移相变压器设计研究

第1页共26页高压变频装置配套用移相整流变压器的设计研究云南变压器电气股份有限公司柳溪摘要：本文介绍了高压变频器的工作原理，并论述高压变频器配套用移相整流变压器的移相原理，设计研究和技术特点，提出了相应的计算方法。关键词：高压变频器移相整流变压器移相设计要点计算方法DesignandStudyonphase-shiftingrectifiertransformerforthesupportinguseofhigh-voltagefrequencyconverterYunnanTransformerandElectricJoint-stockCompanyLtd.LiuXiAbstract:Thisarticleintroducestheoperatingprincipleofthehigh-voltagefrequencyconverter,expoundstherectifyingprincipleofthephase-shiftingrectifiertransformerforthesupportinguseofhigh-voltagefrequencyconverter,itsdesignandstudyanditstechnologicalcharacteristicsandputsforwardtherelevantcalculatingmethods.Keywords:high-voltagefrequencyconverter,phase-shiftingrectiformer(rectifiertransformer),phase-shifting,calculatingmethods,maindesignconsideration1．前言随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，带动了交流传动技术日新月异的进步，也使得高功率、大电流的功率器件制造技术日趋成熟。近年来，中高压大电流变频器已开始越来越广泛地应用到各行各业中。目前，高压变频技术正朝着超高电压、超大第2页共26页功率和性能更优越的方向发展，它突出了更节能、更安全、更可靠、更环保的特点。而在高压变频领域，变频调速装置是一种完美无谐波高压变频装置，在该装置中的整流变压器是不可或缺的重要组成元件，该整流变压器属于多绕组移相整流变压器，采用移相整流变压器可有效消除变频器对电网的谐波污染，可以使高压变频器的设计变得更加灵活。这种变压器在技术参数、电磁计算、结构设计等方面都要有更好的性能和更高的经济效益，以适应市场千变万化的需要。美国罗宾康公司（现为西门子公司）是国际上享有盛誉的生产中、高压变频器的大公司，该公司所生产的高压变频器在美国市场占据第一位，在日本、南美洲和中国市场也占据着主导地位。2001年美国罗宾康中国公司为了降低变频器的成本，慕名找到我公司为他们开发研制这种变压器以替代进口变压器。经过我们的技术攻关，成功的开发了NOMEX绝缘高压变频装置配套移相整流变压器，产品在技术上达到了国内同类产品的领先水平。2．高压变频器使用范围及工作原理2．1使用范围目前我国的变频技术已广泛地应用在调速控制领域。较典型的应用是以节能为目的对风机、泵类设备的调速控制。为了安全可靠起见，水泵、风机在选择电动机容量时通常都会按最大容量进行选型。但实际运行时这些水泵和风机常处于低负荷状态。且水泵和风机的一个特点是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。早先人们将电机以定速运转，用阀门、档板来调节流量的机械方第3页共26页法来进行流量的调节。近年来采用变频技术对电动机进行无级调速，从而控制水或风的流量获得很好的节能效果。根据调查，采用这种变频技术进行调速的一般可节电30％-50％。在我国火力发电厂中，泵和风机的用电量占火力发电厂自用电量的85％左右，循环水泵、给水泵、灰渣(浆)泵、引风机、送风机、排粉机等均是用电大户．对这些设备进行变频调速改造，将大大降低能源消耗，降低厂用电率，节约生产成本。符合国家提出的节能、降耗的要求。目前，变频调速已列入通用节能技术并加以重点推广。并作为十项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。2．2基本工作原理变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式，变频调速系统的关键装置是变频器，由它来提供变频电源，用高压变频装置拖动高压电动机是最为直接和方便的。无须经过任何中间环节。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)第4页共26页式中：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，整流出第5页共26页来的脉波数为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）5520771411119.113137.717175.919195.323234.3252543.3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。第6页共26页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第7页共26页提高一倍。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183+20°、0°、-20°220°244+22.5°、+7.5°、-7.5°、-22.5°222.5°305+24°、+12°、O°、-12°、-24°324°366+25°、+15°、+5°、-5°、-15°、-25°325°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。第8页共26页例如：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°、0°、-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，可分别为第9页共26页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：+25°、+15°、+5°、-5°、-15°、-25°。对于9副边的变压器，其移相角为+20°、0°、-20°，各移相组角差20°；对于12副边，其移相角为+22.5°、+7.5°、-7.5°、-22.5°，各移相组角差15°；对于15副边，其移相角为+24°、+12°、O°、-12°、-24°，各移相组角差为12°；对于18副边，其移相角为+25°、+15