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励磁整流变压器的选型方式_励磁整流变压器的计算公式

电工天下【变压器】 编辑:dgjs123 发布时间:2016-01-04 14:41:09

励磁整流变压器的选型方式_励磁整流变压器的计算公式

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

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=1.87×1.1×7558.2 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°。

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。

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。

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