CN1845438A

CN1845438A - 无电压差单铁芯低损耗12p整流变及制造方法

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Publication number: CN1845438A
Application number: CN 200510065395
Authority: CN
Inventors: 卢建军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-16
Filing date: 2005-04-16
Publication date: 2006-10-11

Abstract

本发明涉及大功率整流变压器技术领域，在单个铁芯上阀侧绕组作成一个Y、一个Δ构成十二相整流系统，由于阀侧绕组每相串联匝数较少，两组接法不同的绕组的匝数比很难作成1∶

，合理匝比适合实际情况的如11/19匝数较大，只能适用于中等容量电压较高场合。本发明是单铁芯12P整流主变通过串联辅助变压器的附加电压使YΔ电压平衡，使12P整流主变获得单铁芯高压单绕组电力变压器的通用设计，克服大整流技术中阀侧Y/Δ匝数比很难作成1∶

在电压差不能使用的偏见，获得比共轭及双铁芯组成的12P整流变压器损耗低的有益效果。

Description

无电压差单铁芯低损耗12P整流变及制造方法

1技术领域本发明涉及大功率整流变压器技术领域

2背景技术

2.1 2003年10月《中国氯碱整流技术高级培训班教材》有关介绍

2.1.1氯碱协会对等效整流相数的选择

由于整流设备所产生的高次谐波电流的频次主要取决于整流设备的整流相数(亦即整流脉波数P)而高次谐波电流的绝对值I_n又与频次成反比。因此，增加等效整流相数是消除绝对值较大的低频次谐波电流的最有效措施。中、大型整流设备所采用的整流电路主要是三相桥式和双反星型带平衡电抗器这样两种。采用双反星形电路时，单台设备的整流脉波数只能等于6；采用三相桥式电路时从理论上讲可做到12但并不是任何一台采用三相桥式电路的整流设备都可以作成P＝12，只有在阀侧绕组分裂成△、Y接两组且两组的每相串联匝数之比为下列值时(11/19、15/26、18/31、19/33……)才有可能。当然，匝数比4/7、7/12等也较接近但偏差都超过了1.0％，除万不得已一般不推荐使用。由于合理的匝数比的最低值为11/19，对于中等容量的变压器只有当直流额定电压大于600V时方有可能采用。为获得单台设备的P值为12，还有另外一种方案可供选择，即整流变压器铁芯采用共轭式结构，这种结构的实质是将两个容量相同的铁芯迭加一起而构成的。其主要性能指标与两铁芯独立时相差无几。由于其效益并不明显且制造工艺较复杂，故未能广泛使用。综上所述。不难看出，多数情况下单台整流设备只能作到P＝6。

2.1.2氯碱协会对整流设备的移相

在整流变压器绕组上实施移相，这是应用得较为普遍的一种移相方法：大体上有两种作法：一种是在网侧绕组上移相。另一种则是在伐侧绕组上移相。由于电化学用整流设备多为低电压大电流设备其阀侧绕组每相串联匝数很少，因此在阀侧绕组上移相，实施起来非常困难。故工程应用中无使用先例。但是，有一种情况例外：当采用三相桥式整流电路且直流输出电压较高时，可将阀侧绕组分裂成两组，一组作Y接，一组作△接；为使两组阀侧绕组的变比相同，必须使它们每相串联匝数比等于或非常接近于如：11/19、15/26、18/31、19/33等。这样，可以在单台设备上获得十二相整流系统。在整流变压器网侧绕组上实施移相，最常见的办法是：当并联运行的设备台数为偶数时，将其中一半设备的整流变压器网侧绕组作Y接：另一半则作△接，所有变压器阀侧绕组接线相同，如是形成等效十二相整流系统。

在单个铁芯上要构成十二相整流系统，除了前面已谈到的将阀侧绕组分裂成两组分别作Y、△接之外，还可以采用共轭式铁芯来实现。共轭式铁芯是将两个三芯柱铁迭加在一起共用一个铁轭，整体呈田字形。变压器的网侧绕组一个作Y接、另一个作△接，两组伐侧绕组的接法相同。其移相效果与两台变压器网侧绕组一个作Y、一个作△接时相同。从理论上讲，采用共轭式铁芯时，也可将两组伐侧绕组作成一个Y、一个△；网侧绕组接法相同。由于阀侧绕组每相串联匝数较少，两组接法不同的绕组的匝数比很难作成

故实际应用中均不采用这种方法。

采用共轭式铁芯的整流变压器，由于两组网侧绕组的接法不同，故流经中间铁轭的磁通应当是接法不同的两组网侧绕组所对应的主磁通的几何差。由于两组网侧绕组因接法不同使其感应电势间存在30°的电位差，故其主磁通间的相角差亦为30°，假设两组主磁通的幅值相同，中间轭的磁通约为主磁通的51.8％，如果铁芯任意断面的磁密B相同，则中间轭铁芯的截面积只需为上、下铁轭截面积的51.8％。

共轭式铁芯整流变压器，单台构成十二相整流系统，在不增加变压器型式容量前提下，还省去了1.5个铁轭，和总容量相同两铁芯分立的变压器组相比，总投资和总损耗都明显降低。但和采用三相桥式电路伐侧桡组分别作Y、△接所形成的十二相整流系统比，共轭铁芯结构变压器的造价和损耗都要高些。但共轭铁芯结构可使在任何一种整流电路上，这又是前者所不及的。

带与芯柱可分离的中轭的单铁芯12P整流变是克服传统共轭12P整流变的不足，改阀侧为Y△移相，网侧两高压绕组匝数不相同，中轭可减少到为芯柱的4％，这种变压器属磁分路型式变压原理，使Y△电压相等。与共轭12P整流变压器相比仅节省了50％的中轭损耗，但Y△匝数不平衡，存在阻抗不平衡，会引起整流谐波增大。

2.2我国单机12P使用概况

我国单机12P使用不多，多为单机6P，即使是单机12P也是由双铁芯组成或共轭铁芯构成。单铁芯12P用户更少，其原因是合理匝比适合实际情况的如11/19匝数较大，只能适用于中等容量电压较高场合，再大的匝比对大容量变压器不适用，否则破坏变压器设计的几何相似，铁芯细而高这等同于将两台变压器上下迭加，或增加铁芯窗口横向大小必使线圈周长过大，两者都会使P_K/P_O值过大，P_K值增大。4/7，7/12，8/14氯碱协会除万不得已一般不推荐使用，即使使用存在Y△两桥直流电流不平衡(经计算电压差1％，阻抗u_d％＝10％两桥电流差达20％)及直流电流不平衡引起的网侧剩余5、7次谐波电流双重不良影响，纵上所述适合实际情况的匝比选择单一，所以单铁芯12P用得少之又少，单机组12P多为双铁芯形式，其实质是两台单机6P做在一个变压器油箱内。

3发明内容

3.1发明目的经计算单铁芯整流变阀侧Y△移相各种匝比电压偏差最大不超过4％，本发明是12P整流主变阀侧通过串联辅助变压器的附加电压使Y△电压平衡，使12P整流主变获得单铁芯高压单绕组的电力变压器的通用设计，克服大整流技术中阀侧Y/△匝数比很难作成

存在电压差不能使用的偏见，获得比共轭及双铁芯组成的12P整流变压器损耗低的有益效果。

3.2Y/△匝比选择及电压偏差值等数据

下表3.3共列出了6组Y/△匝比数据，增加了电压偏差值达4％几组数据，如3/5，5/9，6/10，(9/16，10/17，11/19，12/21等组合表中未列出，因计算方法相同)这样使变压器设计有了比较充分匝数选择。

表3.3

3.3电压差消除的实现

利用串联辅助变压器的原理将主变阀侧Y或△电压低的升高。

Y侧加辅助变压器升压原理接线如图1所示，图中只画出一相，辅助变压器一次线圈也可接至主变阀侧△绕组上。

△侧加辅助变压器升压原理接线矢量图如图2所示，图中只画出一相。

以上原理可用于同相逆并联和非同相逆并联电路中。

3.4辅助变压器总容量占主变容量百分比计算

Y接电压低者

△接电压低者

计算结果在上表3.3中。

3.5辅助变压器原边匝数N的确定

设Y接阀侧电压U_Y，△接阀侧电压U_△，由于辅助变压器原边N匝副边一匝，变比为1/N。

则Y侧加辅助变压器时辅变原边接Y侧相电压，其匝数N利用下式计算

(U_{Y} + U_{Y} / N) \sqrt{3} = U_{Δ}

△侧加辅助变压器时辅变原边接Y侧线电压，其匝数N利用下式计算

\sqrt{3} U_{Y} - U_{Δ} = 3 U_{Y} / N)

计算的匝数N如表3.3所示。

3.6辅助变压器芯柱截面与主变铁芯截面比值的计算

设主变铁芯截面S_主，辅变铁芯截面S_辅，B_m相同，利用公式

U＝4.44fwB_mS

Y接电压低者主磁通以△接计算得

U_△＝4.44fw_△B_mS_主……(1)

辅助变压器副边需升高的电压为

U_{Δ} / \sqrt{3} - U_{Y}

得

(1)式除以(2)式式中U_△，U_Y，w_△，w_辅可用匝数代入w_辅为1得

计算结果在上表3-2中

△接电压低者主磁通以Y接计算得

U_Y＝4.44fw_YB_mS_主……(3)

辅助变压器副边需升高的电压为

U_{Y} - U_{Δ} / \sqrt{3}

得

(3)式除以(4)式同理得

计算结果在上表3.3中

3.7辅变几何相似即辅变经济实用性分析

变压器设计铁芯直径D计算公式

D = K \sqrt{P / 3}

得主变铁芯直径辅变铁芯直径

则主辅变铁芯面积之比

用表3.3P_辅/P_主容量比值代入得几何相似变压器的S_主/S_辅，比值计算结果在表3.3中，通过数据看出辅变铁芯截面符合几何相似要求(截面宁偏大不宁偏小)，只有匝比4/7时辅变截面偏小近一半，可通过增加辅变芯柱高度设计。

3.8需要指出的是：一、辅变阻抗能弥补Y△阻抗不平衡。二、辅变原边取用1/N阀侧出线电流所增加的主变损耗不能算作额外，因为理想情况下Y△容量相等，实际为做到Y△容量相等需补偿阀侧某组所欠的非整数匝数已不可能，但可将非整数匝数容量增加在所取用阀侧绕组的导线截面上，经计算所增加的I/N倍截面正好为大小为1/N的辅变电流取用。

4单铁芯12P整流的理想效果

4.1在总容量不变的情况下根据电机几何相似原理得采用一台大容量变压器和两台容量相同的小变压器两种方案在总重量总造价和总损耗方面存在下列关系：

Σ G_{N} / G_{1} = Σ S_{N} / S_{1} = ΣΔ P_{N} / Δ P_{1} = \sqrt[4]{N}

当N＝2时值等于1.18即采用两台6P变压器等效组成12相整流其变压器重量、造价、损耗是一台单铁芯12P变压器的1.18倍。增加的辅助变压器损耗由于容量甚小其损耗也少，而4％中轭可分离共轭铁芯12P整流变中轭虽小但高压绕组分裂，高压绕组匝间等绝缘及散热的需要难与本方法设计的变压器几何相似，其主要性能指标与传统共轭结构相差无几。

4.2单铁芯12P变压器阀侧Y△绕组5、7、17、19次谐波电流相位相反，合成磁势近似为零，主变高压绕组无5、7、17、19次谐波电流流过，双铁芯12P即两台6P整流变压器等效组成12相整流，其变压器高压绕组有5、7、17、19次谐波电流流过。设单铁芯变压器高压绕组损耗P_KH，则与单铁芯变压器容量相同的双铁芯变压器高压绕组损耗为1.18×1.0647P_KH＝1.256P_KH(1.0647为桥式整流120°方波电流有效值除以该电流不含5、7、17、19次谐波电流分量情况下(即单铁芯变压器高压绕组电流)有效值的商的平方)这为单身器双铁芯12P设计成单铁芯12P又增加一条好处。同时将单机组6P整流设计成单铁芯12P整流不仅增加了整流脉波数还减少了变压器高压绕组谐波损耗。

4.3为了达到某种移相要求，如3台6P组成18相整流，一般用变压器网侧延边三角(有时4台6P组成24相整流也用此法)等法移相，其移相容量较大，由单铁芯12P组成多相整流系统比6P组成多相整流系统节省网侧移相容量。

4.4多相整流既要使并联运行设备台数尽可能少，又要使等效整流相数足够多，而多数情况下(对过去技术来讲)单台整流设备只能作到P＝6，以将谐波电流抑制在允许范围内的确不是一件易事，所以氯碱协会推荐氯碱厂多相整流方案做到24P即可，过高的P会导致投资及运行成本增加，24P整流含23、25次谐波，可通过控制角和重叠角的综合制约作用减少23、25次谐波(但效果仅一半)方法可提高整流器接入电网的容量，而单铁芯12P的应用满足上述要求是顺理成章的事。

4.5由6P组成多相整流系统要求负荷平衡，对氯碱厂或由于产品结构调整等因素负荷不平衡，多相整流不完全谐波电流增大，特别是在一台检修时。而用由单台12P组成多相整流系统在负荷不平衡或检修时不存在谐波分量较大的5、7次谐波，其他高次特征谐波也远比6P组成多相整流系统少。

5附图说明

图1是整流变阀侧星接电压低者串联辅变原理接线图(图中只画出一相)图中①是阀侧星接绕组，②是辅助变压器。

图2是整流变阀侧角接电压低者串联辅变原理接线图(图中只画出一相)图中①是阀侧星接绕组，②是阀侧角接绕组，③辅助变压器。

图3是辅助变压器同相逆并联单相壳式结构，①是辅助变压器一次绕组，②是同相逆并联阀侧铜排。

图4是辅助变压器同相逆并联三相三柱式结构(图中只画出一相)①②是同相逆并联阀侧出线铜排，③是辅助变压器一次绕组。

6具体实施方式

6.1辅助变压器结构形式

辅助变压器结构形式有两种操作方案。

6.1.1辅助变压器结构形式的设计I

辅助变压器副边使用一匝，又大功率整流变为同相逆并联出线，同相逆并联即是两组同相电压方向相反电流方向相反且靠近安装。根据电磁感应原理，该相两只辅助变压器可合成一体，结构是单相壳式，套在一相同相逆并联两根出线铜排上，如图3所示。一台主变需三台辅变，该辅变芯柱截面是表3.3所述二倍。因辅变容量小效率低，为降低铁耗用非晶态合金材料替代硅钢片制作辅变，大幅降低铁损。辅变安装方式1将辅助变压器铁芯套在阀侧出线铜排上，类似硅整流变中磁饱和电抗器安装方式，安装方式2辅变为外附形式利用阀侧出线穿过辅变窗口作辅变二次侧，自然利用了变压器至整流器之间的连接铜排进一步减少辅变损耗。

6.1.2辅助变压器结构形式的设计II

辅变用三相式与主变共轭或不共轭结构，采用共轭结构主变辅变芯柱磁通方向应相同，主变磁通被共轭部位分流，总效果是仅增加了辅变芯柱铁芯，同相逆并联接线如图4所示，图中仅画一相同相逆并联绕组加辅变的原理图(构成12P的另一组绕组未画出，高压绕组未画出)。

6.2主变每相芯柱也可单独设计一匝或数匝线圈星型连接供辅变一次侧，有关匝数数据计算原理参照本文。

Claims

1.一种整流变压器，由单铁芯阀侧YΔ移相12P的整流主变和辅助变压器组成，其特征是主变阀侧YΔ绕组电压不平衡通过Y或Δ电压低者串联辅助变压器以消除，该整流变压器与容量相同的共轭或两台6P变压器组成等效12P整流相比其总重量总造价和总损耗比值为1/1.18，高压绕组损耗比值为1/1.256。

2 根据权利要求1所述的整流变压器，其特征是阀侧出线穿过辅变铁芯窗口作辅变二次侧，阀侧出线有同相逆并联和非同相逆并联。

3 根据权利要求1所述的整流变压器，其特征是辅变原边供电方式I通过主变Y接绕组供电或用等效矢量的主变Δ接绕组供电，供电方式II通过主变每相单独设置的一匝或数匝星型绕组供电。

4 根据权利要求1所述的整流变压器，其特征是使用该变压器组成多相整流系统时节省网侧移相容量，增加整流相数提高整流器接入电网的允许容量，在负荷不平衡多相整流不完全时谐波电流少。

5 根据权利要求2所述的整流变压器，其特征是同相逆并联出线的辅变结构I为单相壳式，安装方式在主变内或主变外，辅变结构II是与主变共轭或不共轭的三相三柱式。