移相变压器设计研究Word文档下载推荐.docx
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因此有着广阔的发展前景。
为了消除在整流、逆变、变频等一系列变换过程中所产生的谐波对电网的污染,一般采用整流变压器使多个低压模块叠加(串联)而形成高压输出,其装置示意图如图一所示:
图一
我们知道.交流电动机的同步转速表达式为:
N=60×
f×
(l一s)/p
(1)
式中:
N——异步电动机的转速;
f-异步电动机的频率;
s-电动机转差率;
p-电动机极对数。
由式
(1)可知。
转速N与频率f为线性关系,我们只要改变供给电动机电源的频率就可以达到无级、宽范围的调速。
且在调速过程中不存在励磁滑差和节流作用带来的功率损失。
这是一个50周波的交流电源经过多相脉冲整流变成直流再经过逆变成可以变化频率的交流电源去驱动电动机,然而达到变速的目的。
这种交-直-交的调速系统已逐步替代交-直系统。
3.移相整流变压器的设计研究和技术特点
3.1移相整流变压器的特点
美国罗宾康高压变频器技术是“功率单元串联型高压变频器”结构,这种结构由罗宾康公司最先研制开发,是目前比较流行和应用最广的。
它是采用低压IGBT功率元件构成的高压变频器,也称为H桥串联式多电平或单元级联式高压变频器。
作为功率单元串联型高压变频器的输入端的整流变压器又称为“移相整流变压器”或“移相隔离变压器”。
在电网三相电压的情况下,为了使阀侧(整流后的低压直流侧)输出有更好的波形及减少谐波分量,我们往往采用多相的整流线路。
根据高压变频系统中串联的功率单元数量来设计其二次绕组的数量。
例如:
功率单元串联数为6个.则需要移相整流变压器每一相设计18个低压绕组。
二次绕组采用延边三角形实现移相,整流出来的脉波数为36脉波。
由于移相整流变压器多二次绕组以及三角形接法的特点,决定了其二次绕组的抽头、接线很多,一般采用敞开式设计。
3.2移相整流变压器的等效相数与谐波电流的关系
采用移相整流变压器一方面是为了提高整流效率,也为了降低
谐波分量,而后者往往是人们要进行考核的。
下面列出等效相数与谐波电流的关系,见表一
表一移相整流变压器的等效相数与谐波电流的关系
谐波
电流
次数
等效相数时所产生的n次谐波电流
谐波电流
最大幅值
百分数(%)
6相
12相
18相
24相
产生谐波电流的次数(n)
5
20
7
14
11
9.1
13
7.7
17
5.9
19
5.3
23
4.3
25
4
3.3移相原理
3.3.1常见的移相方式和工作原理
整流变压器与电力变压器最大的不同点在于对等效相数的要求不同,为了提高电能质量,整流变压器的输出电压波形不像电力变压器,在一个周期内只有三个正弦脉波,而是根据网侧电压和装机容量确定在一周期内的脉波数,大型整流变压器的脉波数至少为6个,最多可12个。
所谓等效相数即为一周期内的脉波数P。
如P=6,就是等效相数为6。
普通的整流变压器的脉波数最大只能达到6,对于大功率整流设备,为了提高功率因素,减小网侧谐波电流,必须提高整流设备的脉波数。
为此采用移相的方法来实现。
移相的目的是使整流变压器二次绕组的同名端线电压之间有一个相位移,从而提高整流设备的脉波数。
通常的移相的方式分为星角绕组移相、移相绕组移相、移相自耦变压器移相:
1)星角绕组移相
星角绕组移相又分为二次侧移相和一次侧移相两种。
(1)二次侧移相
二次侧移相比较简单,它仅采用一台整流变压器,一次侧有一个联结成Y或D的三相绕组,二次侧有两个分别联结成y和d的二次绕组。
这两个二次绕组的同名端线电压之间的相位移为30°
。
二次侧采用星角联结成的二次绕组,可以使整流电路的整流设备的脉波数提高一倍,如果采用桥式整流电路,则脉波数可达12。
但它也存在缺陷,星角联结的两个二次绕组的匝数比,理论上应为1:
√3,实际上是做不到的,由于这两个绕组线电压之间存在差别,导致在二组整流器之间产生环流。
(2)一次侧移相
为了克服二次侧移相所存在的缺点,可以采用一次侧移相。
一次侧移相需要采用二台整流变压器并联工作,这二台整流变压器的一次侧分别联结成Y或D,而二次侧均联结成y或d。
这二台整流变压器二次绕组同名端线电压之间的相位移也为30°
,所以整机的脉波数也提高一倍。
2)移相绕组移相
对于大功率整流设备来说,脉波数12已不能满足要求,必须采用脉波数更大的整流机组。
可以采用移相绕组进行移相,移相绕组设置在整流变压器的一次侧。
根据所需脉波数的不同,所需并联工作的整流变压器的台数及各台变压器的移相角也不同。
单台整流变压器脉波数为6时。
机组脉波数P与各台变压器的移相角度α的组合关系见表二。
表二脉波波数与各台变压器的移相角度α的组合关系
脉波数P
并联台数
各台整流变压器一次侧移相角α度
移相角度
种类
最大移相
角度
18
3
+20°
、0°
、-20°
2
20°
24
+22.5°
、+7.5°
、-7.5°
、-22.5°
22.5°
30
+24°
、+12°
、O°
、-12°
、-24°
24°
36
6
+25°
、+15°
、+5°
、-5°
、-15°
、-25°
25°
一次侧移相绕组与主绕组联结方式有三种,即:
曲折形、六边形和延边三角形。
3.3.2本项目的移相方式和工作原理
我们研发的这种移相整流变压器的移相的方式和工作原理不同与上述的几种形式。
它是在一台变压器上实现多脉波,最多可达54脉,甚至更多。
我们知道在电网三相电压的基础上,为了获得均匀分布多脉波阀侧电压,需要将每相阀侧电压在120内均匀展开。
我们采用一次侧绕组联结成Y接,二次侧由多个延边三角形的移相绕组并联在一台变压器上,由这些若干个延边三角形的移相绕组来得到所需要的不同的移相角度,从而得到单台移相整流变压器输出的脉波数P。
18脉波移相整流变压器,在每个铁心柱上有9个延边三角形的二次侧绕组,它们的间隔为360/18=20°
,即各个二次侧绕组的移相角度为+20°
如图二所示:
图二18脉波移相整流变压器的一、二次侧向电压向量图
3.4移相整流变压器的设计要点和计算方法
这种移相整流变压器的计算方法与一般电力变压器的计算有很大的差异,根据我多年的设计经验和对移相整流变压器的研究,提出以下设计要点和计算方法:
(1)额定输出低压的确定
移相整流变压器的额定低压取决于高压变频器的功率单元的承受电压。
例如,当高压变频器的功率单元(低压IGBT)的设计承受电压为690V,每相设计6个功率单元串联。
那么所对应的线电压(Y接)为6000V。
这样,移相整流变压器的额定输出低压也就确定为690V。
(2)每一相的二次绕组数量的确定
根据高压变频器功率单元串联个数和变压器容量大小,可分别为9副边、12副边、15副边、18副边或24副边或更多,以上述为例,每相设计6个功率单元,那么移相整流变压器的每一相的整流二次绕组的数量就为18个副边。
(以上计算只考虑单台移相整流变压器供电的情况,如果是两台移相整流变压器并联供电,高压分别为D和Y接,则每一台移相整流变压器的单相整流二次绕组的数量应该减半。
(3)二次绕组相位差的设计
移相整流变压器的二次绕组的相位差是由整流的脉波数决定的,也就是由高压变频器的功率单元的串联数量决定,以上述为例,每相设计6个功率单元,那么单台移相整流变压器输出的脉波数为6×
6=36脉波。
则二次绕组的相位差为360/36=10°
,那么移相角为:
、-5°
对于9副边的变压器,其移相角为+20°
,各移相组角差20°
;
对于12副边,其移相角为+22.5°
,各移相组角差15°
对于15副边,其移相角为+24°
,各移相组角差为12°
对于18副边,其移相角为+25°
,各移相组角差为10°
对于24副边,其移相角分别为+26.25°
、+18.75°
、+11.25°
、+3.75°
、-3.75°
、-11.25°
、-18.75°
、-26.25°
,各移相组角差为7.5°
延边三角形联结方式分为正序联结和反序(逆序)联结。
由于正序联结时,其移相角是顺时针方式,称为负角度;
反序联结时,其移相角是逆时针方式,称为正角度。
而无论是正序联结还是反序联结,纯三角形时,均作为0°
可将正序联结称为-0°
,反序联结称为+0°
联结方式及移相见图三。
图三主移绕组联结图及电压向量图
从移相上看,根据移相组的多少,在±
30。
角度内,采用等间距的电气角度作为各移相角,就形成上述各移相角度。
各移相组的角度误差及电压误差均控制在最小值,副边各移相组具有相同的电压和电流,但不相同的相位角,各移相组平均总的功率,其电压经整流后叠加,再进行逆变和变频。
(4)延边三角形移相绕组和主绕组电压的计算
按正弦定理可得:
移相绕组电压Uy=U2×
(sinβ/sin1200)=2/
U2sinβ
(2)
主绕组电压Uz=U2×
[sin(600-β)-sin(β)]/sin1200
=2U2sin(300-β)(3)
其中:
U2—变频器单元所需电压(V)
β—所确定的移相角(度)
应根据式
(2),(3)分别计算各移相角所对应的电压。
(5)延边三角形移相绕组和主绕组电流的计算
一次侧电流:
I1=PX103/3/U相(A)(4)
二次侧电流:
移相绕组电流:
Iy=PX103/
U2(A)(5)
每一支路电流:
Iy支=Iy/N(A)(6)
主绕组电流:
Iz=Iy
(A)(7)
Iz支=Iz/N(A)(8)
其中:
P—变压器容量
N—二次侧绕组副边数
应根据式(4)~(8)分别计算各移相角所对应的电流。
(6)延边三角形移相绕组和主绕组的匝数计算
移相绕组匝数Wy=Uy/et(匝)(9)
主绕组匝数Wz=Uz/et(匝)(10)
et–每匝电压(V)
Wy–移相绕组电压(V)
Wz–主绕组电压(V)
应根据式(9)~(10)分别计算各移相角所对应的绕组匝数。
按整流变压器计算所得到的铁心数据及每匝电压只是一个理想值,由于匝数只能取整数,它所组合的电压与移相角都会产生偏差,为了尽量减少偏差,要反复取不同的移相绕组的匝数进行比较,使实际偏差在工程允许的范围内。
(7)额定输入高压的确定
移相整流变压器的额定输入高压由电网的电压等级决定,有3kV、6kV、6.3kV和10kV、10.5kV,调压范围:
±
5%
(8)容量的确定
由于功率单元串联型高压变频器大多数都是电压源型变频器,由于其输入功率因数接近于1(>
0.95),所以额定容量与额定功率几乎相等。
根据美国罗宾康公司技术规范,输出电压选择6000V,输出电流选择260A,输出功率为6000×
260×
1.732=2701.92。
因此可以将移相整流变压器的容量取为2800kVA。
(9)短路阻抗计算
a.一次短路阻抗
一次短路阻抗就是一次侧对低压所有线饼的阻抗,即:
在二次线圈全部短路时,从一次侧读到的阻抗电压值的阻抗。
一次短路阻抗的计算按同心式绕组计算。
绕组联结图和磁势分布图见图四。
图四a)绕组联结图b)磁势分布图
磁势平衡方程式
基准磁势
相对磁势
同心式绕组绕组电抗
[5](11)
式中:
IW—基准磁势(A)
SA—漏磁组的等值漏磁面积(cm2)
ρ—洛氏系数
et—每匝电压
НΚ—同心式绕组平均电抗高度
漏磁面积
(12)
洛氏系数
=
(13)
漏磁宽度
(14)
电抗高度
(15)
b.二次短路阻抗
二次短路阻抗就是二次绕组相邻线饼间的阻抗和U、V、W组间的阻抗。
即:
在绕组相邻两饼间,其中一饼短路时,从另一饼读到的阻抗电压值。
在这里要计算二次绕组端部两饼的阻抗Uk端、任意相邻两饼间的阻抗Uk饼和U、V、W组间的阻抗Uk组。
二次短路阻抗的计算按交错式绕组计算。
磁势分布图见图五、图六。
(1)Ux端、Ux组的计算
图五二次侧端部两饼间和U、V、W组间磁势分布图
基准磁势IW=I1W1=I2W2
交错式绕组电抗
[5](16)
[5](17)
Н—该漏磁组的高度(cm)
D—铁心外接圆直径(cm)
Δ—绕组内径至铁心外接圆直径的距离(cm)
(2)Ux饼的计算
磁势平衡方程式I1W1-1/2I2W2=0
图六二次侧两饼间磁势分布图
基准磁势
IW=2I1W1=I2W2
A1=I1W1/IW=1/2
A2=I2W2/IW=1
[5]
在一、二次短路阻抗的设计时也有针对性地选择,各变频器生产厂家的要求不同,罗宾康公司不仅要求考核一次阻抗,还要考核二次短路阻抗。
日本东芝三菱公司的要求则是不考核低压的二次阻抗,而是考核高压对低压每个线饼的阻抗,即:
在二次的线圈分别短路时,从一次侧读到的阻抗电压值。
(9)温升计算
移相整流变压器的温升计算方法同常规变压器相同,但要注意以下几点:
1)移相整流变压器在运行时主要谐波有5次谐波33%,7次谐波10%,11次谐波7%,13次谐波3%,由谐波电流引起的所增加的杂散损耗必须在计算温升时考虑在内。
2)当变压器通电时,因直流电容充电会产生一个相当大的冲击电流,这个冲击电流相当于所有副边同时短路,并持续一个半周期,这个因素在温升计算时也不应忽略。
3)由于该变压器在运行时一直处在强迫风冷之下,特别是罗宾康公司的技术还在变压器柜里设置了挡风板,变压器为强迫导向风冷。
因此,温升计算应充分考虑到优越的散热条件,变压器结构可设计得更加紧凑。
3.5移相整流变压器的基本结构及其特点
(1)移相整流变压器的放置
由于受到建筑场地限制,人们总是想尽一切办法来减小变压器的体积。
移相整流变压器结构一般有三相水平横向布置和三相竖直上下布置两种方式。
三相竖直布置的结构中,变压器的引线也是竖直方向,引线呈现一种自然的下垂状态,这种方式使得出线端子规整,出线端子不容易相互影响,可以减小变压器的占地面积,充分利用高度空间,使变频柜尺寸最小,我公司供给美国罗宾康公司的产品多数采用此结构(见图七)。
三相水平布置的结构有利于减小铁芯的应力,方便线圈和铁芯的支撑固定,这种结构被广泛应用,但要注意增加引线的强度来改善出线端子结构方面的不足(见图八),国内移相整流变压器多数采用三相水平布置的结构。
图七三相竖直布置图八三相水平布置
(2)移相整流变压器的线圈结构
由图九可以看出,功率单元串联型高压变频器由多个功率单元串联起来,将加在电机端部的电压分摊到多个功率单元上,而各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电。
电动机是三相的,因而要求变频器有三相输出。
也就要求变压器的副边(阀侧)平均分成三组(相)单元,一组(相)单元供给变频器的一相。
图九串联高压变频器电气框图
下面以水平布置结构6单元串联高压变频器为例,介绍移相整流变压器的线圈结构。
高压变频器每一个功率单元都是由移相整流变压器的a,b,c三相提供电源。
多个带U字的单元串联起来成为电机励磁绕组的一相。
称之为U相;
多个带V字的单元串联起来成为电机励磁绕组的另外一相,称之为V相;
同理多个带W字的单元串联起来成为电机励磁绕组的第三相,称之为W相。
U、V、W三相在变压器出口处完全一样,都是每一相同时包含+25°
的移相绕组。
(见图十)从而可以在变压器的绕组上划分假想的三个功能区。
分别为U、V、W三相提供电源。
各功能区相互独立。
图十线圈功能区划分
由图十可见,在每一个铁芯柱上分布着U、V、W三个功能区域,在每一个功能区域内部有6组绕组。
它们分别实现+25°
移相功能。
当然这个移相功能需要依靠与变压器的b,c相对应绕组连接成D接来实现。
从上图十可以看出由于芯柱上线圈较多,如果线圈采用层式将会使变压器高度方向的尺寸不易控制,因此我们采用饼式线圈结构,可以很大程度上降低变压器的高度。
而日本东芝三菱的技术则是采用层式线圈。
由于变压器是三相竖直上下布置,线圈呈横卧状态,为了确保线圈与铁心之间可靠固定,不发生转动或移动,以及使线圈外形尺寸最小,我们采用了矩形线圈,但制造工艺难度加大了许多。
另外,这种变压器副边(阀侧)抽头很多,为使变压器的结构简便,把副边(阀侧)绕组放在变压器的外线柱,原边(网侧)绕组放在里面。
(3)移相整流变压器的绝缘水平
由于变压器在同一个铁心柱上的二次绕组具有U、V、W三组(相)绕组,这三组绕组间工作电压为变频器的相间电压,而且它们绝缘属于爬电距离,因此,二次绕组对高压及地,以及U、V、W组间的绝缘水平应按6kV选择,工频耐压试验应一组通电耐压,其它两组接地。
(4)材料和工艺
为了安全和环保,变压器采用美国DUPONT公司的NOMEX绝缘纸作主要绝缘。
移相整流变压器结构复杂,技术难度大。
由图十一可见,变压器的二次绕组出头较多(N个副边X3),每台变压器(副边9~18)就有3X(27~54)个抽头,引线焊接较困难;
高低压绕组为矩形线圈,绕制难度较大,几何尺寸较难控制,容易产生椭圆形,经过我们的技术攻关,采取了有效的工艺手段,满足了设计需要。
图十一移相整流变压器外观
图八正在安装的移相整流变压器和变频器单元柜
3.6移相整流变压器的典型规格产品基本参数
1)额定容量:
300~8000kVA
2)高压电压:
3kV、6kV、6.3kV和10kV、10.5kV、
3)低压电压:
630V
4)移相角:
9副边时为:
和-20°
12副边时为+22.5°
和–22.5°
15副边时为+24°
和-24°
18副边时为+25°
和-25°
6)联结方式:
Y/△
7)相数:
3相
8)冷却方式:
强迫风冷
4.计算实例
4.1主要技术参数
1)型号ZPSG-1000-6/0.63
2)额定容量:
1000kVA
3)高压额定电压:
6kV、
4)低压额定电压:
5)脉波数:
36脉波,18副边
6)移相角:
、-5°
、-15°
-25°
7)联结
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