小型机组励磁整流变压器的选型与计算论文Word文档下载推荐.docx

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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（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=1.18nUE+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（1.0V）.

　　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=0.71UE（全波），或U2=1.4UE（半波）

　　5电流的计算

　　三相全波整流一次电流I2＝0.816KIE,二次相电流I1＝0.816IE

　　三相半波整流一次电流I2＝0.472KIE,二次相电流I2＝0.577IE

　　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（0.59nUE+1.47）*0.816IE=1.45nPE+3.60IE（W）

　　半波整流P2=3U2I2=3（1.18nUE+2.0）*0.577IE=2.04nPE+3.46IE（W）

　　变压器容量的计算：

　　全波整流S1=P2/（0.8*97％）=1.29P2＝1.29（1.45nPE+3.60IE）=1.87nPE+4.64IE（VA）

　　半波整流S1=P2/（0.8*97％）=1.29P2=1.29（2.04nPE+3.46IE）=2.63nPE+4.46IE（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=2.2PE（全波用），或S1=3PE（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=49.4×

153=7558.2（W）

　　3）一次线电压U1=460×

0.95=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=0.59×

1.1×

49.4+1.07=33.13V,可选34V;

　　5）变压比K=U2/U1=34/440=0.0773

　　6）二次电流I2=0.816IE=0.816×

153=124.85（A）,可选125A.

　　7）一次电流I1=0.816KIE=0.816×

153×

0.0773=9.65（A）,可选9.7A

　　8）功率容量S1=1.87nPE+4.64IE=1.87×

7558.2+4.64×

153

　　　　　　　　=16257（VA）,可选17kVA

　　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：

17kVA　　　　　　　　　　　连接组：

D，y11

　　电压比：

440V（线）/34V（相）　　　　电流（一次电流可不报）：

9.7A/125A

　　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msexcel（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=40.3×

161.4=7558.24（W）

　　通取一次线电压:

U1=440V

　　三相半波整流时

　　二次相电压U2=1.4UE=1.4×

49.4=69.2V，可选70V

　　变压器容量S1=3×

7558.=22674（VA）,可选23kVA

　　三相全波整流时

　　二次相电压U2=0.71UE=0.71×

49.4=35.1（V），可选35V

　　变压器容量S1=2.2×

7558.2=1662（VA）,选17kVA

　　与上节的计算结果比较可见，简易计算方法的误差并不大，可以付诸应用。

在励磁电压UE较大时，简易法的U2值会稍微偏大，但对实际运行的影响无碍。