小型机组励磁整流变压器的选型与计算

简介： 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。
　　1．1 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。
　　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（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
　　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（1.0 V）.
　　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 = 0.71 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+3.46IE（W）
　　变压器容量的计算：
　　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 = 0.816 IE = 0.816×153 = 124.85（A）,可选125A.
　　7）一次电流I1 = 0.816 KIE =0.816×153×0.0773 = 9.65（A）,可选9.7A
　　8）功率容量S1= 1.87nPE+ 4.64 IE=1.87×1.1×7558.2 + 4.64×153
　　　　　　　　= 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（szpwr.com）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= 1.4 UE =1.4×49.4 = 69.2 V，可选70 V
　　变压器容量S1 = 3×7558. = 22674（VA）,可选23 kVA
　　三相全波整流时
　　二次相电压 U2 = 0.71 UE = 0.71×49.4 = 35.1（V），可选35V
　　变压器容量 S1 = 2.2×7558.2 = 1662（VA）, 选17 kVA
　　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。