18脉波H级绝缘干式整流变压器

18脉波H级绝缘干式整流变压器

1 引言

工业用的直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流器所组成的整流设备而得到的，并广泛应用于冶金、化工和牵引等领域，如城市轨道交通、轧钢电机的直流传动、同步电机的直流励磁等。整流变压器的作用是将交流电网电压变换成整流装置所需要的电压，并通过相数和相位角的变换，改善交流和直流侧的运行特性。整流变压器可将整流设备与电网电路隔离开来，确保设备的安全，并且限制短路电流，减少整流设备对电网和其他并联运行整流设备相互间的电磁干扰，抑制晶闸管等整流元件的电流上升率。

由于干式变压器的无油污染问题，防潮、耐热、阻燃、防腐蚀等特性，广泛应用于工业、生活的各个方面。目前主要存在两种主流类型的干式变压器：一种是以欧洲为代表的树脂浇注式干式变压器（简称ordt），另一种是以美国为代表的浸漆式干式变压器（简称ovdt）。而作为h级绝缘的干式整流变压器，以c级绝缘材料nomex纸作为绝缘介质，具有更高的可靠性和环保特性，而且具有更好的经济性，受到广泛的欢迎。

h级干式整流变压器耐热等级为180℃，主要绝缘材料为nomex纸，该绝缘纸是美国杜邦公司的专利产品，是一种以芳香酰胺纤维为基础的合成绝缘材料，其本身为c级，耐热等级达220℃。nomex纸还有许多优点，是极佳的电气绝缘材料，用其制造的变压器可以防潮、阻燃，对环境适应性好，而且变压器尺寸紧凑，占用空间小，变压器抗冷热冲击、抗短路能力、抗过电压能力均好于其它类型变压器。尤其是h级整流变压器的制造工艺和产品结构特点，对于需要多个抽头，结构复杂的多个移相绕组的整流变压器来说，具有非常明显的优势，使其制造加工周期短，成本低，真空压力浸渍（vip）后绕组刚性好，机械强度得到保证，同时，由于有漆膜覆盖在绝缘材料表面，提高了变压器的防潮能力。

2 移相的形成及工作原理

干式移相整流变压器是一种专门为中高压变频器提供多相整流电源的装置，采用延边三角形移相原理，通过多个不同的移相角二次绕组，可以组成等效相数为9相、12相、15相、18相、24相以及27相等整流变压器。变压器的一次侧直接入高压电网，其二次侧有多个三相绕组，它按0°、θ°、…、（60-θ）°等表示延边三角连接变压器二次侧的各低压三相绕组，同时表示各低压三相绕组线电压相对对应绕组的移相角。当每相由n个h桥单元串联时，θ=60°/n，实现了输入的多重化，形成6n脉波整流。这样，如果各h桥单元功率平衡，电流幅值相同，理论上一次侧输入电流中不含有6n±1以下各次谐波，并可提高功率因数，一般不需再配备无功补偿和谐波滤波装置。最适宜用于防火要求高、负荷波动大的环境中，如海上石油平台、火力发电厂、自来水厂、冶金化工、矿山建材等特殊的工作环境中。

多绕组干式移相整流变压器是根据不同的用户而设计，容量从200kva~10000kva不等，一次阻抗较大，变压器的效率＞98%，采用h级绝缘系统，绕组温升限值120k。为了提高电能质量，整流变压器的输出波形不像电力变压器在一个周期内只有三个正弦脉波，而是根据一次侧电压和装机容量，确定每台变压器在一个周期内的脉波数。高压变频调速技术目前呈现多样化，以西门子技术为代表的级联式多重化技术，基本可以做到完美无谐波，它采用整流变压器将多个低压模块叠加（串联）而形成高压输出，功率器件采用igbt，目前国内绝大多数高压变频器厂家都是采用这种技术。abb的acs5000系列变频器是三电平的拓朴结构，36脉波的整流变压器共有6个移相组，每两个移相组为一个变频单元供电，功率器件为igct，abb还有一种变频器采用12脉波整流逆变技术，其变压器采用三绕组形式。以ab（rockwell）为代表的18脉波整流逆变技术，其需要整流变压器采用三分裂形式。

整流变压器作为这一技术的重要构成，是伴随高压变频器的技术而出现并迅速发展的。

根据变频器单元数和电压等级的不同，移相整流变压器输出绕组数和电压也不同，3kv的多采用3级，移相分为0°、±20°，每移相组电压为630v；6kv的多采用6级，移相分为±5°、±15°、±25°，每移相组电压为630v，也有采用5级或7级，5级时移相角为0°、±12°、±24°，电压为710v，7级时移相角为0°、±8.57°、±17.14°、±25.71°，电压为490v；10kv的多采用8级，移相分为±3.75°、±11.25°、±18.75°、±26.25°，每移相组电压为720v，也有采用9级和10级。理论上讲，级数越多，变压器输入侧的谐波越少，对电网的污染越小，但级数多，变频器的功率单元就多，增加了制造成本，所以上述级数是各变频器厂家普遍采用的。abb的acs5000变频器所需变压器在结构上要与上述的简化一些；12脉波和18脉波的整流变压器多采用分裂方式，适用于abb和ab的变频器。用以改善整流装置的高次谐波对电网和通讯等设备的影响。

在电网三相电压的基础上，为获得均匀分布多脉波二次侧电压，即需要每相二次侧电压在120°内均匀分布展开。为此利用y，d11与yd1两种接线组别，达到相互移相60°。再利用二次侧延边三角形移相得到需要的相位角。按照接线组别定义，顺时针移相为（+），逆时针移相为（-）。例如：18个脉波的移相变压器，间隔为：360°/18=20°。其接线组别计移相角按顺序分别为：y，d11-20°；y，d11；y，d11+20°。

3 18脉波h级绝缘干式整流变压器设计概述

3.1 容量的确定

铁心的选择与电压有关，而导线的选择与电流有关，即导线的粗细直接与发热量有关。也就是说，变压器的容量只与发热量有关。对于一个设计好的变压器，如果在散热不好环境中工作，假如为1000kva，如果增强散热能力，则有可能工作在1250kva。另外，变压器的标称容量还与允许的温升有关，例如，如果一台1000kva的变压器，允许温升为100k，如果在特殊的情况下，可以允许其工作到120k，则其容量就不止1000kva。由此也可以看出，如果改善变压器的散热条件，则可以增大其标称容量，反过来说，对于相同容量的变频器，可以减小变压器柜的体积。

变压器容量的选择一般从电压、电流及环境条件几方面综合考虑。其中应根据用户用电设备的容量、性质和使用时间来确定所需的负荷量，以此来选择变压器容量。在正常运行时，应使变压器承受的用电负荷为变压器额定容量的75%-90%左右。

变压器是由绕在同一铁心上的两个或两个以上的线圈绕组组成，绕组之间是通过交变磁场而联系着，并按电磁感应原理工作。变压器安装位置应考虑便于运行、检修和运输，同时应选择安全可靠的地方。在使用变压器时必须合理地选用变压器的额定容量。变压器空载运行时，需用较大的无功功率。这些无功功率要由供电系统供给。变压器的容量若选择过大，不但增加了初投资，而且使变压器长期处于空载或轻载运行，使空载损耗的比重增大，功率因数降低，网络损耗增加，这样运行既不经济又不合理；变压器容量选择过小，会使变压器长期过负荷，易损坏设备。因此，变压器的额定容量应根据用电负荷的需要进行选择，不宜过大或过小。

变压器的设计一般只看额定容量，而不看额定功率，因为其电流只与额定容量有关。对于电压源型变频器，由于其输入功率因数接近于1，所以额定容量与额定功率几乎相等。电流源型变频器则不然，其输入侧变压器功率因数最多等于负载异步电机的功率因数，所以对于相同的负载电机，其额定容量要比电压源型变频器的变压器大一些。

3.2 铁心磁通密度的选取

变压器设计的基本问题是磁通和电流密度。变压器的电流与容量成正比，电流密度的大