小型機組勵磁整流變壓器的選型與計算工學論文

第頁共頁小型機組勵磁整流變壓器的選型與計算工學論文小型機組勵磁整流變壓器的選型與計算工學論文【摘要】：^p：整流變壓器的選型和計算是發(fā)電機用戶經(jīng)常遇到的技術(shù)問題。由于小水電的特殊環(huán)境條件，經(jīng)典理論計算公式的結(jié)果往往不符合實際，本文就此作一些討論，提出一組簡明的計算方法。本文的討論基于如下的條件：400V低壓同步發(fā)電機組，并網(wǎng)運行，三相晶閘管整流，基層用戶使用的角度〔用戶向制造商提供訂貨數(shù)據(jù)，不涉及變壓器制造的參數(shù)設(shè)計〕【關(guān)鍵詞】：^p：干式整流變壓器晶閘管整流勵磁同步發(fā)電機小水電1.概述在小水電勵磁設(shè)備的選型配套或維修晉級的工作中，電站用戶常常遇到整流變壓器參數(shù)計算的問題。很多電工設(shè)計手冊都提供了整流變壓器的設(shè)計公式，但這些公式適用的是標準的應(yīng)用條件，與小水電的實際運行環(huán)境有所差異，據(jù)此設(shè)計的變壓器可能不太切合實際。同時小水電基層的專業(yè)技術(shù)人員也缺乏，用戶通常覺得整流變壓器的選型計算很困難。因此為基層用戶提出一個簡明計算方法是很有必要的。1.1整流方式的選擇：目前低壓機組根本上都采用自勵式靜止晶閘管勵磁方式。其整流方式一般有三相全波半控整流和三相半波整流兩種。全波整流的變壓器效率比擬高〔95％〕，波形比擬好。半波整流的硅元件較少，但變壓器二次繞組有直流電流通過，效率比擬低〔74％〕，波形畸變大，用在小于10kW的整流電路，不過一些早期設(shè)計的較大機組也是半波整流。兩類整流方式的變壓器計算公式有所不同。1.2整流變壓器的形式：采用環(huán)氧干式變壓器。容量一般在10－100kVA內(nèi)，標稱一次電壓〔網(wǎng)端〕400V，二次電壓〔閥端〕100V以內(nèi)，電流100－300A內(nèi)。由于容量比擬小，與整流裝置同置一個配電盤體內(nèi)。整流變壓器冷卻方式是自冷，在盤側(cè)不安裝封閉板時，散熱條件比擬好。1.3絕緣等級與散熱方式：小水電使用的干式環(huán)氧變壓器的絕緣等級一般是B級，絕緣系統(tǒng)最高耐溫為130℃，因此變壓器滿負荷工作時的外表溫度有燙手是正常的。假如對變壓器加以有效的強迫風冷，其輸出功率可以進步10％～30％。反之，假如變壓器是工作在密封的配電箱里，散熱條件不良，它的電流容量就必需降低10％或更多。1.4阻抗電壓：在發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)中，有可能存在整流管擊穿或直流回路短路等因素，故整流變壓器的短路阻抗電壓要比普通的變壓器要高，以限制過大的短路電流。短路阻抗電壓的參數(shù)由變壓器制造廠設(shè)計，我們不作討論，但用戶在向廠家訂貨時必需要注明是晶閘管整流變壓器。2、接線組別整流變壓器的接線組別必須與晶閘管整流控制要求的相位相配合。假如是新的設(shè)計，可以按以下原那么來考慮。一般采用D，y11的方式，即網(wǎng)側(cè)〔一次〕采用△接法，閥側(cè)〔二次〕采用y接法。此接法的二次相電壓比一次相電壓在相位上落后30°。D，y11的接法同時適應(yīng)三相半波和全波兩種整流形式。假如現(xiàn)有的整流變壓接線組別是Y，d11，那也可以使用，但不能用于三相半波整流。至于Y，y的接線組別就不推薦使用。我們知道三相可控整流產(chǎn)生的三次諧波電壓非常高，可達基波值的50%以上，而變壓器的D接法可以使其三次諧波磁通抵消，把影響降低到最小。但假如采用Y，y的接線組，整流電路產(chǎn)生的三次諧波的磁通無閉合回路不能抵消。過高的三次諧波會使電波形畸變過大，影響到變壓器及發(fā)電機和其它儀表電器設(shè)備的正常運行。電站向廠商提出訂貨數(shù)據(jù)時，應(yīng)說明清楚變壓器的連接組別，一、二次電壓〔同時必需注明是相或線電壓〕。3、一次線電壓U1的選擇小型機組的機端額定線電壓是400V，但小型水電站一般都處于電網(wǎng)的遠端，離變電站線路很長阻抗大。造成末端的網(wǎng)電壓過高，尤其是在豐水期發(fā)電頂峰時段，網(wǎng)電壓〔機端〕往往高達460V以上。假如此時一次電壓還是按照400V來設(shè)計，變壓器就會承受過電壓，使損耗增大，發(fā)熱超標。整流變壓器的鐵損與其承受電壓倍數(shù)比成4次方的關(guān)系，例如按400V設(shè)計的整流變壓器，在1.2倍〔480V〕電壓下運行時，其鐵損的增加到〔480/400〕4=2.07倍。這些損耗最終都在變壓器內(nèi)轉(zhuǎn)為熱量，使變壓器的溫升大增。更有甚者，當電電壓超高到達一定程度后，變壓器的鐵心的磁通密度就會進入飽和區(qū)，使一次側(cè)電流激增以致線圈燒毀。一些整流變壓器的設(shè)計制造時由于本錢的考慮，選取鐵心的磁通密度Bm值偏高，而一次繞組的電壓值仍然選取400V，故在網(wǎng)電壓過高地區(qū)燒毀變壓器的例子并不罕見。對此就應(yīng)該適當加大一次繞組的電壓值，以使網(wǎng)電壓升高＋20%變壓器也能應(yīng)付工作。一般變壓器尚有5%的電壓過載才能，故我們可用經(jīng)歷公式來選取一次側(cè)繞組額定線電壓值U1=0.95U1〔MAX〕，式中，U1〔MAX〕是網(wǎng)電〔折合到機端〕的最高電壓值。計算結(jié)果假設(shè)小于400V那么按400V選取。一次電壓選取值增加后，二次電壓也應(yīng)該增加同樣的比值，保持變壓比不變，以維持勵磁電壓與機端電壓一樣比例地增減，因為發(fā)電機電壓越高，需要的勵磁功率就越大。進步一次電壓的做法，等效于增加每伏圈數(shù)，都是為了降低變壓器鐵心的磁通密度。防止進入磁通密度曲線的飽和段。帶來的好處還有降低了變壓器的空載電流和鐵損。當然這樣也有些負面影響，因繞組圈數(shù)加多，使變壓器內(nèi)阻增大，電流損耗〔銅損〕略有增加，但對變壓器的正常運行不構(gòu)成什么影響。電壓調(diào)整系數(shù)為n＝U1/400簡易計算時，可以通取U1=440V，能適應(yīng)大多數(shù)電網(wǎng)條件〔400V-470V〕的要求。4、二次電壓U2的計算二次電壓的選取值關(guān)系到勵磁系統(tǒng)的頂值〔強勵〕電壓，最大勵磁電流、晶閘管導通角和諧波失真、整流電路的功率因數(shù)等等。按有關(guān)標準，勵磁電路要提供1.6～1.8倍的強勵電壓，即變壓器的二次電壓需是額定值的1.6～1.8倍。但是實際上，我國的小水電機組很少有自成孤立電網(wǎng)運行的，絕大局部都是并入大電網(wǎng)售電運行，沒有向電網(wǎng)提供強勵功率的需要和才能——須知大電網(wǎng)容量極大，單個小水電機組的對它的`影響是微缺乏道的。假如按進步1.6～1.8倍的數(shù)值來選取二次電壓，整流電壓就比擬高，晶閘管整流系統(tǒng)勵磁時長期處于被深控的狀態(tài)，晶閘管的導通角小，波形畸變增大，功率因數(shù)變差，故障的短路電流變大，這些因素都對變壓器和機組設(shè)備運行不利。同時在一樣的變壓器功率容量下，電壓高了必然導致電流降低，線圈繞組的導線截面積下降，電流損耗也增大。根據(jù)我們的經(jīng)歷，選擇最大整流電壓為額定勵磁電壓的1.3倍就比擬適中，除了處理防止上述電壓過高的缺點以外，也保存了一定的整流功率裕量，適應(yīng)了運行條件變化的要求。相電壓U2的計算式三相全波整流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對上式各項的解釋：UE—發(fā)電機額定勵磁電壓〔V〕；系數(shù)1.3—如前所述，是勵磁電壓的裕量值；系數(shù)1.06—電流滿負載時變壓器內(nèi)阻漏抗引起電壓降的補償值。這里用簡單的一個固定數(shù)值來代替復雜計算，誤差也不太大；n—電壓調(diào)整系數(shù)，見上節(jié)所述；系數(shù)2.34〔或1.17〕—三相全波〔或半波〕整流元件全導通時輸出直流電壓與輸入交流相電壓的比值，即UE/U2＝2.34〔或UE/U2＝1.17〕；數(shù)字2.5〔或1.7〕—勵磁回路的電壓降的總和，其中包括整流元件的正向壓降〔1.5V或0.75V〕，以及饋電導線和碳刷集電環(huán)的壓降〔1.0V〕。變壓比K=U2/U1.簡易計算時，可把上式結(jié)果的第一、二項合并，有U2=0.71UE〔全波〕，或U2=1.4UE〔半波〕5、電流的計算三相全波整流一次電流I2＝0.816KIE，二次相電流I1＝0.816IE三相半波整流一次電流I2＝0.472KIE，二次相電流I2＝0.577IE這里的I1值尚未考慮變壓器的效率。6、功率的計算勵磁功率：PE=UEIE〔W〕變壓器二次側(cè)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〕變壓器容量的計算：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為變壓器的額定功率因數(shù)，97%為變壓器一次側(cè)效率。簡易計算時，可把上式結(jié)果的第一、二項合并，有S1=2.2PE〔全波用〕，或S1=3PE〔半波用〕在實際的訂貨中我們有時發(fā)現(xiàn)，某些廠商為了降低本錢，變壓器制造的用料偏緊，使變壓器運行溫升偏高。在這種情況下為保險起見，最好把訂貨的變壓器容量加大10%來應(yīng)付，此時變壓器的電壓數(shù)值不改變，一、二次電流要按比例進步。7、計算實例某小型水電站需訂購一勵磁整流變壓器，發(fā)電機參數(shù)為：發(fā)電機功率400kW，額定電壓400V，發(fā)電機勵磁電壓UE=49.4V，勵磁電流IE=153A.工作條件：勵磁裝置為晶閘管三相全波半控整流，機組并大電網(wǎng)運行，網(wǎng)電最高電壓〔機端〕460V.求解步驟如下1〕連接組D，y112〕勵磁功率PE=UEIE=49.4×153=7558.2〔W〕3〕一次線電壓U1=460×0.95=437〔V〕，取440V電壓調(diào)整系數(shù)n=U1/400=1.14〕二次相電壓U2=0.59nUE+1.07=0.59×1.1×49.4+1.07=33.13V，可選34V；5〕變壓比K=U2/U1=34/440=0.07736〕二次電流I2=0.816IE=0.816×153=124.85〔A〕，可選125A.7〕一次電流I1=0.816KIE=0.816×153×0.0773=9.65〔A〕，可選9.7A8〕功率容量S1=1.87nPE+4.64IE=1.87×1.1×7558.2+4.64×153=16257〔VA〕，可選17kVA最后，填寫訂貨清單：三相干式整流變壓器訂貨數(shù)據(jù)變壓器容量：17kVA連接組：D，y11電壓比：440V〔線〕/34V〔相〕電流〔一次電流可不報〕：9.7A/125A功率因數(shù)：0.80工作制：長期連續(xù)工作按照本文的計算結(jié)果，在額定工況時變壓器的負載率為0.77，處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。額定勵磁電流輸出時整流晶閘管的控制角約65°。8、簡易計算方法發(fā)電機參數(shù)同前，勵磁電壓UE=49.4V，勵磁電流IE=153A.勵磁功率：P=40.3×161.4=7558.24〔W〕通取一次線電壓：U1=440V