18脈波h級絕緣干式整流變壓器設計概述 - 18脈波h級絕緣干式整流變壓器設計

　　3.1 容量的確定

　　鐵心的選擇與電壓有關(guān)，而導線的選擇與電流有關(guān)，即導線的粗細直接與發(fā)熱量有關(guān)。也就是說，變壓器的容量只與發(fā)熱量有關(guān)。對于一個設計好的變壓器，如果在散熱不好環(huán)境中工作，假如為1000kva，如果增強散熱能力，則有可能工作在1250kva。另外，變壓器的標稱容量還與允許的溫升有關(guān)，例如，如果一臺1000kva的變壓器，允許溫升為100k，如果在特殊的情況下，可以允許其工作到120k，則其容量就不止1000kva。由此也可以看出，如果改善變壓器的散熱條件，則可以增大其標稱容量，反過來說，對于相同容量的變頻器，可以減小變壓器柜的體積。

　　變壓器容量的選擇一般從電壓、電流及環(huán)境條件幾方面綜合考慮。其中應根據(jù)用戶用電設備的容量、性質(zhì)和使用時間來確定所需的負荷量，以此來選擇變壓器容量。在正常運行時，應使變壓器承受的用電負荷為變壓器額定容量的75%-90%左右。

　　變壓器是由繞在同一鐵心上的兩個或兩個以上的線圈繞組組成，繞組之間是通過交變磁場而聯(lián)系著，并按電磁感應原理工作。變壓器安裝位置應考慮便于運行、檢修和運輸，同時應選擇安全可靠的地方。在使用變壓器時必須合理地選用變壓器的額定容量。變壓器空載運行時，需用較大的無功功率。這些無功功率要由供電系統(tǒng)供給。變壓器的容量若選擇過大，不但增加了初投資，而且使變壓器長期處于空載或輕載運行，使空載損耗的比重增大，功率因數(shù)降低，網(wǎng)絡損耗增加，這樣運行既不經(jīng)濟又不合理;變壓器容量選擇過小，會使變壓器長期過負荷，易損壞設備。因此，變壓器的額定容量應根據(jù)用電負荷的需要進行選擇，不宜過大或過小。

　　變壓器的設計一般只看額定容量，而不看額定功率，因為其電流只與額定容量有關(guān)。對于電壓源型變頻器，由于其輸入功率因數(shù)接近于1，所以額定容量與額定功率幾乎相等。電流源型變頻器則不然，其輸入側(cè)變壓器功率因數(shù)最多等于負載異步電機的功率因數(shù)，所以對于相同的負載電機，其額定容量要比電壓源型變頻器的變壓器大一些。

　　3.2 鐵心磁通密度的選取

　　變壓器設計的基本問題是磁通和電流密度。變壓器的電流與容量成正比，電流密度的大小(即導線的粗細)按照導體的發(fā)熱量來考慮。對于磁通，電磁學的基本關(guān)系式為：

　　u=4.44fwφ，

　　其中：

　　u為電壓;

　　f為頻率，在這里為50hz，定值;

　　w為線圈的匝數(shù);

　　φ是磁通量。

　　由于硅鋼片的磁通密度b受到材料的限制，一般僅能設計到1.4-1.8特斯拉，而φ=bs，所以，要增大φ，一般只能增大鐵心的截面積。變壓器的鐵心一般為三相柱式，鐵心的截面積按照上述公式可以確定，鐵心窗口的大小則要考慮把線圈放進去為原則。容量越大的變壓器，導線越粗，鐵心的窗口就需要越大。在變壓器的設計中，銅和鐵的用量可以均衡考慮。因為一旦變壓器的容量確定了，電流就確定了，導線的粗細也就確定了，增大匝數(shù)w，磁通φ就可以小一些，鐵心的截面積就可以小一些，但是要把這些匝數(shù)繞進去，鐵心的窗口要大一些;相反，減小匝數(shù)w，磁通φ就要大一些，鐵心的截面積要大一些，但是鐵心的窗口可以小一些。

　　3.3 諧波電流問題

　　由于整流元件的單向阻斷作用會引起整流變壓器交變磁場波形的畸變，即使電網(wǎng)電壓為理想的正弦波，整流裝置從交流電網(wǎng)中取用的電流也是非正弦的。諧波產(chǎn)生的另一個原因是由于非線性負載。當電流流經(jīng)線性負載時，負載上電流與施加電壓呈線性關(guān)系;而電流流經(jīng)非線性負載時，則負載上電流為非正弦波，即產(chǎn)生了諧波。

　　整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數(shù)展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波(50hz基波)外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應該說電動機采用變頻器進行調(diào)速，可以高水平完成調(diào)速外，也可以節(jié)省大量電能(近30%)，但如前面分析，變頻調(diào)速過程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、音響系統(tǒng)不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還會使變壓器、電動機、電容器及電抗器產(chǎn)生過熱。增加換流裝置的相數(shù)或脈波數(shù)，是減少換流裝置產(chǎn)生諧波電流的十分有效的措施。

　　3.4 超銘牌容量運行問題

　　確定變壓器銘牌容量需要綜合考慮其它一些因素。例如環(huán)境溫度的影響，降低溫度可以提高變壓器的輸出功率和減少變壓器的損耗，又如變壓器臺數(shù)的合理選擇和技術(shù)經(jīng)濟比較等等都是影響變壓器容量選擇的考慮因素。

　　至于變壓器的過載能力是和起始負荷率、環(huán)境溫度和通風散熱條件等相關(guān)的因素有關(guān)，且只能是應急性質(zhì)和短時間的。過負載時首先要求不致?lián)p壞變壓器的絕緣和降低使用效率為原則，一年四季中高峰用電是可能會超負荷而低谷時又會出現(xiàn)輕載運行。這“超”、“輕”負載兩者之間的量和時間基本相等，同時會起到互補的作用，但最好不要超負荷。

　　過負荷百分數(shù)(n)計算公式：

　　n=(i-le)/ie×100

　　式中：

　　i —變壓器實際負荷電流;

　　ie—變壓器額定電流。

　　當然對于設置有強迫風冷的變壓器其應急過載能力可達40-50，而且過持斷續(xù)時間也可適當延長(但絕不允許過載情況下長期運行)，這可由產(chǎn)品的技術(shù)條件來確定。

　　綜合上述各種因素對選擇變壓器容量的影響，從節(jié)能、經(jīng)濟、實用、安全可靠出發(fā)，一般選取變壓器負荷率在0.65-0.8為宜。

　　3.5 抑制環(huán)流問題

　　對于18脈波及以上的整流變換，整流變壓器繞組采用曲折接線(z接線)實現(xiàn)，各整流單元并聯(lián)(或串聯(lián))，共同向負載供電。只要滿足m組6脈動整流交流側(cè)的電壓u(n)(n=1，2，……，m)依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脈波的多相整流。而對于18脈波移相，理論上不含有17、19次及以下諧波，因此很好地減少了低次諧波環(huán)流的影響;通常只要保證變壓器兩側(cè)角星總匝數(shù)比等于1.732，便能很好地避免環(huán)流問題的出現(xiàn)，而這只是理論上的計算，實際中匝數(shù)不可能為小數(shù)，所以只能在設計時合理選擇分配，使得比值盡量趨近。