專利名稱：無電壓差單鐵芯低損耗12p整流變及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大功率整流變壓器技術(shù)領(lǐng)域背景技術(shù)：
2.1 2003年10月《中國氯堿整流技術(shù)高級培訓(xùn)班教材》有關(guān)介紹2.1.1氯堿協(xié)會對等效整流相數(shù)的選擇由于整流設(shè)備所產(chǎn)生的高次諧波電流的頻次主要取決于整流設(shè)備的整流相數(shù)(亦即整流脈波數(shù)P)而高次諧波電流的絕對值In又與頻次成反比。因此，增加等效整流相數(shù)是消除絕對值較大的低頻次諧波電流的最有效措施。中、大型整流設(shè)備所采用的整流電路主要是三相橋式和雙反星型帶平衡電抗器這樣兩種。采用雙反星形電路時，單臺設(shè)備的整流脈波數(shù)只能等于6；采用三相橋式電路時從理論上講可做到12但并不是任何一臺采用三相橋式電路的整流設(shè)備都可以作成P＝12，只有在閥側(cè)繞組分裂成△、Y接兩組且兩組的每相串聯(lián)匝數(shù)之比為下列值時(11/19、15/26、18/31、19/33……)才有可能。當(dāng)然，匝數(shù)比4/7、7/12等也較接近 但偏差都超過了1.0％，除萬不得已一般不推薦使用。由于合理的匝數(shù)比的最低值為11/19，對于中等容量的變壓器只有當(dāng)直流額定電壓大于600V時方有可能采用。為獲得單臺設(shè)備的P值為12，還有另外一種方案可供選擇，即整流變壓器鐵芯采用共軛式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的實質(zhì)是將兩個容量相同的鐵芯迭加一起而構(gòu)成的。其主要性能指標(biāo)與兩鐵芯獨立時相差無幾。由于其效益并不明顯且制造工藝較復(fù)雜，故未能廣泛使用。綜上所述。不難看出，多數(shù)情況下單臺整流設(shè)備只能作到P＝6。
2.1.2氯堿協(xié)會對整流設(shè)備的移相在整流變壓器繞組上實施移相，這是應(yīng)用得較為普遍的一種移相方法大體上有兩種作法一種是在網(wǎng)側(cè)繞組上移相。另一種則是在伐側(cè)繞組上移相。由于電化學(xué)用整流設(shè)備多為低電壓大電流設(shè)備其閥側(cè)繞組每相串聯(lián)匝數(shù)很少，因此在閥側(cè)繞組上移相，實施起來非常困難。故工程應(yīng)用中無使用先例。但是，有一種情況例外當(dāng)采用三相橋式整流電路且直流輸出電壓較高時，可將閥側(cè)繞組分裂成兩組，一組作Y接，一組作△接；為使兩組閥側(cè)繞組的變比相同，必須使它們每相串聯(lián)匝數(shù)比等于或非常接近于 如11/19、15/26、18/31、19/33等。這樣，可以在單臺設(shè)備上獲得十二相整流系統(tǒng)。在整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組上實施移相，最常見的辦法是當(dāng)并聯(lián)運行的設(shè)備臺數(shù)為偶數(shù)時，將其中一半設(shè)備的整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組作Y接另一半則作△接，所有變壓器閥側(cè)繞組接線相同，如是形成等效十二相整流系統(tǒng)。
在單個鐵芯上要構(gòu)成十二相整流系統(tǒng)，除了前面已談到的將閥側(cè)繞組分裂成兩組分別作Y、△接之外，還可以采用共軛式鐵芯來實現(xiàn)。共軛式鐵芯是將兩個三芯柱鐵迭加在一起共用一個鐵軛，整體呈田字形。變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組一個作Y接、另一個作△接，兩組伐側(cè)繞組的接法相同。其移相效果與兩臺變壓器網(wǎng)側(cè)繞組一個作Y、一個作△接時相同。從理論上講，采用共軛式鐵芯時，也可將兩組伐側(cè)繞組作成一個Y、一個△；網(wǎng)側(cè)繞組接法相同。由于閥側(cè)繞組每相串聯(lián)匝數(shù)較少，兩組接法不同的繞組的匝數(shù)比很難作成 故實際應(yīng)用中均不采用這種方法。
采用共軛式鐵芯的整流變壓器，由于兩組網(wǎng)側(cè)繞組的接法不同，故流經(jīng)中間鐵軛的磁通應(yīng)當(dāng)是接法不同的兩組網(wǎng)側(cè)繞組所對應(yīng)的主磁通的幾何差。由于兩組網(wǎng)側(cè)繞組因接法不同使其感應(yīng)電勢間存在30°的電位差，故其主磁通間的相角差亦為30°，假設(shè)兩組主磁通的幅值相同，中間軛的磁通約為主磁通的51.8％，如果鐵芯任意斷面的磁密B相同，則中間軛鐵芯的截面積只需為上、下鐵軛截面積的51.8％。
共軛式鐵芯整流變壓器，單臺構(gòu)成十二相整流系統(tǒng)，在不增加變壓器型式容量前提下，還省去了1.5個鐵軛，和總?cè)萘肯嗤瑑设F芯分立的變壓器組相比，總投資和總損耗都明顯降低。但和采用三相橋式電路伐側(cè)橈組分別作Y、△接所形成的十二相整流系統(tǒng)比，共軛鐵芯結(jié)構(gòu)變壓器的造價和損耗都要高些。但共軛鐵芯結(jié)構(gòu)可使在任何一種整流電路上，這又是前者所不及的。
帶與芯柱可分離的中軛的單鐵芯12P整流變是克服傳統(tǒng)共軛12P整流變的不足，改閥側(cè)為Y△移相，網(wǎng)側(cè)兩高壓繞組匝數(shù)不相同，中軛可減少到為芯柱的4％，這種變壓器屬磁分路型式變壓原理，使Y△電壓相等。與共軛12P整流變壓器相比僅節(jié)省了50％的中軛損耗，但Y△匝數(shù)不平衡，存在阻抗不平衡，會引起整流諧波增大。
2.2我國單機12P使用概況我國單機12P使用不多，多為單機6P，即使是單機12P也是由雙鐵芯組成或共軛鐵芯構(gòu)成。單鐵芯12P用戶更少，其原因是合理匝比適合實際情況的如11/19匝數(shù)較大，只能適用于中等容量電壓較高場合，再大的匝比對大容量變壓器不適用，否則破壞變壓器設(shè)計的幾何相似，鐵芯細而高這等同于將兩臺變壓器上下迭加，或增加鐵芯窗口橫向大小必使線圈周長過大，兩者都會使PK/PO值過大，PK值增大。4/7，7/12，8/14氯堿協(xié)會除萬不得已一般不推薦使用，即使使用存在Y△兩橋直流電流不平衡(經(jīng)計算電壓差1％，阻抗ud％＝10％兩橋電流差達20％)及直流電流不平衡引起的網(wǎng)側(cè)剩余5、7次諧波電流雙重不良影響，縱上所述適合實際情況的匝比選擇單一，所以單鐵芯12P用得少之又少，單機組12P多為雙鐵芯形式，其實質(zhì)是兩臺單機6P做在一個變壓器油箱內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容3.1發(fā)明目的 經(jīng)計算單鐵芯整流變閥側(cè)Y△移相各種匝比電壓偏差最大不超過4％，本發(fā)明是12P整流主變閥側(cè)通過串聯(lián)輔助變壓器的附加電壓使Y△電壓平衡，使12P整流主變獲得單鐵芯高壓單繞組的電力變壓器的通用設(shè)計，克服大整流技術(shù)中閥側(cè)Y/△匝數(shù)比很難作成 存在電壓差不能使用的偏見，獲得比共軛及雙鐵芯組成的12P整流變壓器損耗低的有益效果。
3.2Y/△匝比選擇及電壓偏差值等數(shù)據(jù)下表3.3共列出了6組Y/△匝比數(shù)據(jù)，增加了電壓偏差值達4％幾組數(shù)據(jù)，如3/5，5/9，6/10，(9/16，10/17，11/19，12/21等組合表中未列出，因計算方法相同)這樣使變壓器設(shè)計有了比較充分匝數(shù)選擇。
表3.3
3.3電壓差消除的實現(xiàn)利用串聯(lián)輔助變壓器的原理將主變閥側(cè)Y或△電壓低的升高。
Y側(cè)加輔助變壓器升壓原理接線如圖1所示，圖中只畫出一相，輔助變壓器一次線圈也可接至主變閥側(cè)△繞組上。
△側(cè)加輔助變壓器升壓原理接線矢量圖如圖2所示，圖中只畫出一相。
以上原理可用于同相逆并聯(lián)和非同相逆并聯(lián)電路中。
3.4輔助變壓器總?cè)萘空贾髯內(nèi)萘堪俜直扔嬎鉟接電壓低者 △接電壓低者 計算結(jié)果在上表3.3中。
3.5輔助變壓器原邊匝數(shù)N的確定設(shè)Y接閥側(cè)電壓UY，△接閥側(cè)電壓U△，由于輔助變壓器原邊N匝副邊一匝，變比為1/N。
則Y側(cè)加輔助變壓器時輔變原邊接Y側(cè)相電壓，其匝數(shù)N利用下式計算(UY+UY/N)3=UΔ]]>△側(cè)加輔助變壓器時輔變原邊接Y側(cè)線電壓，其匝數(shù)N利用下式計算3UY-UΔ=3UY/N)]]>計算的匝數(shù)N如表3.3所示。
3.6輔助變壓器芯柱截面與主變鐵芯截面比值的計算設(shè)主變鐵芯截面S主，輔變鐵芯截面S輔，Bm相同，利用公式U＝4.44fwBmSY接電壓低者主磁通以△接計算得U△＝4.44fw△BmS主……(1)輔助變壓器副邊需升高的電壓為UΔ/3-UY]]>得 (1)式除以(2)式式中U△，UY，w△，w輔可用匝數(shù)代入w輔為1得 計算結(jié)果在上表3-2中△接電壓低者主磁通以Y接計算得UY＝4.44fwYBmS主……(3)輔助變壓器副邊需升高的電壓為UY-UΔ/3]]>得 (3)式除以(4)式同理得
計算結(jié)果在上表3.3中3.7輔變幾何相似即輔變經(jīng)濟實用性分析變壓器設(shè)計鐵芯直徑D計算公式D=KP/3]]>得主變鐵芯直徑 輔變鐵芯直徑 則主輔變鐵芯面積之比 用表3.3P輔/P主容量比值代入得幾何相似變壓器的S主/S輔，比值計算結(jié)果在表3.3中，通過數(shù)據(jù)看出輔變鐵芯截面符合幾何相似要求(截面寧偏大不寧偏小)，只有匝比4/7時輔變截面偏小近一半，可通過增加輔變芯柱高度設(shè)計。
3.8需要指出的是一、輔變阻抗能彌補Y△阻抗不平衡。二、輔變原邊取用1/N閥側(cè)出線電流所增加的主變損耗不能算作額外，因為理想情況下Y△容量相等，實際為做到Y(jié)△容量相等需補償閥側(cè)某組所欠的非整數(shù)匝數(shù)已不可能，但可將非整數(shù)匝數(shù)容量增加在所取用閥側(cè)繞組的導(dǎo)線截面上，經(jīng)計算所增加的I/N倍截面正好為大小為1/N的輔變電流取用。
4單鐵芯12P整流的理想效果4.1在總?cè)萘坎蛔兊那闆r下根據(jù)電機幾何相似原理得采用一臺大容量變壓器和兩臺容量相同的小變壓器兩種方案在總重量總造價和總損耗方面存在下列關(guān)系ΣGN/G1=ΣSN/S1=ΣΔPN/ΔP1=N4]]>當(dāng)N＝2時值等于1.18即采用兩臺6P變壓器等效組成12相整流其變壓器重量、造價、損耗是一臺單鐵芯12P變壓器的1.18倍。增加的輔助變壓器損耗由于容量甚小其損耗也少，而4％中軛可分離共軛鐵芯12P整流變中軛雖小但高壓繞組分裂，高壓繞組匝間等絕緣及散熱的需要難與本方法設(shè)計的變壓器幾何相似，其主要性能指標(biāo)與傳統(tǒng)共軛結(jié)構(gòu)相差無幾。
4.2單鐵芯12P變壓器閥側(cè)Y△繞組5、7、17、19次諧波電流相位相反，合成磁勢近似為零，主變高壓繞組無5、7、17、19次諧波電流流過，雙鐵芯12P即兩臺6P整流變壓器等效組成12相整流，其變壓器高壓繞組有5、7、17、19次諧波電流流過。設(shè)單鐵芯變壓器高壓繞組損耗PKH，則與單鐵芯變壓器容量相同的雙鐵芯變壓器高壓繞組損耗為1.18×1.0647PKH＝1.256PKH(1.0647為橋式整流120°方波電流有效值除以該電流不含5、7、17、19次諧波電流分量情況下(即單鐵芯變壓器高壓繞組電流)有效值的商的平方)這為單身器雙鐵芯12P設(shè)計成單鐵芯12P又增加一條好處。同時將單機組6P整流設(shè)計成單鐵芯12P整流不僅增加了整流脈波數(shù)還減少了變壓器高壓繞組諧波損耗。
4.3為了達到某種移相要求，如3臺6P組成18相整流，一般用變壓器網(wǎng)側(cè)延邊三角(有時4臺6P組成24相整流也用此法)等法移相，其移相容量較大，由單鐵芯12P組成多相整流系統(tǒng)比6P組成多相整流系統(tǒng)節(jié)省網(wǎng)側(cè)移相容量。
4.4多相整流既要使并聯(lián)運行設(shè)備臺數(shù)盡可能少，又要使等效整流相數(shù)足夠多，而多數(shù)情況下(對過去技術(shù)來講)單臺整流設(shè)備只能作到P＝6，以將諧波電流抑制在允許范圍內(nèi)的確不是一件易事，所以氯堿協(xié)會推薦氯堿廠多相整流方案做到24P即可，過高的P會導(dǎo)致投資及運行成本增加，24P整流含23、25次諧波，可通過控制角和重疊角的綜合制約作用減少23、25次諧波(但效果僅一半)方法可提高整流器接入電網(wǎng)的容量，而單鐵芯12P的應(yīng)用滿足上述要求是順理成章的事。
4.5由6P組成多相整流系統(tǒng)要求負荷平衡，對氯堿廠或由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素負荷不平衡，多相整流不完全諧波電流增大，特別是在一臺檢修時。而用由單臺12P組成多相整流系統(tǒng)在負荷不平衡或檢修時不存在諧波分量較大的5、7次諧波，其他高次特征諧波也遠比6P組成多相整流系統(tǒng)少。


圖1是整流變閥側(cè)星接電壓低者串聯(lián)輔變原理接線圖(圖中只畫出一相)圖中①是閥側(cè)星接繞組，②是輔助變壓器。
圖2是整流變閥側(cè)角接電壓低者串聯(lián)輔變原理接線圖(圖中只畫出一相)圖中①是閥側(cè)星接繞組，②是閥側(cè)角接繞組，③輔助變壓器。
圖3是輔助變壓器同相逆并聯(lián)單相殼式結(jié)構(gòu)，①是輔助變壓器一次繞組，②是同相逆并聯(lián)閥側(cè)銅排。
圖4是輔助變壓器同相逆并聯(lián)三相三柱式結(jié)構(gòu)(圖中只畫出一相)①②是同相逆并聯(lián)閥側(cè)出線銅排，③是輔助變壓器一次繞組。
具體實施方式
6.1輔助變壓器結(jié)構(gòu)形式輔助變壓器結(jié)構(gòu)形式有兩種操作方案。
6.1.1輔助變壓器結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計I輔助變壓器副邊使用一匝，又大功率整流變?yōu)橥嗄娌⒙?lián)出線，同相逆并聯(lián)即是兩組同相電壓方向相反電流方向相反且靠近安裝。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，該相兩只輔助變壓器可合成一體，結(jié)構(gòu)是單相殼式，套在一相同相逆并聯(lián)兩根出線銅排上，如圖3所示。一臺主變需三臺輔變，該輔變芯柱截面是表3.3所述二倍。因輔變?nèi)萘啃⌒实?，為降低鐵耗用非晶態(tài)合金材料替代硅鋼片制作輔變，大幅降低鐵損。輔變安裝方式1將輔助變壓器鐵芯套在閥側(cè)出線銅排上，類似硅整流變中磁飽和電抗器安裝方式，安裝方式2輔變?yōu)橥飧叫问嚼瞄y側(cè)出線穿過輔變窗口作輔變二次側(cè)，自然利用了變壓器至整流器之間的連接銅排進一步減少輔變損耗。
6.1.2輔助變壓器結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計II輔變用三相式與主變共軛或不共軛結(jié)構(gòu)，采用共軛結(jié)構(gòu)主變輔變芯柱磁通方向應(yīng)相同，主變磁通被共軛部位分流，總效果是僅增加了輔變芯柱鐵芯，同相逆并聯(lián)接線如圖4所示，圖中僅畫一相同相逆并聯(lián)繞組加輔變的原理圖(構(gòu)成12P的另一組繞組未畫出，高壓繞組未畫出)。
6.2主變每相芯柱也可單獨設(shè)計一匝或數(shù)匝線圈星型連接供輔變一次側(cè)，有關(guān)匝數(shù)數(shù)據(jù)計算原理參照本文。
權(quán)利要求
1.一種整流變壓器，由單鐵芯閥側(cè)YΔ移相12P的整流主變和輔助變壓器組成，其特征是主變閥側(cè)YΔ繞組電壓不平衡通過Y或Δ電壓低者串聯(lián)輔助變壓器以消除，該整流變壓器與容量相同的共軛或兩臺6P變壓器組成等效12P整流相比其總重量總造價和總損耗比值為1/1.18，高壓繞組損耗比值為1/1.256。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述的整流變壓器，其特征是閥側(cè)出線穿過輔變鐵芯窗口作輔變二次側(cè)，閥側(cè)出線有同相逆并聯(lián)和非同相逆并聯(lián)。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的整流變壓器，其特征是輔變原邊供電方式I通過主變Y接繞組供電或用等效矢量的主變Δ接繞組供電，供電方式II通過主變每相單獨設(shè)置的一匝或數(shù)匝星型繞組供電。
4 根據(jù)權(quán)利要求1所述的整流變壓器，其特征是使用該變壓器組成多相整流系統(tǒng)時節(jié)省網(wǎng)側(cè)移相容量，增加整流相數(shù)提高整流器接入電網(wǎng)的允許容量，在負荷不平衡多相整流不完全時諧波電流少。
5 根據(jù)權(quán)利要求2所述的整流變壓器，其特征是同相逆并聯(lián)出線的輔變結(jié)構(gòu)I為單相殼式，安裝方式在主變內(nèi)或主變外，輔變結(jié)構(gòu)II是與主變共軛或不共軛的三相三柱式。
全文摘要
本發(fā)明涉及大功率整流變壓器技術(shù)領(lǐng)域，在單個鐵芯上閥側(cè)繞組作成一個Y、一個Δ構(gòu)成十二相整流系統(tǒng)，由于閥側(cè)繞組每相串聯(lián)匝數(shù)較少，兩組接法不同的繞組的匝數(shù)比很難作成1∶
文檔編號H01F27/34GK1845438SQ20051006539
公開日2006年10月11日 申請日期2005年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月16日
發(fā)明者盧建軍 申請人:盧建軍