18脉波H级绝缘干式整流变压器

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1、18 脉波 H 级绝缘干式整流变压器1 引言工业用的直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流器所组成的整流设备而 得到的，并广泛应用于冶金、化工和牵引等领域，如城市轨道交通、轧钢电机的直流传动、 同步电机的直流励磁等。整流变压器的作用是将交流电网电压变换成整流装置所需要的电压， 并通过相数和相位角的变换，改善交流和直流侧的运行特性。整流变压器可将整流设备与电 网电路隔离开来，确保设备的安全，并且限制短路电流，减少整流设备对电网和其他并联运 行整流设备相互间的电磁干扰，抑制晶闸管等整流元件的电流上升率。由于干式变压器的无油污染问题，防潮、耐热、阻燃、防腐蚀等特性，广泛应用于工业、 生活的

2、各个方面。目前主要存在两种主流类型的干式变压器：一种是以欧洲为代表的树脂浇 注式干式变压器（简称ordt）,另一种是以美国为代表的浸漆式干式变压器（简称ovdt）而 作为h级绝缘的干式整流变压器，以c级绝缘材料nomex纸作为绝缘介质，具有更高的可靠 性和环保特性，而且具有更好的经济性，受到广泛的欢迎。h级干式整流变压器耐热等级为180C,主要绝缘材料为nomex纸，该绝缘纸是美国杜邦 公司的专利产品，是一种以芳香酰胺纤维为基础的合成绝缘材料，其本身为c级，耐热等级 达220C。nomex纸还有许多优点，是极佳的电气绝缘材料，用其制造的变压器可以防潮、阻 燃，对环境适应性好，而且变压器尺寸紧凑

3、，占用空间小，变压器抗冷热冲击、抗短路能力、 抗过电压能力均好于其它类型变压器。尤其是h级整流变压器的制造工艺和产品结构特点， 对于需要多个抽头，结构复杂的多个移相绕组的整流变压器来说，具有非常明显的优势，使 其制造加工周期短，成本低，真空压力浸渍（vip）后绕组刚性好，机械强度得到保证，同时， 由于有漆膜覆盖在绝缘材料表面，提高了变压器的防潮能力。2 移相的形成及工作原理干式移相整流变压器是一种专门为中高压变频器提供多相整流电源的装置，采用延边三 角形移相原理，通过多个不同的移相角二次绕组，可以组成等效相数为9 相、 12 相、 15相、 18 相、 24 相以及 27 相等整流变压器。变压

4、器的一次侧直接入高压电网，其二次侧有多个三 相绕组，它按0°、θ°、…、（60-θ） °等表示延边三角连接 变压器二次侧的各低压三相绕组，同时表示各低压三相绕组线电压相对对应绕组的移相角。 当每相由n个h桥单元串联时，θ=60°/n,实现了输入的多重化，形成6n脉波整 流。这样，如果各 h 桥单元功率平衡，电流幅值相同，理论上一次侧输入电流中不含有 6n±1以下各次谐波，并可提高功率因数，一般不需再配备无功补偿和谐波滤波装置。 最适宜用于防火要求高、负荷波动大的环境中，如海上石油平台、火力发电厂、自

5、来水厂、 冶金化工、矿山建材等特殊的工作环境中。多绕组干式移相整流变压器是根据不同的用户而设计，容量从200kva10000kva不等， 一次阻抗较大，变压器的效率98%,采用h级绝缘系统，绕组温升限值120k。为了提高电 能质量，整流变压器的输出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 一次侧电压和装机容量，确定每台变压器在一个周期内的脉波数。高压变频调速技术目前呈 现多样化，以西门子技术为代表的级联式多重化技术，基本可以做到完美无谐波，它采用整 流变压器将多个低压模块叠加（串联）而形成高压输出，功率器件采用igb t,目前国内绝大 多数高压变频器厂家都是采用这种技术。 ab

6、b 的 acs5000 系列变频器是三电平的拓朴结构， 36脉波的整流变压器共有6个移相组,每两个移相组为一个变频单元供电，功率器件为igct， abb还有一种变频器采用12脉波整流逆变技术，其变压器采用三绕组形式。以ab（rockwell） 为代表的18脉波整流逆变技术，其需要整流变压器采用三分裂形式。整流变压器作为这一技术的重要构成，是伴随高压变频器的技术而出现并迅速发展的。根据变频器单元数和电压等级的不同，移相整流变压器输出绕组数和电压也不同，3kv的多 采用3级，移相分为0°、±20°,每移相组电压为630v； 6kv的多采用6级， 移相分为±

7、;5°、±15°、±25°,每移相组电压为 630v，也 有采用5级或7级，5级时移相角为0°、±12°、±24°，电压为 710v ，7 级 时 移 相 角 为 0° 、 ±8.57° 、 ±17.14° 、±25.71 °，电压为 490v； 10kv 的多采用 8 级，移相分为±3.75°、 ±11.25°、±18.75°、±26.2

8、5°，每移相组电压为 720v， 也有采用9级和10级。理论上讲，级数越多，变压器输入侧的谐波越少，对电网的污染越小， 但级数多，变频器的功率单元就多，增加了制造成本，所以上述级数是各变频器厂家普遍采 用的。abb的acs5000变频器所需变压器在结构上要与上述的简化一些；12脉波和18脉波的 整流变压器多采用分裂方式，适用于abb和ab的变频器。用以改善整流装置的高次谐波对电 网和通讯等设备的影响。在电网三相电压的基础上，为获得均匀分布多脉波二次侧电压，即需要每相二次侧电压 在120°内均匀分布展开。为此利用y,dll与ydl两种接线组别，达到相互移相60°。 再利用

9、二次侧延边三角形移相得到需要的相位角。按照接线组别定义，顺时针移相为（+）， 逆时针移相为（-）。例如：18个脉波的移相变压器，间隔为：360°/18=20°。其接 线组别计移相角按顺序分别为： y， d11-20°； y， d11； y， d11+20°。3 18脉波h级绝缘干式整流变压器设计概述3.1 容量的确定 铁心的选择与电压有关，而导线的选择与电流有关，即导线的粗细直接与发热量有关。也就是说，变压器的容量只与发热量有关。对于一个设计好的变压器，如果在散热不好环境 中工作，假如为lOOOkva，如果增强散热能力，则有可能工作在1250kva。另外，变压器

10、的标 称容量还与允许的温升有关，例如，如果一台lOOOkva的变压器，允许温升为100k，如果在 特殊的情况下，可以允许其工作到120k，则其容量就不止1000kva。由此也可以看出，如果 改善变压器的散热条件，则可以增大其标称容量，反过来说，对于相同容量的变频器，可以 减小变压器柜的体积。变压器容量的选择一般从电压、电流及环境条件几方面综合考虑。其中应根据用户用电 设备的容量、性质和使用时间来确定所需的负荷量，以此来选择变压器容量。在正常运行时， 应使变压器承受的用电负荷为变压器额定容量的75%-90%左右。变压器是由绕在同一铁心上的两个或两个以上的线圈绕组组成，绕组之间是通过交变磁 场而联

11、系着，并按电磁感应原理工作。变压器安装位置应考虑便于运行、检修和运输，同时 应选择安全可靠的地方。在使用变压器时必须合理地选用变压器的额定容量。变压器空载运 行时，需用较大的无功功率。这些无功功率要由供电系统供给。变压器的容量若选择过大， 不但增加了初投资，而且使变压器长期处于空载或轻载运行，使空载损耗的比重增大，功率 因数降低，网络损耗增加，这样运行既不经济又不合理；变压器容量选择过小，会使变压器 长期过负荷，易损坏设备。因此，变压器的额定容量应根据用电负荷的需要进行选择，不宜 过大或过小。变压器的设计一般只看额定容量，而不看额定功率，因为其电流只与额定容量有关。对 于电压源型变频器，由于其

12、输入功率因数接近于 1，所以额定容量与额定功率几乎相等。电 流源型变频器则不然，其输入侧变压器功率因数最多等于负载异步电机的功率因数，所以对 于相同的负载电机，其额定容量要比电压源型变频器的变压器大一些。3.2 铁心磁通密度的选取变压器设计的基本问题是磁通和电流密度。变压器的电流与容量成正比，电流密度的大小（即导线的粗细）按照导体的发热量来考虑。对于磁通，电磁学的基本关系式为： u=4.44fwφ，其中：u 为电压；f为频率，在这里为50hz，定值；w 为线圈的匝数；φ是磁通量。由于硅钢片的磁通密度b受到材料的限制，一般仅能设计到1.4-1.8特斯拉，而φ=bs, 所以

13、，要增大φ，一般只能增大铁心的截面积。变压器的铁心一般为三相柱式，铁心的截 面积按照上述公式可以确定，铁心窗口的大小则要考虑把线圈放进去为原则。容量越大的变 压器，导线越粗，铁心的窗口就需要越大。在变压器的设计中，铜和铁的用量可以均衡考虑。 因为一旦变压器的容量确定了，电流就确定了，导线的粗细也就确定了，增大匝数w，磁通 φ就可以小一些，铁心的截面积就可以小一些，但是要把这些匝数绕进去，铁心的窗口要 大一些；相反，减小匝数w,磁通φ就要大一些，铁心的截面积要大一些，但是铁心的窗 口可以小一些。3.3 谐波电流问题由于整流元件的单向阻断作用会引起整流变压器交变磁场波形的畸

14、变，即使电网电压为 理想的正弦波，整流装置从交流电网中取用的电流也是非正弦的。谐波产生的另一个原因是 由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经 非线性负载时，则负载上电流为非正弦波，即产生了谐波。整流器和逆变器产生的谐波电压、电流：整流器的作用将交流电转成直流电，而逆变器 是将直流电转变成交流电。其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻 抗无穷大。因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波， 不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波50hz基 波）外，还叠加了一系列高次波形&mda

15、sh;—谐波。应该说电动机采用变频器进行调速， 可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能（近30%），但如前面分析，变频调速过程中要 产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰 二次仪表& mdash ;& mdash;压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还会使变 压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。增加换流装置的相数或脉波数，是减少换流装置 产生谐波电流的十分有效的措施。3.4 超铭牌容量运行问题确定变压器铭牌容量需要综合考虑其它一些因素。例如环境温度的影响，降低温度可以 提高变压器的输出功率和减少变压器的损耗，又如变压器台数

16、的合理选择和技术经济比较等 等都是影响变压器容量选择的考虑因素。至于变压器的过载能力是和起始负荷率、环境温度和通风散热条件等相关的因素有关， 且只能是应急性质和短时间的。过负载时首先要求不致损坏变压器的绝缘和降低使用效率为 原则，一年四季中高峰用电是可能会超负荷而低谷时又会出现轻载运行。这“超”、 “轻”负载两者之间的量和时间基本相等，同时会起到互补的作用，但最好不要 超负荷。过负荷百分数（n）计算公式：n=（i-le）/ie×100式中：i &mdash ;变压器实际负荷电流；ie& mdash;变压器额定电流。当然对于设置有强迫风冷的变压器其应急过载能力可达 40-50，而且过持断续时间也可 适当延长（但绝不允许过载情况下长期运行），这可由产品的技术条件来确定。综合上述各种因素对选择变压器容量的影响，从节能、经济、实用、安全可靠出发，一 般选取变压器负荷率在0.