带自耦调压的12脉波桥式整流变压器设计

带自耦调压的12脉波桥式整流变压器设计
海理; 肖金凤; 王博; 谢艳
【期刊名称】《《电气技术与经济》》
【年(卷),期】2019(000)004
【总页数】3页(P44-46)
【关键词】自耦调压; 12脉波桥式整流; 同相逆并联; 移相变压器
【作者】海理; 肖金凤; 王博; 谢艳
【作者单位】[1]南华大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM422
0 引言
随着低电压、大电流、调压范围宽的大功率可控可调直流电源在电化学工业、电解电镀设备、钢铁冶金行业及交通驱动等领域中广泛应用，电力电子整流装置的功率需求不断增大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随着增大。

为解决电网谐波污染问题，往往采用多脉波整流技术，即通过增加整流器的输入相数的方法来抑制甚至完全消除输入电流中某些特定次数的谐波。

孟凡刚［3］［4］等人提出了一种低容量联结的六相自耦变压器应用于12脉波整流系统；张先进［5］等人研制了不带平衡电抗器的隔离型12脉波多边形自耦变压器的整流系统。

这些方法将6脉波桥式整流提升到12脉波输出，大大减小了谐波污染，但是阀侧多边形
移相，绕组数量多，制造工艺复杂，对大容量整流变压器设计而言，往往需要满足调压范围大、制造工艺简单的要求。

本文介绍带自耦调压的12脉波桥式整流变压器能满足这种需要低电压、大电流、调压范围宽的直流电源设备的要求，也能解决直流电压脉动及高次谐波问题，使电压质量提高、电网危害减少。

该变压器采用“一拖二”的结构，由一台调变和两台整变按“品”字形共箱布置，调变网侧为35kV进线自耦调压，两台整变分别采用Y、D接法，阀侧Δ接通过同相逆并联方式在油箱两侧对称输出，与4组桥式整流柜及负载设备构成整流回路。

1 变压器接线原理图
1.1 调变绕组接线原理图
调变接线原理见图1。

采用自耦正反调压，调节范围80%～105%，在容量相同时，自耦变压器体积比隔离式变压器小，可节省硅钢片和铜线，且效率高。

图1 调变接线原理图
1.2 整变绕组接线原理图
整变接线原理见图2。

整变高压绕组通过Y、D连接，使输出到低压的相位错开30°，阀侧获得12脉波输出。

图2 整变接线原理图
2 电磁计算
2.1 空载直流电压Ud0计算
2.1.1 计算方法一
按下式计算空载直流电压Ud0：
式中，Ud——额定直流电压，V
ΔU——每个整流臂上整流器和熔断器的电压降，V，一般取2.8V；
Pk%——短路损耗百分数，与变压器直流容量有关，一般取1%～3%；Kx——变压器与整流柜的引线电抗系数，与变压器直流电流有关，一般取1.20～1.80；
Ux%——变压器短路阻抗百分数。

2.1.2 计算方法二
按下式计算空载直流电压Ud0：
式中，Kd——空载直流电压系数，与变压器直流电压有关，一般取1.08～1.25。

2.2 交流参数计算
式中：Ud0——空载直流电压，V
Id——额定直流电流，A
2.3 匝数及磁密的选取
由于整流装置的单向导电性使其含有11次、13次谐波为主的（12k±1）次谐波，造成变压器磁通密度Bm实际运行时比按基波电压计算时要高，且Bm的大小直
接影响变压器噪音的高低。

因此，在设计整流变压器时控制Bm在1.65T左右。

两个整变高压绕组Y、D接法均通过同一个调变自耦调压，低压绕组匝电势一致，因此高压D接绕组的匝数应为Y接绕组匝数的1.732倍；调变根据正反调压范围（档位）和网侧电压来选取合适的匝数。

2.4 短路阻抗的计算
在整个正反调压中，整变单个器身低压安匝始终不变。

从第1档开始，调压绕组
极性与基本绕组极性相反；输出端依次递增到中间档，此时调压绕组无电流通过；然后依次递增到最后一档，调压绕组极性和基本绕组相同。

此时，高压励磁有效匝数最多，低压输出电压最大。

因此，在阻抗计算时，应分别分析最大负分接，中间
档和最大正分接3种情况的阻抗。

另外，该变压器调变和整变部分的阻抗计算均需折算至通过容量。

2.5 附加损耗及温升的计算
高次谐波电压将在变压器中产生涡流损耗，加上引线损耗、杂散损耗等附加损耗都难以精确计算，一般是在计算总负载损耗的时候，将绕组损耗乘以附加系数K2即可得出。

附加损耗系数K2与变压器直流电流有关，一般取1.05%～1.45%。

在工程设计上，考虑到谐波的存在，计算的铁心温升、绕组温升以及油面温升应低于对应绝缘温升限值5K左右，以确保变压器运行时铁心、绕组与油面实际温升不超过对应绝缘等级的温升限值。

2.6 变压器结构
2.6.1 变压器器身结构
采用三相三柱叠铁心结构，铁轭截面积与心柱截面积一致，上下采用“D”形轭，能节约制造成本、降低空载损耗。

整变阀侧绕组采用双饼连续式结构，布置在外线圈，高压绕组Y、D不同接法均采用连续式结构，布置在内线圈；调变网侧35kV
基本绕组采用连续式结构，布置在内线圈，自耦正反调压绕组采用螺旋式结构幅向出线，布置在外线圈。

整变的阀侧绕组出线端子分别采用铜排从器身靠油箱两侧面引出，每个器身的两组同相逆并联绕组出线端子的电角度相差180°。

2.6.2 同相逆并联原理
由于二次侧输出电压低、电流大，导致引线电抗及压降增大，功率因数也随之降低，甚至有可能引起引线及出线端子周围产生局部过热现象。

与此同时，整流元件之间的电流分配也可能出现不平衡现象。

为了克服上述缺点，通常在二次侧采用同相逆并联出线，即同一相采用电流方向相反的整流元件分成两个并联支路相邻布置。

这样一来，这两个支路引线的电流在任何瞬间都是大小相等方向相反的，从而大大降低了引线电抗和压降，使整流设备的功率因数提高，整流元件的电流分配趋于平衡。

图3表示三相桥式整流电路同相逆并联的接线原理图和瞬时电流示意图。

图3 （1）三相桥式整流电路同相逆并联的接线原理图
图3 （2）同相逆并联瞬时电流示意图
整流柜内，如在t1 ～t2时间内，a11、a21对b16、b26都同时导电，过60°电
角度后，a11、a21对c12、c22同时导电，其它导排处于低电位，整流元件不导通，无电流通过，a21、a11、c12、c22分别形成逆并联电路，其他时间类推。

3 带自耦调压的12脉波桥式整流变压器与多边形移相整流变压器的技术特点比较（1）工艺简单、调压范围宽
带自耦调压的12脉波桥式整流变压器，其自耦调压部分为单独的器身，调压范围宽，两个整变高压Y、D联结，不需增加移相绕组，实现阀侧12脉波的输出，整体结构、制造工艺简单。

另外，将三个器身放在一个油箱，减少了变压器台数，使变压器空间占地面积减少，更利于厂家对变压器位置进行合理布置。

（2）成本低、损耗小
由于多边形移相变压器绕组数量多，造成铜线、硅钢片的用量增加，而通过高压Y、D两种不同的接法来实现12脉波的输出，设计时阻抗保持一致，均通过同一自耦变压器调压，能有效降低涡流损耗的产生。

随着变压器容量的增大，桥式整流结构节省材料、降低损耗的优势越来越明显。

4 结束语
（1）带自耦调压的12脉波桥式整流变压器其电磁设计和结构方案，完全能满足
工程设计要求和客户需要，同时在结构设计、制造工艺上均能确保产品安全可靠运行。

（2）变压器阀侧均采用三角形联结，为励磁电流的三次谐波分量提供了通路。

（3）星三角移相桥式整流变压器的应用受脉波数的限制，其阀侧输出最多是12
脉波；当变压器阀侧输出脉波数的要求大于12时，必须采用移相绕组来实现，甚
至采用多台不同移相角度的变压器并联运行才能满足需求。

（4）总的来说，带自耦调压的12脉波桥式整流变压器采用“一拖二”的结构，具有工艺结构简单、调压范围宽、制造低、损耗小、运行效率高、功率因数高、运行安全可靠及外观设计美观等优点，可以达到节能降耗的目的，具有很好的应用前景和推广价值。

参考文献
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