小型机组励磁整流变压器的选型与计算

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　　摘要：整流变压器的选型和计算是发电机用户经常遇到的技术问题。由于小水电的特殊环境条件，经典理论计算公式的结果往往不符合实际，本文就此作一些探讨，提出一组简明的计算方法。本文的讨论基于如下的条件：400V低压同步发电机组，并网运行，三相晶闸管整流，基层用户使用的角度（用户向制造商提供订货数据，不涉及变压器制造的参数设计）

　　关键词：干式整流变压器 晶闸管整流 励磁 同步发电机 小水电

　　1.概述

　　在小水电励磁设备的选型配套或维修升级的工作中，电站用户常常遇到整流变压器参数计算的问题。很多电工设计手册都提供了整流变压器的设计公式，但这些公式适用的是标准的应用条件，与小水电的实际运行环境有所差别，据此设计的变压器可能不太切合实际。同时小水电基层的专业技术人员也缺乏，用户通常觉得整流变压器的选型计算很困难。因此为基层用户提出一个简明计算方法是很有必要的。

　　1.1 整流方式的选择：目前低压机组基本上都采用自励式静止晶闸管励磁方式。其整流方式一般有三相全波半控整流和三相半波整流两种。全波整流的变压器效率比较高（95％），波形比较好。半波整流的硅元件较少，但变压器二次绕组有直流电流通过，效率比较低（74％），波形畸变大，用在小于10kW的整流电路，不过一些早期设计的较大机组也是半波整流。两类整流方式的变压器计算公式有所不同。

　　1.2 整流变压器的形式：采用环氧干式变压器。容量一般在10－100kVA内，标称一次电压（网端）400V，二次电压（阀端）100V以内，电流100－300A内。由于容量比较小，与整流装置同置一个配电盘体内。整流变压器冷却方式是自冷，在盘侧不安装封闭板时，散热条件比较好。

　　1.3 绝缘等级与散热方式：小水电使用的干式环氧变压器的绝缘等级一般是B级，绝缘系统最高耐温为130℃，因此变压器满负荷工作时的外表温度有烫手是正常的。如果对变压器加以有效的强制风冷，其输出功率可以提高10％～30％。反之，如果变压器是工作在密封的配电箱里，散热条件不良，它的电流容量就必需降低10％或更多。

　　1.4 阻抗电压：在发电机的励磁系统中，有可能存在整流管击穿或直流回路短路等因素，故整流变压器的短路阻抗电压要比普通的变压器要高，以限制过大的短路电流。短路阻抗电压的参数由变压器制造厂设计，我们不作讨论，但用户在向厂家订货时必需要注明是晶闸管整流变压器。

　　2、接线组别

　　整流变压器的接线组别必须与晶闸管整流控制要求的相位相配合。如果是新的设计，可以按以下原则来考虑。

　　一般采用D，y11的方式，即网侧（一次）采用△接法，阀侧（二次）采用y接法。此接法的二次相电压比一次相电压在相位上落后30°。

　　D，y11的接法同时适应三相半波和全波两种整流形式。如果现有的整流变压接线组别是Y，d11，那也可以使用，但不能用于三相半波整流。

　　至于Y，y的接线组别就不推荐使用。我们知道三相可控整流产生的三次谐波电压非常高，可达基波值的50%以上， 而变压器的D接法可以使其三次谐波磁通抵消，把影响降低到最小。但如果采用Y，y的接线组，整流电路产生的三次谐波的磁通无闭合回路不能抵消。过高的三次谐波会使电波形畸变过大，影响到变压器及发电机和其它仪表电器设备的正常运行。

　　电站向厂商提出订货数据时，应说明清楚变压器的连接组别， 一、二次电压（同时必需注明是相或线电压）。

　　3、一次线电压U1的选择

　　小型机组的机端额定线电压是400V，但小型水电站一般都处于电网的远端，离变电站线路很长阻抗大。造成末端的网电压过高，尤其是在丰水期发电高峰时段，网电压（机端）往往高达460V以上。如果此时一次电压还是按照400V来设计，变压器就会承受过电压，使损耗增大，发热超标。

　　整流变压器的铁损与其承受电压倍数比成4次方的关系，例如按400V设计的整流变压器，在1.2倍（480V）电压下运行时，其铁损的增加到（480/400）4=2.07倍。这些损耗最终都在变压器内转为热量，使变压器的温升大增。

　　更有甚者，当电源电压超高到达一定程度后，变压器的铁心的磁通密度就会进入饱和区，使一次侧电流激增以致线圈烧毁。一些整流变压器的设计制造时由于成本的考虑，选取铁心的磁通密度Bm值偏高，而一次绕组的电压值仍然选取400V，故在网电压过高地区烧毁变压器的例子并不罕见。

　　对此就应该适当加大一次绕组的电压值，以使网电压升高＋20%变压器也能应付工作。一般变压器尚有5%的电压过载能力，故我们可用经验公式来选取一次侧绕组额定线电压值

　　U1=0.95U1（MAX），

　　式中，U1（MAX）是网电（折合到机端）的最高电压值。计算结果若小于400V则按400V选取。

　　一次电压选取值增加后，二次电压也应该增加同样的比值，保持变压比不变，以维持励磁电压与机端电压相同比例地增减，因为发电机电压越高，需要的励磁功率就越大。

　　提高一次电压的做法，等效于增加每伏圈数，都是为了降低变压器铁心的磁通密度。防止进入磁通密度曲线的饱和段。带来的好处还有降低了变压器的空载电流和铁损。

　　当然这样也有些负面影响，因绕组圈数加多，使变压器内阻增大，电流损耗（铜损）略有增加，但对变压器的正常运行不构成什么影响。电压调整系数为n＝U1/400

　　简易计算时，可以通取U1= 440V，能适应大多数电网条件（400V-470V）的要求。

　　4、二次电压U2的计算

　　二次电压的选取值关系到励磁系统的顶值（强励）电压，最大励磁电流、晶闸管导通角和谐波失真、整流电路的功率因数等等。

　　按有关规范，励磁电路要提供1.6～1.8倍的强励电压，即变压器的二次电压需是额定值的1.6～1.8倍。但是实际上，我国的小水电机组很少有自成孤立电网运行的，绝大部分都是并入大电网售电运行，没有向电网提供强励功率的需要和能力——须知大电网容量极大，单个小水电机组的对它的影响是微不足道的。

　　如果按提高1.6～1.8倍的数值来选取二次电压，整流电压就比较高，晶闸管整流系统励磁时长期处于被深控的状态，晶闸管的导通角小，波形畸变增大，功率因数变差，故障的短路电流变大，这些因素都对变压器和机组设备运行不利。同时在相同的变压器功率容量下，电压高了必然导致电流降低，线圈绕组的导线截面积下降，电流损耗也增大。

　　根据我们的经验，选择最大整流电压为额定励磁电压的1.3倍就比较适中，除了处理避免上述电压过高的缺点以外，也保留了一定的整流功率裕量，适应了运行条件变化的要求。

　　相电压U2的计算式

　　三相全波整流 U2 =1.3×1.06（nUE+2.5）/2.34 =0.59nUE+ 1.47

　　三相半波整流U2 =1.3×1.06 （nUE +1.7）/1.17 =1.18 nUE+ 2.0

　　对上式各项的解释：

　　UE—发电机额定励磁电压（V）；

　　系数1.3—如前所述，是励磁电压的裕量值；

　　系数1.06—电流满负载时变压器内阻漏抗引起电压降的补偿值。这里用简单的一个固定数值来代替复杂计算，误差也不太大；

　　n—电压调整系数，见上节所述；

　　系数2.34（或1.17）—三相全波（或半波）整流元件全导通时输出直流电压与输入交流相电压的比值， 即UE /U2＝2.34（或UE / U2＝1.17）；

　　数字2.5（或1.7）—励磁回路的电压降的总和，其中包括整流元件的正向压降（1.5V或0.75V），以及馈电导线和碳刷集电环的压降（1.0 V）。

　　变压比K=U2 / U1.

　　简易计算时，可把上式结果的第一、二项合并，有U2 = 0.71 UE （全波），或U2=1.4 UE（半波）

　　5、电流的计算

　　三相全波整流一次电流I2＝0.816 K IE，二次相电流I1＝0.816 IE

　　三相半波整流一次电流I2＝0.472 K IE，二次相电流I2＝0.577 IE

　　这里的I1值尚未考虑变压器的效率。

　　6、功率的计算

　　励磁功率： PE = UEIE（W）

　　变压器二次侧功率：

　　全波整流P2=3U2I2=3（0.59 n UE + 1.47）×0.816IE = 1.45 n PE +3.60IE（W）

　　半波整流P2=3U2I2=3（1.18nUE+ 2.0）×0.577IE = 2.04 n PE+3.46IE（W）

　　变压器容量的计算：

　　全波整流S1=P2/（0.8 ×97％）=1.29 P2＝1.29（1.45 nPE +3.60IE）= 1.87n PE + 4.64IE （VA）

　　半波整流S1= P2 /（0.8×97％）=1.29 P2 =1.29（2.04 nPE +3.46IE）= 2.63n PE + 4.46 IE（VA）

　　式中，0.8为变压器的额定功率因数，97%为变压器一次侧效率。

　　简易计算时，可把上式结果的第一、二项合并，有

　　S1 = 2.2 PE（全波用），或S1 = 3 PE（半波用）

　　在实际的订货中我们有时发现，某些厂商为了降低成本，变压器制造的用料偏紧，使变压器运行温升偏高。 在这种情况下为保险起见，最好把订货的变压器容量加大10% 来应付，此时变压器的电压数值不改变，一、二次电流要按比例提高。

　　7、计算实例

　　某小型水电站需订购一励磁整流变压器， 发电机参数为：

　　发电机功率400kW， 额定电压400V， 发电机励磁电压UE= 49.4V，励磁电流IE = 153A.

　　工作条件：励磁装置为晶闸管三相全波半控整流，机组并大电网运行， 网电最高电压（机端）460V.

　　求解步骤如下

　　1）连接组 D，y11

　　2）励磁功率PE= UEIE = 49.4×153 = 7558.2 （W）

　　3）一次线电压U1 = 460×0.95 = 437（V），取440V

　　电压调整系数n =U1/400 = 1.1

　　4）二次相电压U2= 0.59nUE+1.07 = 0.59×1.1×49.4+1.07 = 33.13V，可选34V；

　　5）变压比K= U2/U1=34/440=0.0773

　　6）二次电流I2= 0.816 IE =0.816×153 =124.85（A），可选125A.

　　7）一次电流I1=0.816 KIE =0.816×153×0.0773 =9.65（A），可选9.7A

　　8）功率容量S1=1.87nPE+ 4.64IE=1.87×1.1×7558.2 + 4.64×153

　　= 16257（VA），可选17 kVA

　　最后，填写订货清单：

　　三相干式整流变压器订货数据

　　变压器容量：17 kVA　　　　　　　　　　　连接组：D，y11

　　电压比：440 V（线）/ 34 V（相）　　　　电流（一次电流可不报）：9.7 A / 125 A

　　功率因数：0.80 　　　　　　　　　　　　工作制：长期连续工作

　　按照本文的计算结果，在额定工况时变压器的负载率为0.77， 处于经济运行状态。额定励磁电流输出时整流晶闸管的控制角约65°。

　　8、简易计算方法

　　发电机参数同前，励磁电压UE=49.4V，励磁电流IE=153A.

　　励磁功率：P = 40.3×161.4 =7558.24 （W）

　　通取一次线电压：U1= 440V

　　三相半波整流时

　　二次相电压 U2=1.4 UE =1.4×49.4=69.2 V，可选70V

　　变压器容量S1=3×7558. =22674（VA），可选23 kVA

　　三相全波整流时

　　二次相电压 U2 =0.71 UE =0.71×49.4 =35.1（V），可选35V

　　变压器容量 S1 =2.2×7558.2=1662（VA），选17 kVA

　　与上节的计算结果比较可见，简易计算方法的误差并不大，可以付诸应用。在励磁电压UE较大时，简易法的U2值会稍微偏大，但对实际运行的影响无碍。