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小型机组励磁整流变压器的选型与计算【生活】

发布时间:2019-07-11 12:17:30 阅读: 来源:石雕厂家

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(图1).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(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

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)= 2.63 n 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+ 4.64 IE=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°。

我们用ms excel(电子表格)软件编写了计算程序, 计算时只需把三个参数: 励磁电压UE、电流IE和最高网电压U1(MAX)输入, 程序即自动计算出整流变压器的全部数据, 给出订货清单。此程序在深圳普威尔电气公司的网站(szpwr.com)上可以链接下载, 或该网站可以代行计算

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70 V

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。

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