《电子技术应用》

12脉波整流变压器结构型式的选择

黄大华,别利生
摘要: 在大型的电化学或电冶金用直流电源系统中,同相逆并联12脉波整流机组是组成24相、36相、48相整流系统的基本组成单元。12脉波整流机组主电路的连接型式有两种方案:一种是由一台整流变压器与两台整流装置组成的单机组12脉波整流电路(简称“单机组12脉波整流电路”);另一种是由置于同一油箱内的两台完全独立的整流变压器与两台整流装置组成的双机组等值12脉波整流电路(简称“等值12脉波整流电路”)。二者的连接方式如图1、图2所示。

Abstract:

在大型的电化学或电冶金用直流电源系统中,同相逆并联12脉波整流机组是组成24相、36相、48相整流系统的基本组成单元。12脉波整流机组主电路的连接型式有两种方案:一种是由一台整流变压器与两台整流装置" title="整流装置">整流装置组成的单机组12脉波整流电路" title="整流电路">整流电路(简称“单机组12脉波整流电路”);另一种是由置于同一油箱内的两台完全独立的整流变压器与两台整流装置组成的双机组等值12脉波整流电路(简称“等值12脉波整流电路”)。二者的连接方式如图1、图2所示。

上述两种连接方式的整流电路,对12脉波整流输出电压(电流)波形的对称性以及对网侧谐波电流" title="谐波电流">谐波电流的影响是不同的,应引起设计人员和用户的注意。

1两种连接方式对谐波电流的影响

理想情况下,12脉波整流电路运行过程中,不会在网侧产生5次和7次谐波电流。但单机组12脉波整流电路,由于变压器两个阀侧绕组的输出电压和阻抗不容易做到很一致,使得运行时存在着严重的负荷分配不均的问题。需要通过晶闸管相控或饱和电抗器的励磁调节来纠正这种偏差,从而导致二个三相桥晶闸管导通的相位差不能严格地保持为30°,使得网侧仍然存在5次和7次谐波电流。

对于等值12脉波整流电路,由于变压器两个阀侧绕组的输出电压和阻抗容易做到一致,而不会破坏12脉波的对称性。

图1单机组12脉波整流电路

图2等值12脉波整流电路

2阀侧绕组之间负荷电流分配不均的问题

2.1单机组12脉波整流电路单机组12脉波整流电路,其整流变压器网侧只有一组绕组,导致两组阀侧绕组间负荷分配不均的原因是Y接和△接这两组绕组间匝比NY/N△偏离1/,彼此理想空载直流电压Udio不相等,因此,负荷分配不可能平均。整流变压器阀侧两组绕组间的匝比NY/N△值接近1/的可取整数比为4/7(偏差1.04%)、7/12(偏差1.02%)、11/19(偏差0.27%)。由此可见,将NY/N△做成11/19,可使△Udio偏差减到最小,改善电流分配不均问题。但由于变压器结构上的合理性和制造方面(变压器变比越大尤其如此)的原因,这样的匝比实际上是不容易做到的。

对于三相桥式整流电路,整流变压器阀侧绕组间匝比NY/N△=4/7时,理想空载直流电压之差△Udio=1.04%。但两组整流器的负载电流" title="负载电流">负载电流分配却相差很大。因为变压器网侧绕组的电抗X1*为各整流桥" title="整流桥">整流桥公有,对整流桥间的负载电流分配没有调节作用。负载电流分配完全取决于各组阀侧绕组电抗值X2*=XY*+X△*和阀侧连接母线的电抗XM*。(其中XY*为Y形连接绕组的电抗值,X△*为△形连接绕组的电抗值)。根据有关资料计算结果表明:

当变压器二次电抗X△*=XY*=5%时,

IdY=0.2928IdnId△=0.7072Idn

当变压器二次电抗X△*=XY*=10%时,

IdY=0.3964IdnId△=0.6036Idn

由此可见,变压器二次电抗数值愈小,负载分配相差就愈大。有实际例子可以证明这一点。兰州有一用户采用这种单机组12脉波二极管整流电路,投运后发现,其中一整流桥直流电流达到12000A(额定值)时,另一整流桥的直流电流只有4500A。导致设备无法正常运行,后来被迫重新改造。

理论计算表明:增大整流变压器二次电抗X2*=X△*+XY*,可以部分减小负载电流分配不均的问题。但完全依赖于增大X2*的值来弥补△Udio的影响是不切实际的。因为要将二者(匝比4/7)的电流偏差△Id*限制到3%以下,则要求整流变压器二次电抗X2*=X△*+XY*达到69.3%。

由于整流变压器阀侧△连接的电压U2△大于Y连接的电压U2Y,设想在变压器设计时可人为地使X△*比XY*大4.16%,则在额定运行条件下,可以使二者的负载电流分配达到均衡。但由于整流变压器阀侧电抗可调整的只有变压器内部引线电抗和阀侧母线电抗,可调节范围很有限。而且,整流机组的负载率是随生产工艺和备用机组的投切经常变化的。所以,这样的设想具有很大的局限性,实际上是做不到的。

将整流变压器绕组按分裂式变压器结构(如轴向分裂)设计,增大绕组间阻抗,也有利于改善负载电流分配不均问题。但针对晶闸管整流器而言,可能存在着其它不利于晶闸管安全运行的因素(下面另有分析说明)。

采用晶闸管整流器虽然可以对两套阀侧绕组的电流作适当的调整,使之达到均衡,但存在着其它不利于晶闸管整流器安全运行的因素(下面另有分析说明)。

采用饱和电抗器进行细调,能较好地解决二者负载电流分配不均问题。但也是有代价的。饱和电抗器占用的地方、增加的制造成本、本身的电耗和对功率因数的影响等都是不能忽略的。

2.2等值12脉波整流电路对于等值12脉波整流电路来讲,就不存在因△、Y连接引起负载电流分配不均的问题。在等值12脉波整流电路中,尽管其整流变压器的网侧也有Y形连接和△形连接之分,但由于变压器网侧绕组匝数比阀侧绕组匝数多得多,将匝数之比做到接近1/是很容易的事。又因为两台变压器绕组的每匝电势可以设计成不相等,完全可以使两台整流变压器的阀侧电压U2Y=U2△、△Udio=0。再加上变压器网侧电抗X1*不是公共的,对电流分配有调节作用,完全可以使两台的负载电流达到均衡分配。

3两台晶闸管整流器之间的兼容问题

图3典型的6脉波整流器阀侧电压换相缺口波形图

在12脉波整流电路中,整流主电路是由两台6脉波晶闸管整流桥组成的。二者之间的相位角(或控制延迟角)相差30°,由两组完全独立的阀侧绕组供电。

整流装置在运行过程中会导致电网各点电压波形产生畸变,干扰电网上其它电气设备的正常运行。同理,电网的扰动超过一定极限时,也会导致整流装置规定性能的下降,使其运行中断、甚至损坏。这就是整流器与所在电网的兼容性问题。按国标GB10236-88的规定,兼容的含义是:第一,整流器对电网的干扰在电网的容许范围之内;第二,整流器接入电网后,整流器进线上的电压波动、频率、波形等参数的扰动(包括其本身接入后引起的扰动)应低于所选整流器的抗电网干扰极限值。

按照国标GB1023688的规定,B级抗扰等级的整流器允许的换相缺口极限值是:最大深度为40%;最大宽度为30°;最大面积为最大深度与最大宽度之积的1/10,即40×30×0.1=120。换相缺口过大,会造成触发失败、误触发或整流器工作不稳定。一个典型的6脉波整流器其阀侧的电压换相缺口波形如图3所示。电网换相的变流器在换相期间,参与换相的两相交流端子被瞬间短路,使变流器阀侧线电压突降到接近于零,而导致电压波形出现缺口。

在大型整流系统中,直流回路存在着很大的电感。当直流电压出现快速波动时,电感中的储能被逆变馈送给电网。这个过程中整流器实际上是做逆变运行。国外公司对用于单机组12脉波整流的整流变压器就要求:阀侧绕组解耦因子α≤10%,以避免一个桥路(整流桥)运行所产生的陷落(换相缺口)干扰另一个桥路(整流桥),防止产生换相失败。

对于单机组12脉波整流电路,两台晶闸管整流桥由同一台变压器供电,两阀侧绕组间共一个磁路。一台整流桥所产生的阀侧换相缺口很大部分(80%以上)被耦合到另一组的阀侧上,这就导致二者之间相互干扰。其主要影响在于:激发高频振荡,有可能产生过电压;当延迟角大于30°时,换相缺口处过高的dv/dt有可能导致晶闸管被误触发,使整流器工作不稳定。

在武汉、长春两地,曾有过类似的例子。用户因采用单机组12脉波整流电路而导致晶闸管整流器难以可靠、稳定地运行。

对于等值12脉波整流电路,变压器的两个器身是完全独立的,没有共磁路的问题。两台整流桥所产生的换相缺口经整流变压器的漏抗衰减(到20%左右)之后,相互之间的干扰小得多。一般不会超过整流器的抗扰极限。所以等值12脉波整流电路的兼容好得多。

4造价的比较

单机组12脉波整流电路的变压器,只有一个器身,一台调压开关。铁心利用率高。所以有造价低、体积小之优点。

等值12脉波整流电路的整流变压器为双器身结构,需要两台调压开关。相当于化整为零,铁心利用率也低。所以,有造价高和体积相对较大的缺点。

5结语

在两种12脉波整流电路用整流变压器的结构方案选择过程中,专业的整流变压器和整流器制造厂家都会主张用户采用等值12脉波整流电路的结构形式,以保证技术和性能指标的要求。

继续阅读>>