18脈波h級(jí)絕緣干式整流變壓器設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　工業(yè)用的直流電源大部分都是由交流電網(wǎng)通過(guò)整流變壓器與整流器所組成的整流設(shè)備而得到的，并廣泛應(yīng)用于冶金、化工和牽引等領(lǐng)域，如城市軌道交通、軋鋼電機(jī)的直流傳動(dòng)、同步電機(jī)的直流勵(lì)磁等。整流變壓器的作用是將交流電網(wǎng)電壓變換成整流裝置所需要的電壓，并通過(guò)相數(shù)和相位角的變換，改善交流和直流側(cè)的運(yùn)行特性。整流變壓器可將整流設(shè)備與電網(wǎng)電路隔離開(kāi)來(lái)，確保設(shè)備的安全，并且限制短路電流，減少整流設(shè)備對(duì)電網(wǎng)和其他并聯(lián)運(yùn)行整流設(shè)備相互間的電磁干擾，抑制晶閘管等整流元件的電流上升率。

　　由于干式變壓器的無(wú)油污染問(wèn)題，防潮、耐熱、阻燃、防腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活的各個(gè)方面。目前主要存在兩種主流類型的干式變壓器：一種是以歐洲為代表的樹(shù)脂澆注式干式變壓器(簡(jiǎn)稱ordt)，另一種是以美國(guó)為代表的浸漆式干式變壓器(簡(jiǎn)稱ovdt)。而作為h級(jí)絕緣的干式整流變壓器，以c級(jí)絕緣材料nomex紙作為絕緣介質(zhì)，具有更高的可靠性和環(huán)保特性，而且具有更好的經(jīng)濟(jì)性，受到廣泛的歡迎。

　　h級(jí)干式整流變壓器耐熱等級(jí)為180℃，主要絕緣材料為nomex紙，該絕緣紙是美國(guó)杜邦公司的專利產(chǎn)品，是一種以芳香酰胺纖維為基礎(chǔ)的合成絕緣材料，其本身為c級(jí)，耐熱等級(jí)達(dá)220℃。nomex紙還有許多優(yōu)點(diǎn)，是極佳的電氣絕緣材料，用其制造的變壓器可以防潮、阻燃，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，而且變壓器尺寸緊湊，占用空間小，變壓器抗冷熱沖擊、抗短路能力、抗過(guò)電壓能力均好于其它類型變壓器。尤其是h級(jí)整流變壓器的制造工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于需要多個(gè)抽頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多個(gè)移相繞組的整流變壓器來(lái)說(shuō)，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，使其制造加工周期短，成本低，真空壓力浸漬(vip)后繞組剛性好，機(jī)械強(qiáng)度得到保證，同時(shí)，由于有漆膜覆蓋在絕緣材料表面，提高了變壓器的防潮能力。

　　2 移相的形成及工作原理

　　干式移相整流變壓器是一種專門為中高壓變頻器提供多相整流電源的裝置，采用延邊三角形移相原理，通過(guò)多個(gè)不同的移相角二次繞組，可以組成等效相數(shù)為9相、12相、15相、18相、24相以及27相等整流變壓器。變壓器的一次側(cè)直接入高壓電網(wǎng)，其二次側(cè)有多個(gè)三相繞組，它按0°、θ°、…、(60-θ)°等表示延邊三角連接變壓器二次側(cè)的各低壓三相繞組，同時(shí)表示各低壓三相繞組線電壓相對(duì)對(duì)應(yīng)繞組的移相角。當(dāng)每相由n個(gè)h橋單元串聯(lián)時(shí)，θ=60°/n，實(shí)現(xiàn)了輸入的多重化，形成6n脈波整流。這樣，如果各h橋單元功率平衡，電流幅值相同，理論上一次側(cè)輸入電流中不含有6n±1以下各次諧波，并可提高功率因數(shù)，一般不需再配備無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。最適宜用于防火要求高、負(fù)荷波動(dòng)大的環(huán)境中，如海上石油平臺(tái)、火力發(fā)電廠、自來(lái)水廠、冶金化工、礦山建材等特殊的工作環(huán)境中。

　　多繞組干式移相整流變壓器是根據(jù)不同的用戶而設(shè)計(jì)，容量從200kva~10000kva不等，一次阻抗較大，變壓器的效率>98%，采用h級(jí)絕緣系統(tǒng)，繞組溫升限值120k。為了提高電能質(zhì)量，整流變壓器的輸出波形不像電力變壓器在一個(gè)周期內(nèi)只有三個(gè)正弦脈波，而是根據(jù)一次側(cè)電壓和裝機(jī)容量，確定每臺(tái)變壓器在一個(gè)周期內(nèi)的脈波數(shù)。高壓變頻調(diào)速技術(shù)目前呈現(xiàn)多樣化，以西門子技術(shù)為代表的級(jí)聯(lián)式多重化技術(shù)，基本可以做到完美無(wú)諧波，它采用整流變壓器將多個(gè)低壓模塊疊加(串聯(lián))而形成高壓輸出，功率器件采用igbt，目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)高壓變頻器廠家都是采用這種技術(shù)。abb的acs5000系列變頻器是三電平的拓樸結(jié)構(gòu)，36脈波的整流變壓器共有6個(gè)移相組，每?jī)蓚€(gè)移相組為一個(gè)變頻單元供電，功率器件為igct，abb還有一種變頻器采用12脈波整流逆變技術(shù)，其變壓器采用三繞組形式。以ab(rockwell)為代表的18脈波整流逆變技術(shù)，其需要整流變壓器采用三分裂形式。

　　整流變壓器作為這一技術(shù)的重要構(gòu)成，是伴隨高壓變頻器的技術(shù)而出現(xiàn)并迅速發(fā)展的。根據(jù)變頻器單元數(shù)和電壓等級(jí)的不同，移相整流變壓器輸出繞組數(shù)和電壓也不同，3kv的多采用3級(jí)，移相分為0°、±20°，每移相組電壓為630v;6kv的多采用6級(jí)，移相分為±5°、±15°、±25°，每移相組電壓為630v，也有采用5級(jí)或7級(jí)，5級(jí)時(shí)移相角為0°、±12°、±24°，電壓為710v，7級(jí)時(shí)移相角為0°、±8.57°、±17.14°、±25.71°，電壓為490v;10kv的多采用8級(jí)，移相分為±3.75°、±11.25°、±18.75°、±26.25°，每移相組電壓為720v，也有采用9級(jí)和10級(jí)。理論上講，級(jí)數(shù)越多，變壓器輸入側(cè)的諧波越少，對(duì)電網(wǎng)的污染越小，但級(jí)數(shù)多，變頻器的功率單元就多，增加了制造成本，所以上述級(jí)數(shù)是各變頻器廠家普遍采用的。abb的acs5000變頻器所需變壓器在結(jié)構(gòu)上要與上述的簡(jiǎn)化一些;12脈波和18脈波的整流變壓器多采用分裂方式，適用于abb和ab的變頻器。用以改善整流裝置的高次諧波對(duì)電網(wǎng)和通訊等設(shè)備的影響。

　　在電網(wǎng)三相電壓的基礎(chǔ)上，為獲得均勻分布多脈波二次側(cè)電壓，即需要每相二次側(cè)電壓在120°內(nèi)均勻分布展開(kāi)。為此利用y，d11與yd1兩種接線組別，達(dá)到相互移相60°。再利用二次側(cè)延邊三角形移相得到需要的相位角。按照接線組別定義，順時(shí)針移相為(+)，逆時(shí)針移相為(-)。例如：18個(gè)脈波的移相變壓器，間隔為：360°/18=20°。其接線組別計(jì)移相角按順序分別為：y，d11-20°;y，d11;y，d11+20°。