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文档简介
小型机组励磁整流变压器的选型与计算
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
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。
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,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,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。
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400V,二次电压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。
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
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,即网侧采用△接法,阀侧采用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。
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,在倍电压下运行时,其铁损的增加到4=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=,
式中,U1是网电的最高电压值。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~倍的强励电压,即变压器的二次电压需是额定值的~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~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=×/=+
三相半波整流U2=×/=nUE+
对上式各项的解释
UE—发电机额定励磁电压;
系数—如前所述,是励磁电压的裕量值;
系数—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—三相全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=;
数字—励磁回路的电压降的总和,其中包括整流元件的正向压降,以及馈电导线和碳刷集电环的压降。
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=UE,或U2=UE
5、电流的计算
三相全波整流一次电流I2=KIE,二次相电流I1=IE
三相半波整流一次电流I2=KIE,二次相电流I2=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
变压器二次侧功率
全波整流P2=3U2I2=3×=nPE+
半波整流P2=3U2I2=3×=nPE+
变压器容量的计算
全波整流S1=P2/=P2==PE+
半波整流S1=P2/=P2==PE+IE
式中,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=PE,或S1=3PE
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=,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460V.
求解步骤如下
1)连接组D,y11
2)励磁功率PE=UEIE=×153=
3)一次线电压U1=460×=437,取440V
电压调整系数n=U1/400=
4)二次相电压U2=+=××+=,可选34V;
5)变压比K=U2/U1=34/440=
6)二次电流I2=IE=×153=,可选125A.
7)一次电流I1=KIE=×153×=,可选
8)功率容量S1=+=××+×153
=16257,可选17kVA
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:17kVA连接组:D,y11
电压比:440V/34V电流:A/125A
功率因数: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,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=,励磁电流IE=153A.
励磁功率:P=×=
通取一次线电压:U1=440V
三相半波
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