)計(jì)，變壓器就會(huì)承受過(guò)電壓，使損耗增大，發(fā)熱超標(biāo)。
整流變壓器的鐵損與其承受電壓倍數(shù)比成4次方的關(guān)系，例如按400V設(shè)計(jì)的整流變壓器，在1.2倍（480V）電壓下運(yùn)行時(shí)，其鐵損的增加到（480/400）4=2.07倍。這些損耗最終都在變壓器內(nèi)轉(zhuǎn)為熱量，使變壓器的溫升大增。
更有甚者，當(dāng)電源電壓超高到達(dá)一定程度后，變壓器的鐵心的磁通密度就會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)，使一次側(cè)電流激增以致線圈燒毀。一些整流變壓器的設(shè)計(jì)制造時(shí)由于成本的考慮，選取鐵心的磁通密度Bm值偏高，而一次繞組的電壓值仍然選取400V，故在網(wǎng)電壓過(guò)高地區(qū)燒毀變壓器的例子并不罕見。
對(duì)此就應(yīng)該適當(dāng)加大一次繞組的電壓值，以使網(wǎng)電壓升高＋20%變壓器也能應(yīng)付工作。一般變壓器尚有5%的電壓過(guò)載能力，故我們可用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)選取一次側(cè)繞組額定線電壓值
U1=0.95U1（MAX），
式中，U1（MAX）是網(wǎng)電（折合到機(jī)端）的最高電壓值。計(jì)算結(jié)果若小于400V則按400V選取。
一次電壓選取值增加后，二次電壓也應(yīng)該增加同樣的比值，保持變壓比不變，以維持勵(lì)磁電壓與機(jī)端電壓相同比例地增減，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)電壓越高，需要的勵(lì)磁功率就越大。
提高一次電壓的做法，等效于增加每伏圈數(shù)，都是為了降低變壓器鐵心的磁通密度。防止進(jìn)入磁通密度曲線的飽和段。帶來(lái)的好處還有降低了變壓器的空載電流和鐵損。
當(dāng)然這樣也有些負(fù)面影響，因繞組圈數(shù)加多，使變壓器內(nèi)阻增大，電流損耗（銅損）略有增加，但對(duì)變壓器的正常運(yùn)行不構(gòu)成什么影響。電壓調(diào)整系數(shù)為n＝U1/400
簡(jiǎn)易計(jì)算時(shí)，可以通取U1= 440V，能適應(yīng)大多數(shù)電網(wǎng)條件（400V-470V）的要求。
4、二次電壓U2的計(jì)算
二次電壓的選取值關(guān)系到勵(lì)磁系統(tǒng)的頂值（強(qiáng)勵(lì)）電壓，最大勵(lì)磁電流、晶閘管導(dǎo)通角和諧波失真、整流電路的功率因數(shù)等等。
按有關(guān)規(guī)范，勵(lì)磁電路要提供1.6～1.8倍的強(qiáng)勵(lì)電壓，即變壓器的二次電壓需是額定值的1.6～1.8倍。但是實(shí)際上，我國(guó)的小水電機(jī)組很少有自成孤立電網(wǎng)運(yùn)行的，絕大部分都是并入大電網(wǎng)售電運(yùn)行，沒有向電網(wǎng)提供強(qiáng)勵(lì)功率的需要和能力——須知大電網(wǎng)容量極大，單個(gè)小水電機(jī)組的對(duì)它的影響是微不足道的。
如果按提高1.6～1.8倍的數(shù)值來(lái)選取二次電壓，整流電壓就比較高，晶閘管整流系統(tǒng)勵(lì)磁時(shí)長(zhǎng)期處于被深控的狀態(tài)，晶閘管的導(dǎo)通角小，波形畸變?cè)龃�，功率因�?shù)變差，故障的短路電流變大，這些因素都對(duì)變壓器和機(jī)組設(shè)備運(yùn)行不利。同時(shí)在相同的變壓器功率容量下，電壓高了必然導(dǎo)致電流降低，線圈繞組的導(dǎo)線截面積下降，電流損耗也增大。
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，選擇最大整流電壓為額定勵(lì)磁電壓的1.3倍就比較適中，除了處理避免上述電壓過(guò)高的缺點(diǎn)以外，也保留了一定的整流功率裕量，適應(yīng)了運(yùn)行條件變化的要求。
相電壓U2的計(jì)算式
三相全波整流 U2 =1.3×1.06（nUE+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
對(duì)上式各項(xiàng)的解釋：
UE—發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓（V）；
系數(shù)1.3—如前所述，是勵(lì)磁電壓的裕量值；
系數(shù)1.06—電流滿負(fù)載時(shí)變壓器內(nèi)阻漏抗引起電壓降的補(bǔ)償值。這里用簡(jiǎn)單的一個(gè)固定數(shù)值來(lái)代替復(fù)雜計(jì)算，誤差也不太大；
n—電壓調(diào)整系數(shù)，見上節(jié)所述；
系數(shù)2.34（或1.17）—三相全波（或半波）整流元件全導(dǎo)通時(shí)輸出直流電壓與輸入交流相電壓的比值， 即UE /U2＝2.34（或UE / U2＝1.17）；
數(shù)字2.5（或1.7）—?jiǎng)?lì)磁回路的電壓降的總和，其中包括整流元件的正向壓降（1.5V或0.75V），以及饋電導(dǎo)線和碳刷集電環(huán)的壓降（1.0 V）。
變壓比K=U2 / U1.
簡(jiǎn)易計(jì)算時(shí)，可把上式結(jié)果的第一、二項(xiàng)合并，有U2 = 0.71 UE （全波），或U2=1.4 UE（半波）
5、電流的計(jì)算
三相全波整流一次電流I2＝0.816 K IE，二次相電流I1＝0.816 IE
三相半波整流一次電流I2＝0.472 K IE，二次相電流I2＝0.577 IE
這里的I1值尚未考慮變壓器的效率。
6、功率的計(jì)算
勵(lì)磁功率： PE = UEIE（W）
變壓器二次側(cè)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）
變壓器容量的計(jì)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）= 2.63n PE + 4.46 IE（VA）
式中，0.8為變壓器的額定功率因數(shù)，97%為變壓器一次側(cè)效率。
簡(jiǎn)易計(jì)算時(shí)，可把上式結(jié)果的第一、二項(xiàng)合并，有
S1 = 2.2 PE（全波用），或S1 = 3 PE（半波用）
在實(shí)際的訂貨中我們有時(shí)發(fā)現(xiàn)，某些廠商為了降低成本，變壓器制造的用料偏緊，使變壓器運(yùn)行溫升偏高。 在這種情況下為保險(xiǎn)起見，最好把訂貨的變壓器容量加大10% 來(lái)應(yīng)付，此時(shí)變壓器的電壓數(shù)值不改變，一、二次電流要按比例提高。
7、計(jì)算實(shí)例
某小型水電站需訂購(gòu)一勵(lì)磁整流變壓器， 發(fā)電機(jī)參數(shù)為：
發(fā)電機(jī)功率400kW， 額定電壓400V， 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓UE= 49.4V，勵(lì)磁電流IE = 153A.
工作條件：勵(lì)磁裝置為晶閘管三相全波半控整流，機(jī)組并大電網(wǎng)運(yùn)行， 網(wǎng)電最高電壓（機(jī)端）460V.
求解步驟如下
1）連接組 D，y11
2）勵(lì)磁功率PE= UEIE = 49.4×153 = 7558.2 （W）
3）一次線電壓U1 = 460×0.95 = 437（V），取440V
電壓調(diào)整系數(shù)n =U1/400 = 1.1
4）二次相電壓U2= 0.59nUE+1.07 = 0.59×1.1×49.4+1.07 = 33.13V，可選34V；
5）變壓比K= U2/U1=34/440=0.0773
6）二次電流I2= 0.816 IE =0.816×153 =124.85（A），可選125A.
7）一次電流I1=0.816 KIE =0.816×153×0.0773 =9.65（A），可選9.7A
8）功率容量S1=1.87nPE+ 4.64IE=1.87×1.1×7558.2 + 4.64×153
= 16257（VA），可選17 kVA
最后，填寫訂貨清單：
三相干式整流變壓器訂貨數(shù)據(jù)
變壓器容量：17 kVA 連接組：D，y11
電壓比：440 V（線）/ 34 V（相） 電流（一次電流可不報(bào)）：9.7 A / 125 A
功率因數(shù)：0.80 工作制：長(zhǎng)期連續(xù)工作
按照本文的計(jì)算結(jié)果，在額定工況時(shí)變壓器的負(fù)載率為0.77， 處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。額定勵(lì)磁電流輸出時(shí)整流晶閘管的控制角約65°。
8、簡(jiǎn)易計(jì)算方法
發(fā)電機(jī)參數(shù)同前，勵(lì)磁電壓UE=49.4V，勵(lì)磁電流IE=153A.
勵(lì)磁功率：P = 40.3×161.4 =7558.24 （W）
通取一次線電壓：U1= 440V
三相半波整流時(shí)
二次相電壓 U2=1.4 UE =1.4×49.4=69.2 V，可選70V
變壓器容量S1=3×7558. =22674（VA），可選23 kVA
三相全波整流時(shí)
二次相電壓 U2 =0.71 UE =0.71×49.4 =35.1（V），可選35V
變壓器容量 S1 =2.2×7558.2=1662（VA），選17 kVA
與上節(jié)的計(jì)算結(jié)果比較可見，簡(jiǎn)易計(jì)算方法的誤差并不大，可以付諸應(yīng)用。在勵(lì)磁電壓UE較大時(shí)，簡(jiǎn)易法的U2值會(huì)稍微偏大，但對(duì)實(shí)際運(yùn)行的影響無(wú)礙。
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