18脉波整流移相干式变压器的结构与设计

改造者：苏晓红

18脉波整流移相干式变压器的结构与设计

改造者：苏晓红

本文介绍了18脉波整流变压器移相的实现以及延边三角形电压、电流、移相角及匝数的计算方法。并且介绍了18脉波整流变压器的结构及一次、二次线圈的绝缘及工艺特点。

现在电力电子在生活中的应用越来越广泛，从整流器，逆变器，变频器及电子电源等应用领域不断地扩大，电力电子的技术也越来越成熟，并向着大功率，高频化的方向发展，特别在矿山，冶金和炼钢等工业领域得到了广泛的应用，并发挥着其自身的优势。但是随着电力电子的发展这些开关电源设备也给电路中的其他设备带来了大量的谐波污染，特别是在大功率的场合下产生了极大的危害。因此在这类系统中一般采用多脉波的整流方法，增加整流器的前端输入的相数来抵制和消除电流中的某种次数的谐波，如12脉波，18脉波和24脉波及更多次脉波整流电路。而这种多脉波的整流电路就可以使用变压器的移相来实现，一般使用移相变压器连接几个三相整流电路而成。例如18脉波整流电路中利用一个移相变压器输出三组线电压相等并且电压相位相差20°的三相电源，经过这三个三相整流桥输出每周期具有18个脉波的直流电压。本文将对这种18脉波整流电路的移相变压器进行分析、计算。

移相的实现

众所周知，普通的变压器相位角是30°的整数倍，因此要实现12脉波以上的整流电路就需要采用移相方式来完成。移相就是让整流变压器输出各绕组之间的同名端线电压之间有一个相位差，来满足这个多脉波整流系统中所需要的相位角。具体实现方法有三种：曲折形绕组移相，六边形绕组移相和延边三角形绕组移相。由于延边三角形绕组移相应用最为广泛，因此此文仅对延边三角形绕组移相方式进行介绍。

为实现18脉波的电压输出，变压器的副边三组输出电压的相位角应该相差为360°÷18=20°。为此可以利用D，d0联接组别，再利用两组副边三角形接线向两个不同的方向延边移相得到需要的相位角。按照联接组别定义，按顺时针移相为正角度移相（+），按逆时针移相为负角度移相（-）。

如图1所示为18脉波桥式整流电路。移相变压器的原边A、B、C三相绕组接成三角形，副边有三组绕组，其中把第二组绕组直接连接成三角形，输出电压为Ua2、Ub2、Uc2，与原边相角相差0°，第一组绕组和第三组绕组每相均取其一部分（K2，作为主绕组）接成三角形，另一部分绕组（K1，作为移相绕组）为三角形的延伸，输出电压分别为Ua1、Ub1、Uc1和Ua3、Ub3、Uc3。但是接法略有不同，副边第一组绕组的主绕组与原边三相绕组形成的联接组别为D，d0，采用右行移相延伸后副边电压滞后原边电压20°，即-20°。副边第三绕组的主绕组与原边三相绕组形成的联接组别为D，d8，采用左行移相延伸后副边电压超前原边电压20°，即+20°。其联接组别及相位图如图2所示。

延边三角形电压、电流、移相角及匝数的计算

以一台ZPSC9-5000/10干式整流移相变压器为例做计算，变压器参数如下：容量：Sn=5000KVA，原边额定电压：U1n=10000V，副边额定电压：U2n=2100V。

移相电压计算

根据输出电压和变压器输出脉波数所对应的移相角度，按正弦定理得：

图1　18脉波延边三角形变压器整流电路

图2　18脉波延边三角形整流变压器联接组别及位图

式中：Uy—移相绕组电压（V）；

U2n—副边额定电压（V）；

α—移相角（度）；

UZ—主绕组电压（V）；

由于：U2n=2100V，，可根据以上公式计算得出：Uy=829.4V，UZ=729.3V。

移相电流计算

由图2中可以看出，副边移相绕组的电流为两相主绕组电流的矢量和，并且两相主绕组电流相位角相差120°，因此其合成电流（即移相绕组电流）为主绕组电流的其计算公式如下：

式中：I2n—副边线电流（A）；

Iy—副边移相绕组电流（A）；

IZ—副边主绕组电流（A）；

由于：Sn=5000KVA，U2n=2.1KV，可根据以上公式得出：I2n=458.2A，Iy=458.2A，IZ=264.6A。

匝数计算

根据国家标准规定变压器变比偏差要求小于0.5％，并且电磁原理变压器的匝数只能为整数，在确定了变压器的铁芯及原边绕组匝数后，变压器副边输出的合成电压及移相角度都会产生偏差。因此设计时应选取多种匝数，反复进行对比计算，选取输出电压及相位角度偏差都满足要求的匝数。首先选取第二组绕组匝数，即0°偏差绕组，确定匝电势。然后根据主绕组电压和移相绕组电压，确定主绕组匝数和移相绕组匝数。可以根据以下公式计算：

式中：N2—第二组绕组匝数；

Ny—移相绕组匝数；

NZ—主绕组匝数；

et—匝电势（V）；

根据比较所得选取第二组绕组匝数N2=66，匝电势et=31.82V，移相绕组匝数Ny=26，主绕组匝数NZ=23。

偏差计算

根据输入的电压及原边的匝数可以确定绕组匝电势，再根据各相位下的匝数，可以计算出实际输出电压及移相角度，并进行相应偏差计算。根据以下公式计算实际输出电压和移相角度：

按余弦定理合成：

式中：U'y—实际移相绕组电压；

U'z—实际主绕组电压；

U'2—实际第一、三组绕组输出电压；

电压偏差|ΔU2|=|（U'2-U2n）/U2n|×100％；

根据以上计算结果，变压器输出电压和移相角度都在允许偏差范围内，满足国家设计标准。

变压器结构的确定

a） 此移相变压器线圈采用同心式结构放置。原副边线圈均采用沿轴向三分裂放置，因此原副边各有9个线圈，共18个线圈。

b） 原边线圈采用分段圆筒式结构，放在外侧。副边线圈采用层式结构，放在内侧。原副边线圈之间放置接地屏蔽层减小谐波的影响。

c） 变压器铁芯采用三相三柱式，全斜接缝，叠片采用多步进叠，铁芯硅钢片采用取向优质高导磁硅钢片。

d） 绝缘系统采用玻璃纤维等H级绝缘材料，线圈经空气浇注炉内进行树脂浇注，再经高温固化后形成固态线圈。具有防火性能好，难燃自熄，绝缘性能好，局部放电量小，耐雷电冲击能力强，耐潮湿等特性。

e） 由于在变压器的移相绕组中的电流大于主绕组的电流，因此在选取导线时，移相绕组的导线应大于主绕组中的导线，并根据变压器的损耗和温升要求选择适当的线规。

f） 变压器的移相绕组的匝数和主绕组的匝数选取往往需要经过多次的试算，必要时还应重新调整铁芯数据和匝电压，以便合成电压和移相角度偏差尽可能小。

g）由于此类变压器结构的特殊性，设计和制作过程中还应特别注意了副边三组移相绕组间绝缘距离的选取。

结束语

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.026