小型機組勵磁整流變壓器的選型與計算論文

小型機組勵磁整流變壓器的選型與計算 摘 要 ：整流變壓器的選型和計算是發(fā)電機用戶經(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)典理論計算公式的結(jié)果往往不符合實際，本文就此作一些探討，提出一組簡明的計算方法。本文的討論基于如下的條件： 400V 低壓同步發(fā)電機組，并網(wǎng)運行，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） 關(guān)鍵字 ：干式整流變壓器 晶閘管整流 勵磁 同步發(fā)電機 小水電 1.概述 在小水電勵磁設(shè)備的選型配套或維修升級的工作中，電站用戶常常遇到整流 變壓器參數(shù)計算的問題。很多電工設(shè)計手冊都提供了整流變壓器的設(shè)計公式，但這些公式適用的是標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用條件，與小水電的實際運行環(huán)境有所差別，據(jù)此設(shè)計的變壓器可能不太切合實際。同時小水電基層的專業(yè)技術(shù)人員也缺乏 , 用戶通常覺得整流變壓器的選型計算很困難。因此為基層用戶提出一個簡明計算方法是很有必要的。 1 1 整流方式的選擇：目前低壓機組基本上都采用自勵式靜止晶閘管勵磁方式。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（圖 1） .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，效率比較低（ 74），波形畸變大，用在小于 10kW 的整流電路 ,不過一些早期設(shè)計的較大機組也是半波整流。兩類整流方式的變壓器計算公式有所不同。 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，散熱條件比較好。 1 3 絕緣等級與散熱方式：小水電使用的干式環(huán)氧變壓器的絕緣等 級一般是 B級，絕緣系統(tǒng)最高耐溫為 130 ，因此變壓器滿負荷工作時的外表溫度有燙手是正常的。如果對變壓器加以有效的強制風(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)電機的勵磁系統(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，我們不作討論，但用戶在向廠家訂貨時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，可以按以下原則來考慮。 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閉合回路不能抵消。過高的三次諧波會使電波形畸變過大，影響到變壓器及發(fā)電機和其它儀表電器設(shè)備的正常運行。 電站向廠商提出訂貨數(shù)據(jù)時，應(yīng)說明清楚變壓器的連接組別 , 一、二次電壓 (同時必需注明是相或線電壓 )。 3 一次線電壓 U1 的選擇 小型機組的機端額定線電壓是 400V,但小型水電站一般都處于電網(wǎng)的遠端，離變電站線路很長阻抗大。造成末端的網(wǎng)電壓過高，尤其是在豐水期發(fā)電高峰時段，網(wǎng)電壓（機端）往往高達 460V 以上。如果此時一次電壓還是按照 400V來設(shè)計，變壓器就會承受過電壓，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)計的整流變壓器，在 1.2 倍（ 480V）電壓下運行時，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)電源電壓超高到達一定程度后，變壓器的鐵心的磁通密度就會進入飽和區(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)計制造時由于成本的考慮，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)電壓過高地區(qū)燒毀變壓器的例子并不罕見。 對此就應(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% 的電壓過載能力，故我們可用經(jīng)驗公式來選取一次側(cè)繞組額定線電壓值 U1=0.95U1（ MAX） , 式中， U1（ MAX）是網(wǎng)電（折合到機端）的最高電壓值 . 計算結(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，以維持勵磁電壓與機端電壓相同比例地增減，因為 發(fā)電機電壓越高，需要的勵磁功率就越大。 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。防止進入磁通密度曲線的飽和段。帶來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，但對變壓器的正常運行不構(gòu)成什么影響。電壓調(diào)整系數(shù)為 n U1/400 簡易計算時 , 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的計算 二次電壓的選取值關(guān)系到勵磁系統(tǒng) 的頂值（強勵）電壓，最大勵磁電流、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，勵磁電路要提供 1.6 1.8 倍的強勵電壓，即變壓器的二次電壓需是額定值的 1.6 1.8倍。但是實際上，我國的小水電機組很少有自成孤立電網(wǎng)運行的，絕大部分都是并入大電網(wǎng)售電運行，沒有向電網(wǎng)提供強勵功率的需要和能力 須知大電網(wǎng)容量極大，單個小水電機組的對它的影響是微不足道的。 如果按提高 1.6 1.8 倍的數(shù)值來選取二次電壓，整流電壓就比較高，晶閘管整流系統(tǒng)勵磁時長期處于被深控的狀態(tài)，晶閘管的導(dǎo)通角小，波形畸 變增大，功率因數(shù)變差 ,故障的短路電流變大，這些因素都對變壓器和機組設(shè)備運行不利。同時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，選擇最大整流電壓為額定勵磁電壓的 1.3 倍就比較適中，除了處理避免上述電壓過高的缺點以外，也保留了一定的整流功率裕量，適應(yīng)了運行條件變化的要求。 相電壓 U2 的計算式 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 對上式各項的解釋： UE 發(fā)電機額定勵磁電壓（ V）； 系數(shù) 1.3 如前所述，是勵磁電壓的裕量值； 系數(shù) 1.06 電流滿負載時變壓器內(nèi)阻漏抗引起電壓降的補償值。這里用簡單的一個固定數(shù)值來代替復(fù)雜計算，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） 勵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。 簡易計算時，可把上式結(jié)果的第一、二項合并，有 U2 = 0.71 UE (全波 )，或 U2=1.4 UE(半波 ) 5 電流的計算 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 功率的計算 勵磁功率： 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為變壓器的額定功率因數(shù) , 97%為變壓器一次側(cè)效率。 簡易計算時，可把上式結(jié)果的第一、二項合并，有 S1 = 2.2 PE（全波用），或 S1 = 3 PE（半波用） 在實際的訂貨中我們有時發(fā)現(xiàn) ,某些廠商為了降低成本 ,變壓器制造的用料偏緊 ,使變壓器運行溫升偏高 . 在這種情況下為保險起見 , 最好把訂貨的變壓器容量加大 10% 來應(yīng)付 ,此時變壓器的電壓數(shù)值不改變 , 一、二次電流要按比例提高。 7 計算實例 某小型水電站需訂購一勵磁整流變壓器 , 發(fā)電機參數(shù)為： 發(fā)電機功率 400kW, 額定電壓 400V, 發(fā)電機勵磁電壓 UE= 49.4V,勵磁電流 IE = 153A. 工作條件：勵磁裝置為晶閘管三相全波半控整流，機組并大電網(wǎng)運行 , 網(wǎng)電最高電壓（機端） 460V。 求解步驟如下 1）連接組 D， y11 2）勵磁功率 PE= UEIE = 49.4153 = 7558.2 （ W） 3）一次線電壓 U1 = 4600.95 = 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 = 0.591.149.4+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 = 0.816153 = 124.85 （ A） ,可選 125A. 7）一次電流 I1 = 0.816 KIE =0.8161530.0773 = 9.65（ A） ,可選 9.7A 8）功率容量 S1= 1.87nPE+ 4.64 IE=1.871.17558.2 + 4.64153 = 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）： 9.7 A / 125 A 功率因數(shù)： 0.80 工作制：長期連續(xù)工作 按照本文的計 算結(jié)果，在額定工況時變壓器的負載率為 0.77, 處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。額定勵磁電流輸出時整流晶閘管的控制角約 65 。 我們用 ms excel（電子表格）軟件編寫了計算程序 , 計算時只需把三個參數(shù) : 勵磁電壓 UE、電流 IE和最高網(wǎng)電壓 U1（ MAX）輸入 , 程序即自動計算出整流變壓器的全部數(shù)據(jù) , 給出訂貨清單。此程序在深圳普威爾電氣公司的網(wǎng)站（ ）上可以鏈接下載 , 或該網(wǎng)站可以代行計算 8簡易計算方法 發(fā)電機參數(shù)同前，勵磁電壓 UE= 49.4V,勵磁電流 IE = 153A. 勵磁功 率 : P = 40.3161.4 = 7558.24 （ W） 通取一次線電壓 :U1 = 440V 三相半波整流時 二次相