湘杰仪器研究小型机组励磁整流变压器

2009年07月24日
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拉力机;拉力机维修;拉力机报价

唐:

·         提要: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)
  关键词: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zui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300 。
  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zui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。
 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。
  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
 
  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) =2.07倍。这些损耗zui终都在变压器内转为热量,使变压器的温升大增。
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
  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。
  
  U1 =0.95 U1(MAX) ,
  式中,U1(MAX)是网电(折合到机端)的zui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。
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。
  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。
  
  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,zui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。
 根据我们的经验,选择zui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。
  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。
 
  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 = 0.59 n UE + 1.47
  三相半波整流 U2 =1.3*1.06 (n UE+1.7)/ 1.17 =1.18 n UE + 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).
  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;
 
  变压比 K = U2 / U1。
  简易计算时,可把上式结果的*、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 = UE IE(W)
  变压器二次侧功率:
  全波整流 P2 =3 U2 I2 =3(0.59 n UE + 1.47)* 0.816 IE = 1.45 n PE +3.60 IE (W)
  半波整流 P2 =3 U2 I2 =3(1.18 n UE + 2.0)* 0.577 IE = 2.04 n PE +3.46 IE (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 n PE +3.60 IE)= 1.87 n PE + 4.64 IE (VA)
  半波整流S1= P2 /(0.8 * 97%)=1.29 P2 =1.29(2.04 n PE +3.46 IE)= 2.63 n PE + 4.46 IE (VA)
  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, 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。
  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*、二项合并,有
  S1 = 2.2 PE (全波用),或S1 = 3 PE (半波用)
 
  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zui高电压(机端)460V。
  求解步骤如下
  1) 连接组 D,y11
  2) 励磁功率 PE = UE IE = 49.4×153 = 7558.2 (W)
  2)一次线电压 U1 = 460×0.95 = 437(V),取440V
  电压调整系数 n = U1/400 = 1.1
  3)二次相电压 U2 = 0.59 n UE + 1.07 = 0.59×1.1×49.4 + 1.07 = 33.13V, 可选34V;
  4)变压比 K = U2/U1 = 34/440 = 0.0773
  4)二次电流 I2 = 0.816 IE = 0.816×153 = 124.85(A),可选12.
  5)一次电流 I1 = 0.816 KIE =0.816×153×0.0773 = 9.65(A),可选9.7A
  6)功率容量 S1 = 1.87 n PE + 4.64 IE =1.87×1.1×7558.2 + 4.64×153
  = 16257(VA), 可选17 kVA
  zui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
 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zui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()上可以链接下载, 或该可以代行计算
  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650 。
 
  8.简易计算方法
  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。

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