小型機(jī)組勵(lì)磁整流變壓器的選型與計(jì)算
1.概述
在小水電勵(lì)磁設(shè)備的選型配套或維修升級(jí)的工作中,電站用戶常常遇到整流變壓器參數(shù)計(jì)算的問(wèn)題。很多電工設(shè)計(jì)手冊(cè)都提供了整流變壓器的設(shè)計(jì)公式,但這些公式適用的是標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用條件,與小水電的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境有所差別,據(jù)此設(shè)計(jì)的變壓器可能不太切合實(shí)際。同時(shí)小水電基層的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員也缺乏, 用戶通常覺(jué)得整流變壓器的選型計(jì)算很困難。因此為基層用戶提出一個(gè)簡(jiǎn)明計(jì)算方法是很有必要的。
1.1 整流方式的選擇:目前低壓機(jī)組基本上都采用自勵(lì)式靜止晶閘管勵(lì)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兩種(圖1).全波整流的變壓器效率比較高(95%),波形比較好。半波整流的硅元件較少,但變壓器二次繞組有直流電流通過(guò),效率比較低(74%),波形畸變大,用在小于10kW的整流電路,不過(guò)一些早期設(shè)計(jì)的較大機(jī)組也是半波整流。兩類(lèi)整流方式的變壓器計(jì)算公式有所不同。
1.2 整流變壓器的形式:采用環(huán)氧干式變壓器。容量一般在10-100kVA內(nèi),標(biāo)稱(chēng)一次電壓(網(wǎng)端)400V,二次電壓(閥端)100V以?xún)?nèi),電流100-300A內(nèi)。由于容量比較小,與整流裝置同置一個(gè)配電盤(pán)體內(nèi)。整流變壓器冷卻方式是自冷,在盤(pán)側(cè)不安裝封閉板時(shí),散熱條件比較好。
1.3 絕緣等級(jí)與散熱方式:小水電使用的干式環(huán)氧變壓器的絕緣等級(jí)一般是B級(jí),絕緣系統(tǒng)最高耐溫為130℃,因此變壓器滿負(fù)荷工作時(shí)的外表溫度有燙手是正常的。如果對(duì)變壓器加以有效的強(qiáng)制風(fēng)冷,其輸出功率可以提高10%~30%。反之,如果變壓器是工作在密封的配電箱里,散熱條件不良,它的電流容量就必需降低10%或更多。
1.4 阻抗電壓:在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)中,有可能存在整流管擊穿或直流回路短路等因素,故整流變壓器的短路阻抗電壓要比普通的變壓器要高,以限制過(guò)大的短路電流。短路阻抗電壓的參數(shù)由變壓器制造廠設(shè)計(jì),我們不作討論,但用戶在向廠家訂貨時(shí)必需要注明是晶閘管整流變壓器。
2 接線組別
整流變壓器的接線組別必須與晶閘管整流控制要求的相位相配合。如果是新的設(shè)計(jì),可以按以下原則來(lái)考慮。
一般采用D,y11的方式,即網(wǎng)側(cè)(一次)采用△接法,閥側(cè)(二次)采用y接法。此接法的二次相電壓比一次相電壓在相位上落后30°。
D,y11的接法同時(shí)適應(yīng)三相半波和全波兩種整流形式。如果現(xiàn)有的整流變壓接線組別是Y,d11,那也可以使用,但不能用于三相半波整流。
至于Y,y的接線組別就不推薦使用。我們知道三相可控整流產(chǎn)生的三次諧波電壓非常高,可達(dá)基波值的50%以上, 而變壓器的D接法可以使其三次諧波磁通抵消,把影響降低到最小。但如果采用Y,y的接線組,整流電路產(chǎn)生的三次諧波的磁通無(wú)閉合回路不能抵消。過(guò)高的三次諧波會(huì)使電波形畸變過(guò)大,影響到變壓器及發(fā)電機(jī)和其它儀表電器設(shè)備的正常運(yùn)行。
電站向廠商提出訂貨數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)說(shuō)明清楚變壓器的連接組別, 一、二次電壓(同時(shí)必需注明是相或線電壓)。
3 一次線電壓U1的選擇
小型機(jī)組的機(jī)端額定線電壓是400V,但小型水電站一般都處于電網(wǎng)的遠(yuǎn)端,離變電站線路很長(zhǎng)阻抗大。造成末端的網(wǎng)電壓過(guò)高,尤其是在豐水期發(fā)電高峰時(shí)段,網(wǎng)電壓(機(jī)端)往往高達(dá)460V以上。如果此時(shí)一次電壓還是按照400V來(lái)設(shè)計(jì),變壓器就會(huì)承受過(guò)電壓,使損耗增大,發(fā)熱超標(biāo)。
整流變壓器的鐵損與其承受電壓倍數(shù)比成4次方的關(guān)系,例如按400V設(shè)計(jì)的整流變壓器,在1.2倍(480V)電壓下運(yùn)行時(shí),其鐵損的增加到(480/400)4=2.07倍。這些損耗最終都在變壓器內(nèi)轉(zhuǎn)為熱量,使變壓器的溫升大增。
更有甚者,當(dāng)電源電壓超高到達(dá)一定程度后,變壓器的鐵心的磁通密度就會(huì)進(jìn)入飽和區(qū),使一次側(cè)電流激增以致線圈燒毀。一些整流變壓器的設(shè)計(jì)制造時(shí)由于成本的考慮,選取鐵心的磁通密度Bm值偏高,而一次繞組的電壓值仍然選取400V,故在網(wǎng)電壓過(guò)高地區(qū)燒毀變壓器的例子并不罕見(jiàn)。
對(duì)此就應(yīng)該適當(dāng)加大一次繞組的電壓值,以使網(wǎng)電壓升高+20 %變壓器也能應(yīng)付工作。一般變壓器尚有5% 的電壓過(guò)載能力,故我們可用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)選取一次側(cè)繞組額定線電壓值U1=0.95U1(MAX),式中,U1(MAX)是網(wǎng)電(折合到機(jī)端)的最高電壓值. 計(jì)算結(jié)果若小于400V則按400V選取。
一次電壓選取值增加后,二次電壓也應(yīng)該增加同樣的比值,保持變壓比不變,以維持勵(lì)磁電壓與機(jī)端電壓相同比例地增減,因?yàn)榘l(fā)電機(jī)電壓越高,需要的勵(lì)磁功率就越大。
提高一次電壓的做法,等效于增加每伏圈數(shù),都是為了降低變壓器鐵心的磁通密度。防止進(jìn)入磁通密度曲線的飽和段。帶來(lái)的好處還有降低了變壓器的空載電流和鐵損。
當(dāng)然這樣也有些負(fù)面影響,因繞組圈數(shù)加多,使變壓器內(nèi)阻增大,電流損耗(銅損)略有增加,但對(duì)變壓器的正常運(yùn)行不構(gòu)成什么影響。電壓調(diào)整系數(shù)為n=U1/400
簡(jiǎn)易計(jì)算時(shí), 可以通取U1= 440V, 能適應(yīng)大多數(shù)電網(wǎng)條件(400V—470V)的要求。
4 二次電壓U2的計(jì)算
二次電壓的選取值關(guān)系到勵(lì)磁系統(tǒng)的頂值(強(qiáng)勵(lì))電壓,最大勵(lì)磁電流、晶閘管導(dǎo)通角和諧波失真、整流電路的功率因數(shù)等等。
按有關(guān)規(guī)范,勵(lì)磁電路要提供1.6~1.8倍的強(qiáng)勵(lì)電壓,即變壓器的二次電壓需是額定值的1.6~1.8倍。但是實(shí)際上,我國(guó)的小水電機(jī)組很少有自成孤立電網(wǎng)運(yùn)行的,絕大部分都是并入大電網(wǎng)售電運(yùn)行,沒(méi)有向電網(wǎng)提供強(qiáng)勵(lì)功率的需要和能力——須知大電網(wǎng)容量極大,單個(gè)小水電機(jī)組的對(duì)它的影響是微不足道的。
如果按提高1.6~1.8倍的數(shù)值來(lái)選取二次電壓,整流電壓就比較高,晶閘管整流系統(tǒng)勵(lì)磁時(shí)長(zhǎng)期處于被深控的狀態(tài),晶閘管的導(dǎo)通角小,波形畸變?cè)龃?,功率因?shù)變差,故障的短路電流變大,這些因素都對(duì)變壓器和機(jī)組設(shè)備運(yùn)行不利。同時(shí)在相同的變壓器功率容量下,電壓高了必然導(dǎo)致電流降低,線圈繞組的導(dǎo)線截面積下降,電流損耗也增大。
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),選擇最大整流電壓為額定勵(lì)磁電壓的1.3倍就比較適中,除了處理避免上述電壓過(guò)高的缺點(diǎn)以外,也保留了一定的整流功率裕量,適應(yīng)了運(yùn)行條件變化的要求。
相電壓U2的計(jì)算式
三相全波整流 U2 =1.3*1.06(n UE+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
對(duì)上式各項(xiàng)的解釋?zhuān)?br /> UE—發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓(V);
系數(shù)1.3—如前所述,是勵(lì)磁電壓的裕量值;
系數(shù)1.06—電流滿負(fù)載時(shí)變壓器內(nèi)阻漏抗引起電壓降的補(bǔ)償值。這里用簡(jiǎn)單的一個(gè)固定數(shù)值來(lái)代替復(fù)雜計(jì)算,誤差也不太大;
n—電壓調(diào)整系數(shù),見(jiàn)上節(jié)所述;
系數(shù)2.34(或1.17)— 三相全波(或半波)整流元件全導(dǎo)通時(shí)輸出直流電壓與輸入交流相電壓的比值, 即UE /U2=2.34(或UE / U2=1.17);
數(shù)字2.5(或1.7)—勵(lì)磁回路的電壓降的總和,其中包括整流元件的正向壓降(1.5V或0.75V),以及饋電導(dǎo)線和碳刷集電環(huán)的壓降(1.0 V).
變壓比K=U2 / U1。
簡(jiǎn)易計(jì)算時(shí),可把上式結(jié)果的第一、二項(xiàng)合并,有U2 = 0.71 UE (全波),或U2=1.4 UE(半波)
5 電流的計(jì)算
三相全波整流一次電流I2= 0.816 K IE,二次相電流I1= 0.816 IE
三相半波整流一次電流I2= 0.472 K IE,二次相電流I2= 0.577 IE
這里的I1值尚未考慮變壓器的效率。
6 功率的計(jì)算
勵(lì)磁功率: PE = UEIE(W)
變壓器二次側(cè)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)
變壓器容量的計(jì)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)= 2.63 n PE + 4.46 IE(VA)
式中, 0.8為變壓器的額定功率因數(shù), 97%為變壓器一次側(cè)效率。
簡(jiǎn)易計(jì)算時(shí),可把上式結(jié)果的第一、二項(xiàng)合并,有
S1 = 2.2 PE(全波用),或S1 = 3 PE(半波用)
在實(shí)際的訂貨中我們有時(shí)發(fā)現(xiàn),某些廠商為了降低成本,變壓器制造的用料偏緊,使變壓器運(yùn)行溫升偏高. 在這種情況下為保險(xiǎn)起見(jiàn), 最好把訂貨的變壓器容量加大10% 來(lái)應(yīng)付 ,此時(shí)變壓器的電壓數(shù)值不改變, 一、二次電流要按比例提高。
7 計(jì)算實(shí)例
某小型水電站需訂購(gòu)一勵(lì)磁整流變壓器, 發(fā)電機(jī)參數(shù)為:
發(fā)電機(jī)功率400kW, 額定電壓400V, 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓UE= 49.4V,勵(lì)磁電流IE = 153A.
工作條件:勵(lì)磁裝置為晶閘管三相全波半控整流,機(jī)組并大電網(wǎng)運(yùn)行, 網(wǎng)電最高電壓(機(jī)端)460V。
求解步驟如下
1)連接組 D,y11
2)勵(lì)磁功率PE= UEIE = 49.4×153 = 7558.2 (W)
3)一次線電壓U1 = 460×0.95 = 437(V),取440V
電壓調(diào)整系數(shù)n =U1/400 = 1.1
4)二次相電壓U2= 0.59nUE+1.07 = 0.59×1.1×49.4+1.07 = 33.13V,可選34V;
5)變壓比K = U2/U1=34/440 = 0.0773
6)二次電流I2 = 0.816 IE = 0.816×153 = 124.85(A),可選125A.
7)一次電流I1 = 0.816 KIE =0.816×153×0.0773 = 9.65(A),可選9.7A
8)功率容量S1= 1.87nPE+ 4.64 IE=1.87×1.1×7558.2 + 4.64×153
= 16257(VA), 可選17 kVA
最后, 填寫(xiě)訂貨清單:
三相干式整流變壓器訂貨數(shù)據(jù)
變壓器容量:17 kVA 連接組:D,y11
電壓比:440 V(線)/ 34 V(相) 電流(一次電流可不報(bào)):9.7 A / 125 A
功率因數(shù):0.80 工作制:長(zhǎng)期連續(xù)工作
按照本文的計(jì)算結(jié)果,在額定工況時(shí)變壓器的負(fù)載率為0.77, 處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。額定勵(lì)磁電流輸出時(shí)整流晶閘管的控制角約65°。
我們用ms excel(電子表格)軟件編寫(xiě)了計(jì)算程序, 計(jì)算時(shí)只需把三個(gè)參數(shù): 勵(lì)磁電壓UE、電流IE和最高網(wǎng)電壓U1(MAX)輸入, 程序即自動(dòng)計(jì)算出整流變壓器的全部數(shù)據(jù), 給出訂貨清單。此程序在深圳普威爾電氣公司的網(wǎng)站(szpwr.com)上可以鏈接下載, 或該網(wǎng)站可以代行計(jì)算
8.簡(jiǎn)易計(jì)算方法
發(fā)電機(jī)參數(shù)同前,勵(lì)磁電壓UE= 49.4V,勵(lì)磁電流IE = 153A.
勵(lì)磁功率: P = 40.3×161.4 = 7558.24 (W)
通取一次線電壓:U1 = 440V
三相半波整流時(shí)
二次相電壓 U2= 1.4 UE =1.4×49.4 = 69.2 V,可選70 V
變壓器容量S1 = 3×7558. = 22674(VA),可選23 kVA
三相全波整流時(shí)
二次相電壓 U2 = 0.71 UE = 0.71×49.4 = 35.1(V),可選35V
變壓器容量 S1 = 2.2×7558.2 = 1662(VA), 選17 kVA
與上節(jié)的計(jì)算結(jié)果比較可見(jiàn),簡(jiǎn)易計(jì)算方法的誤差并不大,可以付諸應(yīng)用。在勵(lì)磁電壓UE較大時(shí),簡(jiǎn)易法的U2值會(huì)稍微偏大,但對(duì)實(shí)際運(yùn)行的影響無(wú)礙。
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