高压干式多绕组移相变频整流变压器的设计

高压干式多绕组移相变频整流变压器的设计

一、概述

高压变频装置是计算机技术、功率器件及电机控制技术的有机组合，其中含有多项高新技术，是当前电机调速技术中发展最快的产品。

高压变频调速技术是采用隔离变压器将多个低压模块叠加（串联）而形成高压输出，主要是由多个低压功率单元和控制单元组成，每个功率单元由多绕组隔离变压器的一个三相绕组供电，这种多绕组的隔离变压器其二次线圈互相存有一个相位差，实现了输入多重化，由此可消除各单元产生的谐波对电网的污染，这个隔离变压器称为多绕组移相整流变压器。

二、多绕组移相整流变压器采用H级非包封干式变压器技术

H级非包封干式变压器是当前绝缘等级最高的干式变压器，其主体绝缘采用Nomex绝缘系统，Nomex纸是一种以芳香酰胺纤维为基础的合成绝缘材料，当Nomex纸用于变压器的绝缘系统时，在高温下，它的电气和机械性能都十分稳定，而且阻燃性能很好，Nomex 纸及其干变的优越性能如下：

1．突出的耐热性能：耐热温度高是Nomex纸固有的、它属于C级绝缘材料，在200℃以上时，电气性能和机械性能均十分稳定；在250℃温度下，不会熔融、流动和助燃。用其制成的干变可在350℃温度下，承受短期运行，过载水平和热冲击承受力非常突出。

2．牢固的机械性能：Nomex纸非常坚固，而且Nomex纸挠性很好，耐撕裂、抗磨擦、抗割穿，当Nomex纸用于绝缘系统的不同部位时，它都能够保持很好的机械性能，用其制成的干变，在短路或其它机械应力的作用下，将会保持绝缘结构的稳定和牢固。

3．优良的防潮性能：Nomex纸不吸水，具有很好的防潮性能，即使在相对湿度为95%的情况下，其电气强度也可保持较高的水平。

4．阻燃性能突出：Nomex纸在空气中不会熔化或助燃，其阻燃性能特别突出。

5．优越的电气性能：Nomex纸的耐压强度高，它的工频击穿场强为20~40kv/mm，其介电常数接近于空气，Nomex纸沿面放电起始电压较高，当它用于干式变压器时，可减少主绝缘尺寸，减少整个铁心的重量，Nomex纸的局放起始电压也较高，用其制造的干变能够做到较低的局部放电水平。

6．Nomex纸的化学特性：Nomex纸具有较强的抗酸碱侵蚀水平，能与各种油、树脂、浸渍漆、氟碳化合物、冷却剂相溶，用其制成的干变可用于较恶劣环境，在寿命期终结后，又能容易地分解处理，不造成环境危害。

基于Nomex绝缘系统及其制成的干变的上述特点，多绕组移相整流变压器采用这种技术，提升了高压变频装置的可靠性，缩小了整个装置的体积。

三、整流变压器采用二次侧延边三角形移相

12脉波以上的整流变压器，需要使用移相技术，移相的目的是使整流变压器二次绕组的同名端线电压之间有一个相位移，移相分为一次侧和二次侧移相，二次侧移相比较简单（本文的整流变压器采用二次侧移相），仅采用一台变压器，将二次侧分为多绕组形式，每个绕组采用延边三角形移相。根据高压变频装置容量的大小及电压的等级不同，整流脉波数分为18脉波、24脉波、30脉波、36脉波，对于18脉波的整流变压器，其二次侧有三个移相组，移相角为+20°、0°、-20°，各移相组角差为20°；对于24脉波的整流变压器，其二次侧有四个移相组，移相角为+22.5°、+7.5°、-7.5°、-22.5°，各移相组角差15°；对于30脉波的整流变压器，其二次侧有五个移相组，移相角为+24°、+12°、0°、-12°、-24°，各移相组角差为12°；对于36脉波的整流变压器，其二次侧有六个移相组，移相角分别为+25°、+15°、+5°、-5°、-15°、-25°，各移相组角差为10°。对于48脉波的整流变压器，其二次侧有八个移相组，移相角分别为+26.25°、+18.75°、+11.25°、+3.75°、-3.75°、-11.25°、-18.75°、-26.25°，各移相组角差为7.5°。

延边三角形联接方式分为正序联结和反序（逆序）联结，因为正序联结时，其移相角是顺时针方式，称为负角度；反序联结时，其移相角是逆时针方式，称为正角度。而无论是正序联结还是

反序联结，纯三角形时，均作为0°，可将正序联结称为-0°，反序联结称为+0°，联结方式及移相见下图：

顺时针移相 逆时针移相

a ＇ a ＇

＇

＇ C ＇

正序联结 反序联结

四、移相整流变压器二次侧计算要领

移相整流变压器的额定容量为P ，其一次侧联结成Y 接，计算方法同常规的变压器；二次侧采用多绕组移相，每个移相组平均总的额定容量。所以，假设二次侧每相绕组为n ，则每组容量为P/n ，每组的线电压为U N ，则采用延边三角形移相的绕组，其角外部分（移相绕组）的电流I y =P/√3n U N ，角内部分（主绕组）的电流I m =P/3nU N ，若移相角为a ，则角外部分（移相绕组）的电压为U y =U N ·2/√3·Sina ，角内部分（主绕组）的电压为

Um=U N ·2Sin （30°－a ）。

对于同样的角度，仅仅正负差异的移相组，其角内外的电流、电压是相同的，不同的是正、反序的联结方式。

五、移相整流变压器的角度误差和电压误差的计算方法

假设已知每匝电压为et ，角内部分（主绕组）匝数为Wm ，角外部分（移相绕组）匝数为Wy 。

Wm+Wy Wy

实际移相角a 的计算： =

Sin(60°－a) Sina

√3·Wy

经公式推导后：a=arctg

3Wy+2Wm

此角度与所需移相角比较即可得出角度偏差。

U Wy·et √3 Wy·et

= U = =

Sin120°Sina 2 Sina

只要将前面计算出的a值代入上式即可计算出U，再与所需的U N比较即可得出电压误差。

六、系列产品的发展状况

多绕组移相整流变压器作为一种新的变压器产品，应市场需求而诞生，并且发展很快。我公司从2010年开始研发该系列产品，当前已生产10多个规格，为国内外知名的高压变频器生产厂家的100多套变频器配套，最早的产品已经运行两年以上。单台容量从300kV A~4000kV A，电压等级有3、6、10kV，移相组数有9、15、18、21、24、27、30，形式各不相同，结构也有差异。

七、结论

多绕组移相整流变压器作为高压变频装置配套元件，其容量范围从300kV A~3500kV A，电压等级从3kV~10kV。因为该类变压器的特殊使用条件，其性能参数和温升计算方面均有特殊性，留待以后讨论，尤其是其一、二次阻抗的设计计算，直接关系到谐波含量的多少，是关键技术所在。随着高压变频装置的应用日趋成熟，这类整流变压器将会形成系列，并得到更深入的研究。