12脈波整流變壓器結(jié)構(gòu)型式的選擇

12脈波整流變壓器結(jié)構(gòu)型式的選擇??

在大型的電化學(xué)或電冶金用直流電源系統(tǒng)中，同相逆并聯(lián)12脈波整流機(jī)組是組成24相、36相、48相整流系統(tǒng)的基本組成單元。12脈波整流機(jī)組主電路的連接型式有兩種方案：一種是由一臺整流變壓器與兩臺整流裝置組成的單機(jī)組12脈波整流電路（簡稱“單機(jī)組12脈波整流電路”）；另一種是由置于同一油箱內(nèi)的兩臺完全獨立的整流變壓器與兩臺整流裝置組成的雙機(jī)組等值12脈波整流電路（簡稱“等值12脈波整流電路”）。二者的連接方式如圖1、圖2所示。

上述兩種連接方式的整流電路，對12脈波整流輸出電壓（電流）波形的對稱性以及對網(wǎng)側(cè)諧波電流的影響是不同的，應(yīng)引起設(shè)計人員和用戶的注意。

1兩種連接方式對諧波電流的影響

理想情況下，12脈波整流電路運行過程中，不會在網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生5次和7次諧波電流。但單機(jī)組12脈波整流電路，由于變壓器兩個閥側(cè)繞組的輸出電壓和阻抗不容易做到很一致，使得運行時存在著嚴(yán)重的負(fù)荷分配不均的問題。需要通過晶閘管相控或飽和電抗器的勵磁調(diào)節(jié)來糾正這種偏差，從而導(dǎo)致二個三相橋晶閘管導(dǎo)通的相位差不能嚴(yán)格地保持為30°，使得網(wǎng)側(cè)仍然存在5次和7次諧波電流。

對于等值12脈波整流電路，由于變壓器兩個閥側(cè)繞組的輸出電壓和阻抗容易做到一致，而不會破壞12脈波的對稱性。

圖1單機(jī)組12脈波整流電路

圖2等值12脈波整流電路

2閥側(cè)繞組之間負(fù)荷電流分配不均的問題

2.1單機(jī)組12脈波整流電路單機(jī)組12脈波整流電路，其整流變壓器網(wǎng)側(cè)只有一組繞組，導(dǎo)致兩組閥側(cè)繞組間負(fù)荷分配不均的原因是Y接和△接這兩組繞組間匝比NY/N△偏離1/，彼此理想空載直流電壓Udio不相等，因此，負(fù)荷分配不可能平均。整流變壓器閥側(cè)兩組繞組間的匝比NY/N△值接近1/的可取整數(shù)比為4/7（偏差1.04％）、7/12（偏差1.02％）、11/19（偏差0.27％）。由此可見，將NY/N△做成11/19，可使△Udio偏差減到最小，改善電流分配不均問題。但由于變壓器結(jié)構(gòu)上的合理性和制造方面（變壓器變比越大尤其如此）的原因，這樣的匝比實際上是不容易做到的。

對于三相橋式整流電路，整流變壓器閥側(cè)繞組間匝比NY/N△=4/7時，理想空載直流電壓之差△Udio=1.04％。但兩組整流器的負(fù)載電流分配卻相差很大。因為變壓器網(wǎng)側(cè)繞組的電抗X1＊為各整流橋公有，對整流橋間的負(fù)載電流分配沒有調(diào)節(jié)作用。負(fù)載電流分配完全取決于各組閥側(cè)繞組電抗值X2＊=XY＊＋X△＊和閥側(cè)連接母線的電抗XM＊。（其中XY＊為Y形連接繞組的電抗值，X△＊為△形連接繞組的電抗值）。根據(jù)有關(guān)資料計算結(jié)果表明：

當(dāng)變壓器二次電抗X△＊=XY＊=5％時，

IdY=0.2928IdnId△=0.7072Idn

當(dāng)變壓器二次電抗X△＊=XY＊=10％時，

IdY=0.3964IdnId△=0.6036Idn

由此可見，變壓器二次電抗數(shù)值愈小，負(fù)載分配相差就愈大。有實際例子可以證明這一點。蘭州有一用戶采用這種單機(jī)組12脈波二極管整流電路，投運后發(fā)現(xiàn)，其中一整流橋直流電流達(dá)到12000A（額定值）時，另一整流橋的直流電流只有4500A。導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行，后來被迫重新改造。

?理論計算表明：增大整流變壓器二次電抗X2＊=X△＊＋XY＊，可以部分減小負(fù)載電流分配不均的問題。但完全依賴于增大X2＊的值來彌補△Udio的影響是不切實際的。因為要將二者（匝比4/7）的電流偏差△Id＊限制到3％以下，則要求整流變壓器二次電抗X2＊=X△＊＋XY＊達(dá)到69.3％。

?由于整流變壓器閥側(cè)△連接的電壓U2△大于Y連接的電壓U2Y，設(shè)想在變壓器設(shè)計時可人為地使X△＊比XY＊大4.16％，則在額定運行條件下，可以使二者的負(fù)載電流分配達(dá)到均衡。但由于整流變壓器閥側(cè)電抗可調(diào)整的只有變壓器內(nèi)部引線電抗和閥側(cè)母線電抗，可調(diào)節(jié)范圍很有限。而且，整流機(jī)組的負(fù)載率是隨生產(chǎn)工藝和備用機(jī)組的投切經(jīng)常變化的。所以，這樣的設(shè)想具有很大的局限性，實際上是做不到的。

?將整流變壓器繞組按分裂式變壓器結(jié)構(gòu)（如軸向分裂）設(shè)計，增大繞組間阻抗，也有利于改善負(fù)載電流分配不均問題。但針對晶閘管整流器而言，可能存在著其它不利于晶閘管安全運行的因素（下面另有分析說明）。

?采用晶閘管整流器雖然可以對兩套閥側(cè)繞組的電流作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使之達(dá)到均衡，但存在著其它不利于晶閘管整流器安全運行的因素（下面另有分析說明）。

?采用飽和電抗器進(jìn)行細(xì)調(diào)，能較好地解決二者負(fù)載電流分配不均問題。但也是有代價的。飽和電抗器占用的地方、增加的制造成本、本身的電耗和對功率因數(shù)的影響等都是不能忽略的。

2.2等值12脈波整流電路對于等值12脈波整流電路來講，就不存在因△、Y連接引起負(fù)載電流分配不均的問題。在等值12脈波整流電路中，盡管其整流變壓器的網(wǎng)側(cè)也有Y形連接和△形連接之分，但由于變壓器網(wǎng)側(cè)繞組匝數(shù)比閥側(cè)繞組匝數(shù)多得多，將匝數(shù)之比做到接近1/是很容易的事。又因為兩臺變壓器繞組的每匝電勢可以設(shè)計成不相等，完全可以使兩臺整流變壓器的閥側(cè)電壓U2Y=U2△、△Udio=0。再加上變壓器網(wǎng)側(cè)電抗X1＊不是公共的，對電流分配有調(diào)節(jié)作用，完全可以使兩臺的負(fù)載電流達(dá)到均衡分配。

3兩臺晶閘管整流器之間的兼容問題

圖3典型的6脈波整流器閥側(cè)電壓換相缺口波形圖

在12脈波整流電路中，整流主電路是由兩臺6脈波晶閘管整流橋組成的。二者之間的相位角（或控制延遲角）相差30°，由兩組完全獨立的閥側(cè)繞組供電。

整流裝置在運行過程中會導(dǎo)致電網(wǎng)各點電壓波形產(chǎn)生畸變，干擾電網(wǎng)上其它電氣設(shè)備的正常運行。同理，電網(wǎng)的擾動超過一定極限時，也會導(dǎo)致整流裝置規(guī)定性能的下降，使其運行中斷、甚至損壞。這就是整流器與所在電網(wǎng)的兼容性問題。按國標(biāo)GB10236－88的規(guī)定，兼容的含義是：第一，整流器對電網(wǎng)的干擾在電網(wǎng)的容許范圍之內(nèi)；第二，整流器接入電網(wǎng)后，整流器進(jìn)線上的電壓波動、頻率、波形等參數(shù)的擾動（包括其本身接入后引起的擾動）應(yīng)低于所選整流器的抗電網(wǎng)干擾極限值。

按照國標(biāo)GB10236?88的規(guī)定，B級抗擾等級的整流器允許的換相缺口極限值是：最大深度為40％；最大寬度為30°；最大面積為最大深度與最大寬度之積的1/10，即40×30×0.1=120。換相缺口過大，會造成觸發(fā)失敗、誤觸發(fā)或整流器工作不穩(wěn)定。一個典型的6脈波整流器其閥側(cè)的電壓換相缺口波形如圖3所示。電網(wǎng)換相的變流器在換相期間，參與換相的兩相交流端子被瞬間短路，使變流器閥側(cè)線電壓突降到接近于零，而導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)缺口。

在大型整流系統(tǒng)中，直流回路存在著很大的電感。當(dāng)直流電壓出現(xiàn)快速波動時，電感中的儲能被逆變饋送給電網(wǎng)。這個過程中整流器實際上是做逆變運行。國外公司對用于單機(jī)組12脈波整流的整流變壓器就要求：閥側(cè)繞組解耦因子α≤10％，以避免一個橋路（整流橋）運行所產(chǎn)生的陷落（換相缺口）干擾另一個橋路（整流橋），防止產(chǎn)生換相失敗。

?對于單機(jī)組12脈波整流電路，兩臺晶閘管整流橋由同一臺變壓器供電，兩閥側(cè)繞組間共一個磁路。一臺整流橋所產(chǎn)生的閥側(cè)換相缺口很大部分（80％以上）被耦合到另一組的閥側(cè)上，這就導(dǎo)致二者之間相互干擾。其主要影響在于：激發(fā)高頻振蕩，有可能產(chǎn)生過電壓；當(dāng)延遲角大于30°時，換相缺口處過高的dv/dt有可能導(dǎo)致晶閘管被誤觸發(fā)，使整流器工作不穩(wěn)定。

在武漢、長春兩地，曾有過類似的例子。用戶因采用單機(jī)組12脈波整流電路而導(dǎo)致晶閘管整流器難以可靠、穩(wěn)定地運行。

?對于等值12脈波整流電路，變壓器的兩個器身是完全獨立的，沒有共磁路的問題。兩臺整流橋所產(chǎn)生的換相缺口經(jīng)整流變壓器的漏抗衰減（到20％左右）之后，相互之間的干擾小得多。一般不會超過整流器的抗擾極限。所以等值12脈波整流電路的兼容好得多。

4造價的比較

單機(jī)組12脈波整流電路的變壓器，只有一個器身，一臺調(diào)壓開關(guān)。鐵心利用率高。所以有造價低、體積小之優(yōu)點。

等值12脈波整流電路的整流變壓器為雙器身結(jié)構(gòu)，需要兩臺調(diào)壓開關(guān)。相當(dāng)于化整為零，鐵心利用率也低。所以，有造價高和體積相對較大的缺點。

5結(jié)語

在兩種12脈波整流電路用整流變壓器的結(jié)構(gòu)方案選擇過程中，專業(yè)的整流變壓器和整流器制造廠家都會主張用戶采用等值12脈波整流電路的結(jié)構(gòu)形式，以保證技術(shù)和性能指標(biāo)的要求。