CN110993292A - 单体12脉波整流变压器及由其构成的等效多相制整流机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单体12脉波整流变压器及由其构成的等效多相制整流机组的设计方案，该单体12脉波整流变压器增设三个小型单相辅助变压器，其铁芯分别套接在所述Y绕组各相的线路上，铁芯上的初级绕组与该铁芯所在线路上的相绕组并联，并以穿过该铁芯的线路作为该辅助变压器的次级绕组，上述辅助变压器工作时，在其次级产生一个同相位的补差电压，使Y绕组与Δ绕组的相电压之比趋近于1/√3。相较于目前任何方案，本发明方案可达Y绕组与Δ绕组最佳电压趋近值，而且附加损耗较低，没有因均衡电流导致的影响机组电参数及经济效益等问题。

Description

单体12脉波整流变压器及由其构成的等效多相制整流机组

技术领域

本发明涉及大型的电化学或电冶金用直流电源系统中的12脉波整流机组领域，具体涉及一种单体12脉波整流变压器，还涉及一种由其构成的等效多相制整流机组。

背景技术

大功率整流机组在国民经济发展中起着重要的作用，其机组的性能和效率直接影响能源利用率和企业的经济效益。这样的大功率整流机组产生的谐波对当地电力电网的影响也是不可忽视的。国际上普遍对上述机组产生的高次谐波有严格的限定标准。

大型企业为降低谐波分量常采用等效多相制。等效多相制的原理是用人为的方法使机组中所有整流装置的同名相电压之间发生相位移，以减少谐波分量。在电解盐水的氯碱行业普遍做法是设计两套相差π/6电气角度的整流装置Z1、Z2，如图1所示，T1表示单体12脉波整流变压器，包括一个连接有有载负荷开关K(用于调压)的整变网侧绕组T1-W和两个阀侧绕组T1-F1、T1-F2，两个阀侧绕组T1-F1、T1-F2一个为Y绕组，另一个为Δ绕组，Z1、Z2分别表示Y绕组供电的整流装置和Δ绕组供电的整流装置，然后两整流装置Z1、Z2并联组合为一套大电流的整流机组，使其直流输出的波形在2π电气角度内具有12个脉动波头，如图2所示。图2中，I_d＝I_dy+I_dΔ在2π周期内的积分值，I_d为两整流装置的总输出电流，I_dy为Y组整流装置的输出电流，I_dΔ为Δ组整流装置的输出电流，ω为电源角频率，t表示时间。12脉波整流机组相比等同功率的6脉波整流机组，谐波电流幅值显著降低，尤其是5次，7次谐波幅值，电解盐水的直流电流纹波系数也较6脉波优良。

但现有产品离理想等效12脉波工业整流机组都存在不同程度的不足，见下述。

目前国内12脉波整流机组产品的状况

12脉波整流机组主要由整流变压器和整流装置组成。目前国内12脉波整流机组主要包括两种：一种如图1所示，整流变压器采用单体主变压器结构，另一种如图3所示，整理变压器采用三体合一整流变压器型式。下面分别陈述这两种12脉波整流机组的特点。

一、采用单体整流变压器的机组

单体整流变压器T1通常采用三芯柱整流变压器，如图1所示，其初级绕组即整变网侧绕组T1-W连接有有载负荷开关K，次极是二个阀侧绕组：Y绕组T1-F1和Δ绕组T1-F2。

采用单体整流变压器的12脉波整流机组，由于其变压器两个阀侧绕组的输出电压和阻抗不容易做到很一致，使得运行时存在着严重的负荷分配不均的问题。

单体12脉波整流变压器，其网侧只有一组绕组，导致两组阀侧绕组组间负荷分配不均的原因是Y接法和Δ接法这两组绕组间匝比N_Y/N_Δ偏离1/√3，彼此理想空载直流电压U_do不相等，因此，负荷分配不可能平均。

整流电压器阀侧两组绕组间的匝比N_Y/N_Δ值接近1/√3的可取整数比为4/7(偏差1.04％)、7/12(偏差1.02％)、11/19(偏差0.27％)。由此可见，将N_Y/N_Δ做成11/19，可使ΔU_do偏差减到最小，改善电流分配不均问题。但由于变压器结构上的合理性和制造方面(变压器变比越大尤其如此)的原因，这样的匝比实际上是不容易做到的。一般采用的阀侧绕组匝比N_Y/N_Δ为4/7。

对于十二脉波三相桥式单体整流变压器电路，主变压器阀侧绕组匝比N_Y/N_Δ＝4/7时，它们理想空载直流电压之差ΔU_do达1.04％，此时两组整流装置的负载电流分配相差很大。如对于功率容量1MVA，阀侧几百伏的整流变压器来说，若Y/Δ组的空载直流电压有1.04％左右的差值，在两套整流装置电抗相等的情况下，其负载电流分配的差值在5％-10％。这种分配差异，对于大功率整流装置来说是不可忽视的不良状况。

现有技术中通常通过晶闸管相控、饱和电抗器的励磁调节等措施来纠正这种偏差，具体方案如下：

1-1)变压器网侧绕组的电抗X₁ ^*为各整流桥公有，对整流桥间的负载电流分配没有调节作用。负载电流分配完全取决于各组阀侧绕组电抗值X₂ ^*＝X_Y ^*+X_Δ ^*和阀侧连接母线的电抗X_M ^*,其中，X_Y ^*为Y绕组的电抗值，X_Δ ^*为Δ绕组的电抗值。根据有关资料计算结果表明，变压器二次电抗数值愈小，负荷分配相差就愈大，而且，通常Δ形连接的电压大于Y形连接的电压。为降低负荷分配不均的影响，在非相控电路，可在电压较高的那组阀侧串入多只自饱和电抗器，以延迟整流元件的导通时刻；对于采用晶闸管相控的整流装置，可采用将电压较高的那组的触发回路固定延后一定相位，使Y/Δ组分别连接的整流装置直流输出在2π周期内的电流积分平均值接近。但上述两种措施，都将造成2组π/6波形构成的12脉波不完全等效，如图4a和4b所示，图4a为采用自饱和电抗器延迟整流元件导通时刻后的波形示意图，图4b为采用晶闸管相控延后相位后的波形示意图，图中，I_d为两整流装置的总输出电流，ω为电源角频率，Ig为晶闸管的控制信号。这势必影响整个机组的功率因数，高次谐波量及机组的利用率，从而偏离最佳技术经济指标。

1-2)该解决方案是在直流侧安装6倍频的平衡电抗器L，如图5所示，以增大12脉波整流回路的均衡电抗，这是目前大多数产品设计的模式，其辅加的电抗器结构容量(以年产2万吨烧碱为例)大于100kVA，等效于双绕组变压器的计算容量137kVA，理想状态的绕组容量达280kVA，由于回路实际还存在剩余磁势，导致实际应用的电抗器铁芯比理想状态设计值大不少，均衡电流流经系统回路导致额外产生有功及无功损耗，若负荷率较高，主整流变压器的计算容量还需考虑进一步增大。相关内容，可见参考书“硅整流所电力设计，冶金工业出版社1982”。而且，这种方式整流所的现场布置也比较凌乱。

1-3)第三种方案是增大整流变压器的短路阻抗(uk％)值，使其达10％以上，也有些是仅增大较高电压那组阀侧的变压器阻抗值(通常是Δ组)。从变压器设计原理看，其不足是负荷分配会随负载率而变化，这种方式不但局限性很多，而且无法实现。另外，阻抗的增大，势必使其负荷损耗显著增加，铁损设计值也会相应增加。

二、采用三体合一整流变压器的机组

如图3所示，在变压器箱体内安装2台分别是1/2额定容量的整流变压器T2、T3，T2-W、T2-F分别表示整流变压器T2的网侧绕组和阀侧绕组，T3-W,T3-F分别表示整流变压器T3的网侧绕组和阀侧绕组。两变压器可如图3所示各自采用独立铁芯或采用共轭铁芯，然后通过接线组别的变化使两台变压器间的阀侧相位相差π/6电气角度。这两台整流变压器可以是初级绕组接法相同，如图3所示均采用Y形接法，而阀侧绕组一台是Δ接法，另一台是Y接法，也可以是次级绕组采用相同接法，如采用Δ形接法，而初级绕组一台是Δ接法，另一台是Y接。

这种结构可方便地使两台整流变压器的阀侧绕组相电压Y/Δ很接近1/√3，所以完全可以使两台的负载电流达到均衡分配。为使晶闸管相控的整流装置运行取得较高的功率因数，整流变压器一般都需带有一台粗调用的有载负荷开关K，为此，这类整流变压器还需增加一台自藕变压器T0，配合上述有载负荷开关K实现粗调电压，所以这类变压器实际是一种三体合一整流变压器，其接线原理见图3。

这种三体合一整流变压器的体积显然比同容量的单体整流变压器大，电能损耗加大，制造成本也增加不少。

发明内容

本发明的发明目的是，针对单体12脉波整流变压器阀侧Y/Δ绕组负载电流分配不均的问题，提出一种新的解决方案。

本发明的发明目的通过如下技术方案实现：一种单体12脉波整流变压器，包括一个连接调压开关的整变网侧绕组和两个阀侧绕组，两个阀侧绕组一个为Y绕组，另一个为Δ绕组，其特征在于，所述单体12脉波整流变压器增设有三个小型单相辅助变压器，三个辅助变压器的铁芯分别套接在所述Y绕组各相的线路上，铁芯上的初级绕组与该铁芯所在线路上的相绕组并联，并以穿过该铁芯的线路作为该辅助变压器的次级绕组。

该单体12脉波整流变压器利用其Y绕组的相绕组提供小量电能向辅助变压器初级绕组供电，在其次级得到同相位的补差电压，补偿给Y绕组，从而使Y绕组与Δ绕组的相电压之比趋近1/√3。本发明中称辅助变压器为小型辅助变压器，因为其容量相对于主变压器而言非常小，在年产二万吨碱的电解行业，三相辅助变压器的总容量约是主变压器的0.005倍。本发明中所称的使Y绕组与Δ绕组的相电压之比趋近1/√3，指相比于未设置辅助变压器而言。

作为优选方案：

所述辅助变压器的铁芯套接在靠近中性点的导电联接母排上，如此绝缘工艺要求较低。

为降低电磁噪音，所述辅助变压器的铁芯压紧固定在所述整流变压器的油箱内。

所述辅助变压器的铁芯为铁基非晶铁芯或由有取向的高矽薄钢片构成，具体通过具有一定宽度的带材紧密卷绕、层叠至所需厚度，得到的方形环构成，或由上述方形环切成两半并磨平端面而形成的两个U形铁芯组件端面对接构成。

所述辅助变压器的铁芯每层由2至4片高矽薄钢片砌合而成的方形环片交错堆叠至一定厚度后构成。

所述辅助变压器的初级绕组穿绕分布在其铁芯的两侧芯柱上，之间留有供导电联接母排穿过的间隙。

所述整流变压器的整变网侧绕组的各相绕组上可以分别串联一移相绕组。本发明使用在较低电压的大型整流变压器网侧移相系统效果更佳。因为较高阀侧电压的整流变压器由于次级匝数本较多，增加网侧移相绕组后，Y绕组与Δ绕组的相电压之比本身已可做到趋近1/√3，而对于低电压的大型整流变压器，次级有时只有几匝，它虽有移相绕组，Y绕组与Δ绕组的相电压之比仍较大幅度偏离1/√3。

本发明还提供一种等效多相制整流机组，其特征在于，其包括上述单体12脉波整流变压器。这里的多相指12相以上。

有益效果：

本发明方案等效于在原来Y绕组相电压基础上叠加了一个同相位的电压，达到提升Y绕组相电压，使其与Δ绕组相电压之比趋近1/√3的目的。通过计算两阀侧绕组的容量差额，再利用辅助变压器进行补偿，可以达到使主变压器阀侧两组容量S_Y＝S_Δ(S_Y表示Y组的视在功率，S_Δ表示角组的视在功率)的目的，相较于目前任何方案，本发明方案可达最佳趋近值，没有因均衡电流导致的影响机组电参数及经济效益的问题。以型式容量1MVA、阀侧空载相电压250v的单体12脉波整流变压器为例,应用本发明方案前，其Y绕组相电压与Δ绕组相电压的1/√3之差是2.56V，采用本发明方案后仅差0.0266V，即未采用本发明方案前，Y/Δ的匝比偏离1/√3通常在1％左右，采用本发明方案后，偏离将降至万分之1，在大功率12脉波整流装置的实际应用上，这种微小电压差值导致的均衡电流值是可以忽略的。另外，本发明相较现有产品对于解决单体12脉波整流变压器Y/Δ电压不平衡问题所产生的附加有功损耗最小，以年产2万吨碱机组为例，三相辅助变压器的总有功损耗仅约为0.5kw，而且12脉波等值工况最佳，解决12脉波不等效问题所需的附加成本最低，并且实施工艺简单。三体合一12脉波整流变压器有功损耗大约比本发明同容量的单体12脉波整流变压器增大10％左右。例如：某厂ZHSSPT-11600KVA/22KV的12脉波三合一整流变压器总有功损耗是102kw，而同产量的采用本发明方案的单体12脉波整流变压器有功损耗仅约93kw。总之，本发明方案能带来明显的经济效益，而且适用性强，尤其是应用在等效多相制的二极管整流装置中，在解决环流、平衡负荷等方面产生的经济效益会更加显著。

附图说明

图1为单体12脉波整流变压器的接线原理图；

图2为图1中整流机组直流输出在2π电气角度内12个脉动波头的波形图；

图3为12脉波双体整流变压器带自耦调压变压器的接线原理图；

图4a为采用自饱和电抗器延迟整流元件导通时刻后的波形示意图；

图4b为采用晶闸管相控延后相位后的波形示意图；

图5为单体12脉波整流变压器带平衡电抗器接线原理图；

图6为本发明单体12脉波整流变压器的接线原理图；

图7是理想型低漏磁辅助变压器的结构示意图；

图8是通用型低漏磁辅助变压器的结构示意图；

图9a是由不等长U片与横片砌合的无取向高矽钢片铁芯的平面图；

图9b是4片横片砌合的有取向高矽钢片铁芯的平面图；

图9c是两片L形片砌合的有取向高矽钢片铁芯的平面图；

图10是单体12脉波整流变压器附加辅助变压器和移相绕组的接线示意图。

具体实施方式

本实施例的单体12脉波整流变压器如图6所示，包括一个连接有有载负荷开关K的整变网侧绕组T1-W和两个阀侧绕组，两个阀侧绕组一个为Y绕组T1-F1，另一个为Δ绕组T1-F2，Z1、Z2分别表示Y绕组供电的整流装置和Δ绕组供电的整流装置。为平衡Y绕组T1-F1、Δ绕组T1-F2之间的电压差，本发明设计制造三个穿心式小型单相辅助变压器T5_A、T5_B、T5c分别套接于单体12脉波整流变压器主变压器T1(由整变网侧绕组T1-W和两个阀侧绕组构成)阀侧Y绕组T1-F1的各相线路上，在Y绕组T1-F1的各相线路上产生一个与该相电压同相位的补差电压，达至使单体12脉波整流变压器阀侧Y/Δ绕组T1-F1、T1-F2相电压之比非常趋近1/√3的目的。

具体接线原理见图6，本实施例中，三个辅助变压器T5_A、T5_B、T5c的铁芯具体套接在Y绕组T1-F1各相靠近中性点的导电联接母排上，铁芯上的初级绕组与该母排上的相绕组并联，并采用穿过该铁芯的母排作为该辅助变压器的次级绕组。该方案等效于给Y绕组T1-F1的相电压叠加一个同相位的辅助电压，以将其相电压提升至与Δ绕组的相电压之比趋近1/√3的程度。

本发明辅助变压器铁芯套接在导电联接母排近中性点侧，因连接在该位置，对绝缘的要求较低。本发明采用有载负荷开关K作为调压开关，变压器无需停电就可调压。

本发明采用辅助变压器来弥补主整流变压器Y/Δ匝比≠1/√3而减少的电压，可做到相较于目前任何方案，更趋近最佳值的效果。而且本发明相较于现有产品对于解决12脉波整流变压器Y/Δ电压不平衡问题所产生的附加有功损耗最小，且不存在因均衡电流而影响机组电参数及经济效益的问题，另外，12脉波等效工况最佳，解决12脉波不等效问题所需的附加成本最低。再者，本发明还具有实施工艺简单的特点。

辅助变压器制作简单，投资小，本发明具有明显的经济效益，综合效益高，适用性强，尤其是应用在等效多相制的二极管整流装置中，在解决环流、平衡负荷等方面能产生的经济效益会更加显著。以型式容量1MVA，阀侧空载相电压250v的单体12脉波整流变压器为例,应用本发明之前，其Y组相电压与Δ绕组相电压的1/√3之差是2.56V，采用本发明方案后，差值仅为0.0266V，在大功率12脉波整流装置的实际应用上，该微小电压差值导致的负荷分配差值可以忽略。

上述整变网侧绕组T1-W可以是Y绕组、Δ绕组、或它们的其他变形扩展接线组合方式，例如：多边形，延边三角，延边Y,及其相位的变化的组合。

本发明中的两个阀侧绕组应被理解为包括Y和Δ的各种相位接线变化，例如：Y0角11，Y1角0，Y0角7等二十多种接法，及其变形的延边接法，例如延边三角，曲折Y等。

辅助变压器设计参数的确定

根据单体12脉波整流变压器设计的匝比求出Y绕组的相绕组与Δ绕组的相绕组的电压差，根据Y绕组的相电压Uφ与这电压差(计入穿心变的效率)就可确定辅助变压器的变压比。辅助变压器的额定容量≈Iφ*Uφ*0.01025，Iφ表示Y绕组的相电流，0.01025为Y绕组线电压跟Δ绕组线电压差百分数的小数形式，可通过上述公式求出辅助变压器初级绕组的额定电流值，再根据该额定电流值确定导线截面面积。铁芯的截面积根据采用的材料及型号如采用的矽钢片型号选择合理磁通密度确定。最后还需核算辅助变压器的有功总损耗值(计算略)。

须注意的是，穿心式辅助变压器的结构设计，应尽可能使其漏磁相对较小，结构牢固。

辅助变压器的优选结构

1)理想型低漏磁辅助变压器的结构

理想型辅助变压器的每个单体变压器的铁芯采用铁基非晶铁芯，用一定宽度的带材在长方形的模子上紧密卷绕、层叠至所需厚度构成。这种材料的铁芯单位重量电能损耗较小，其铁芯导磁特性导致其起始导磁率较低，在Y绕组相电压较低时，补偿电压也能保持较理想的匝比线性关系。如图7所示，单体变压器的初级绕组B穿绕分布在铁芯F芯柱的两侧，D为初级绕组绝缘支架。导电联接母排A从铁芯F两芯柱上初级绕组B之间的间隙穿过，铁芯F通过母排绝缘支架C安装在导电联接母排A的上、下侧。本实施例中铁芯F由2个U形铁芯构成，U形铁芯是委托磁芯制造厂在卷绕工序完成后切开成两半并磨平端面后构成，以便于套扣初级绕组B及Y绕组的导电联接母排A。为让两U形铁芯端面紧密贴合，在铁芯F的上下端面分别设置铁芯夹具E，并通过配绝缘套垫的螺栓G拉近两铁芯夹具E，从而夹紧中间的两U形铁芯。铁芯夹具E上设置限位挡板J，以更好的固定铁芯F位置。H为铁支承架，固定在在下的铁芯夹具E下方，承托整个结构，主要用于调整整个结构的安装高度。

鉴于构成上面铁芯的材料来源有限，也可采用有取向的高矽薄钢片如上卷绕成铁芯，如型号为30QG120G的高矽薄钢片。

上述辅助变压器的铁芯卷绕方式，使铁芯气隙小，可减少漏磁，初级绕组两侧缠绕的方式，使得变压器的结构更加紧凑，也能进一步降低漏磁。

2)通用型低漏磁辅助变压器的结构

通用型辅助变压器T5的每个单体变压器的铁芯，由冲制成不等长U片11及横片12的无取向高矽薄钢片砌合并交错叠至所需厚度构成，如图9a所示。上述通用型的辅助变压器的铁芯也可以由有取向的4片高矽钢片横片13、14砌合并交错叠至所需厚度构成，如图9b所示。也可如图9c所示，由L形的两片高矽钢片15砌合并交错叠至所需厚度构成。

相比于铁基非晶铁芯，上面两种结构的铁芯在Y绕组相电压很低的情况下，补偿电压不成线性变化，但由于在很低相电压工况下，Δ/Y绕组负载电流分配不平衡影响已很弱，所以实际上，上述铁芯基本也能满足要求，而且上述结构的铁芯简化了产品制造工艺。

如图8所示，单体变压器的初级绕组B穿绕分布在铁芯F芯柱(长方形铁芯的长边)的两侧，之间由初级绕组绝缘支架D间隔。导电联接母排A从铁芯F两芯柱上初级绕组B之间的间隙穿过，铁芯F通过母排绝缘支架C安装在导电联接母排A的上、下侧。本实施例中采用图9a所示铁芯，在铁芯F的上、下端，分别设置一套铁芯夹具E，每套铁芯夹具E由两个夹片构成，这两个夹片沿着铁芯中钢片叠垒方向设置，两片夹片间通过配绝缘套垫的螺栓G拉近，夹紧其中的铁芯F，从而组成铁芯F的钢片彼此紧密贴合。H为铁支承架，固定在在下的铁芯夹具E下方，承托整个结构，主要用于调整整个结构的安装高度。

上述辅助变压器初级绕组两侧缠绕的方式，使得变压器的结构紧凑，能降低漏磁。

上述铁芯的材料与其制造工艺只是一种优选组合，并限制它们只能如上进行组合。

为防电磁噪音，上述铁芯经牢固压紧后固定在整流变压器的油箱内。如整流变压器油箱内空间不足，其所在室内场地较宽阔，也可以将辅助变压器穿套在Y绕组各相绕组导电联接母排的引出线路上。

本发明保护一种由上述单体12脉波整流变压器构成的12脉波整流机组。在上述方案基础上，本发明还可作如下扩展：如在上述整流变压器的初级绕组(也即整变网侧绕组)的各相绕组上分别串联一移相绕组UU1、VV1、WW1，如图10所示，然后由一个以上这种整流变压器构成等效多相制整流机组，如等效24相，等效36相，等效48相等。等效多相制的多机组系统内若有一组(次级Y角)的单体12脉波整流变压器其Y绕组采用了本发明辅助变压器方案同属本发明保护范围。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的发明构思，并不用以限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单体12脉波整流变压器，包括一个连接调压开关的整变网侧绕组和两个阀侧绕组，两个阀侧绕组一个为Y绕组，另一个为Δ绕组，其特征在于，所述单体12脉波整流变压器增设有三个小型单相辅助变压器，三个辅助变压器的铁芯分别套接在所述Y绕组各相的线路上，铁芯上的初级绕组与该铁芯所在线路上的相绕组并联，并以穿过该铁芯的线路作为该辅助变压器的次级绕组，上述辅助变压器工作时，在其次级产生一个同相位的补差电压，使Y绕组与Δ绕组的相电压之比趋近于1/√3。

2.根据权利要求1所述的单体12脉波整流变压器，其特征在于，所述辅助变压器的铁芯套接在靠近中性点的导电联接母排上。

3.根据权利要求2所述的单体12脉波整流变压器，其特征在于，所述辅助变压器的铁芯压紧固定在所述整流变压器的油箱内。

4.根据权利要求3所述的单体12脉波整流变压器，其特征在于，所述辅助变压器的铁芯为铁基非晶铁芯或由有取向的高矽薄钢片构成，具体通过具有一定宽度的带材紧密卷绕、层叠至所需厚度，得到的方形环构成，或由上述方形环切成两半并磨平端面而形成的两个U形铁芯组件端面对接构成。

5.根据权利要求3所述的单体12脉波整流变压器，其特征在于，所述辅助变压器的铁芯每层由2至4片高矽薄钢片砌合而成的方形环片交错堆叠至一定厚度后构成。

6.根据权利要求4或5所述的单体12脉波整流变压器，其特征在于，所述辅助变压器的初级绕组穿绕分布在其铁芯的两侧芯柱上，之间留有供导电联接母排穿过的间隙。

7.根据权利要求1所述的单体12脉波整流变压器，其特征在于，所述整流变压器的整变网侧绕组的各相绕组上分别串联一移相绕组。

8.一种等效多相制整流机组，其特征在于，其包括权利要求1-7任一权利要求所述的单体12脉波整流变压器。

Images