整流變壓器的選型計算困難

在小水電勵磁設備的選型配套或維修升級的工作中，電站用戶常常遇到整流變壓器參數計算的問題。很多電工設計手冊都提供了整流變壓器的設計公式，但這些公式適用的是標準的應用條件，與小水電的實際運行環境有所差別，據此設計的變壓器可能不太切合實際。同時小水電基層的專業技術人員也缺乏, 用戶通常覺得整流變壓器的選型計算很困難。因此為基層用戶提出一個簡明計算方法是很有必要的。
1．1 整流方式的選擇：目前低壓機組基本上都采用自勵式靜止晶閘管勵磁方式。其整流方式一般有三相全波半控整流和三相半波整流兩種（圖1）.全波整流的變壓器效率比較高（95％），波形比較好。半波整流的硅元件較少，但變壓器二次繞組有直流電流通過，效率比較低（74％），波形畸變大，用在小于10kW的整流電路,不過一些早期設計的較大機組也是半波整流。兩類整流方式的變壓器計算公式有所不同。
1．2 整流變壓器的形式：采用環氧干式變壓器。容量一般在10－100kVA內，標稱一次電壓（網端）400V，二次電壓（閥端）100V以內，電流100－300A內。由于容量比較小，與整流裝置同置一個配電盤體內。整流變壓器冷卻方式是自冷，在盤側不安裝封閉板時，散熱條件比較好。
1．3 絕緣等級與散熱方式：小水電使用的干式環氧變壓器的絕緣等級一般是B級，絕緣系統最高耐溫為130℃，因此變壓器滿負荷工作時的外表溫度有燙手是正常的。如果對變壓器加以有效的強制風冷，其輸出功率可以提高10％～30％。反之，如果變壓器是工作在密封的配電箱里，散熱條件不良，它的電流容量就必需降低10％或更多。
1．4 阻抗電壓：在發電機的勵磁系統中，有可能存在整流管擊穿或直流回路短路等因素，故整流變壓器的短路阻抗電壓要比普通的變壓器要高，以限制過大的短路電流。短路阻抗電壓的參數由變壓器制造廠設計，我們不作討論，但用戶在向廠家訂貨時必需要注明是晶閘管整流變壓器。
2 接線組別
整流變壓器的接線組別必須與晶閘管整流控制要求的相位相配合。如果是新的設計，可以按以下原則來考慮。
一般采用D，y11的方式，即網側（一次）采用△接法，閥側（二次）采用y接法。此接法的二次相電壓比一次相電壓在相位上落后30°。
D,y11的接法同時適應三相半波和全波兩種整流形式。如果現有的整流變壓接線組別是Y，d11，那也可以使用，但不能用于三相半波整流。
至于Y，y的接線組別就不推薦使用。我們知道三相可控整流產生的三次諧波電壓非常高，可達基波值的50%以上, 而變壓器的D接法可以使其三次諧波磁通抵消，把影響降低到最小。但如果采用Y，y的接線組，整流電路產生的三次諧波的磁通無閉合回路不能抵消。過高的三次諧波會使電波形畸變過大，影響到變壓器及發電機和其它儀表電器設備的正常運行。
電站向廠商提出訂貨數據時，應說明清楚變壓器的連接組別, 一、二次電壓(同時必需注明是相或線電壓)。
3 一次線電壓U1的選擇
小型機組的機端額定線電壓是400V,但小型水電站一般都處于電網的遠端，離變電站線路很長阻抗大。造成末端的網電壓過高，尤其是在豐水期發電高峰時段，網電壓（機端）往往高達460V以上。如果此時一次電壓還是按照400V來設計，變壓器就會承受過電壓，使損耗增大，發熱超標。
整流變壓器的鐵損與其承受電壓倍數比成4次方的關系，例如按400V設計的整流變壓器，在1.2倍（480V）電壓下運行時，其鐵損的增加到（480/400）4=2.07倍。這些損耗最終都在變壓器內轉為熱量，使變壓器的溫升大增。
更有甚者，當電源電壓超高到達一定程度后，變壓器的鐵心的磁通密度就會進入飽和區，使一次側電流激增以致線圈燒毀。一些整流變壓器的設計制造時由于成本的考慮，選取鐵心的磁通密度Bm值偏高，而一次繞組的電壓值仍然選取400V，故在網電壓過高地區燒毀變壓器的例子并不罕見。
對此就應該適當加大一次繞組的電壓值，以使網電壓升高＋20 %變壓器也能應付工作。一般變壓器尚有5% 的電壓過載能力，故我們可用經驗公式來選取一次側繞組額定線電壓值
U1=0.95U1（MAX） ,
式中，U1（MAX）是網電（折合到機端）的最高電壓值. 計算結果若小于400V則按400V選取。
一次電壓選取值增加后，二次電壓也應該增加同樣的比值，保持變壓比不變，以維持勵磁電壓與機端電壓相同比例地增減，因為發電機電壓越高，需要的勵磁功率就越大。
提高一次電壓的做法，等效于增加每伏圈數，都是為了降低變壓器鐵心的磁通密度。防止進入磁通密度曲線的飽和段。帶來的好處還有降低了變壓器的空載電流和鐵損。
當然這樣也有些負面影響，因繞組圈數加多，使變壓器內阻增大，電流損耗（銅損）略有增加，但對變壓器的正常運行不構成什么影響。電壓調整系數為n＝U1/400
簡易計算時, 可以通取U1= 440V, 能適應大多數電網條件（400V—470V）的要求。
4 二次電壓U2的計算
二次電壓的選取值關系到勵磁系統的頂值（強勵）電壓，最大勵磁電流、晶閘管導通角和諧波失真、整流電路的功率因數等等。
按有關規范，勵磁電路要提供1.6～1.8倍的強勵電壓，即變壓器的二次電壓需是額定值的1.6～1.8倍。但是實際上，我國的小水電機組很少有自成孤立電網運行的，絕大部分都是并入大電網售電運行，沒有向電網提供強勵功率的需要和能力——須知大電網容量極大，單個小水電機組的對它的影響是微不足道的。
如果按提高1.6～1.8倍的數值來選取二次電壓，整流電壓就比較高，晶閘管整流系統勵磁時長期處于被深控的狀態，晶閘管的導通角小，波形畸變增大，功率因數變差,故障的短路電流變大，這些因素都對變壓器和機組設備運行不利。同時在相同的變壓器功率容量下，電壓高了必然導致電流降低，線圈繞組的導線截面積下降，電流損耗也增大。
根據我們的經驗，選擇最大整流電壓為額定勵磁電壓的1.3倍就比較適中，除了處理避免上述電壓過高的缺點以外，也保留了一定的整流功率裕量，適應了運行條件變化的要求。
相電壓U2的計算式
三相全波整流 U2 =1.3*1.06（n UE 2.5）/2.34 =0.59nUE 1.47
三相半波整流U2 =1.3*1.06 (nUE 1.7)/1.17 =1.18 nUE 2.0
對上式各項的解釋：
UE—發電機額定勵磁電壓（V）；
系數1.3—如前所述，是勵磁電壓的裕量值；
系數1.06—電流滿負載時變壓器內阻漏抗引起電壓降的補償值。這里用簡單的一個固定數值來代替復雜計算，誤差也不太大；
n—電壓調整系數，見上節所述；
系數2.34（或1.17）— 三相全波（或半波）整流元件全導通時輸出直流電壓與輸入交流相電壓的比值, 即UE /U2＝2.34（或UE / U2＝1.17）；
數字2.5（或1.7）—勵磁回路的電壓降的總和,其中包括整流元件的正向壓降（1.5V或0.75V）,以及饋電導線和碳刷集電環的壓降（1.0 V）.
變壓比K=U2 / U1。
簡易計算時，可把上式結果的第一、二項合并，有U2 = 0.71 UE (全波)，或U2=1.4 UE(半波)
5 電流的計算
三相全波整流一次電流I2＝ 0.816 K IE,二次相電流I1＝ 0.816 IE
三相半波整流一次電流I2＝ 0.472 K IE,二次相電流I2＝ 0.577 IE
這里的I1值尚未考慮變壓器的效率。
6 功率的計算
勵磁功率： PE = UEIE（W）
變壓器二次側功率：
全波整流P2=3U2I2=3（0.59 n UE 1.47）* 0.816IE = 1.45 n PE 3.60IE（W）
半波整流P2=3U2I2=3（1.18nUE 2.0）* 0.577IE = 2.04 n PE 3.46IE（W）
　變壓器容量的計算：
全波整流S1=P2/（0.8 * 97％）=1.29 P2＝1.29（1.45 nPE 3.60IE）= 1.87n PE 4.64IE （VA）
半波整流S1= P2 /（0.8 * 97％）=1.29 P2 =1.29（2.04 nPE 3.46IE）= 2.63 n PE 4.46 IE（VA）
式中， 0.8為變壓器的額定功率因數, 97%為變壓器一次側效率。
簡易計算時，可把上式結果的第一、二項合并，有
S1 = 2.2 PE（全波用），或S1 = 3 PE（半波用）
在實際的訂貨中我們有時發現,某些廠商為了降低成本,變壓器制造的用料偏緊,使變壓器運行溫升偏高. 在這種情況下為保險起見, 最好把訂貨的變壓器容量加大10% 來應付 ,此時變壓器的電壓數值不改變, 一、二次電流要按比例提高。
7 計算實例
某小型水電站需訂購一勵磁整流變壓器, 發電機參數為：
發電機功率400kW, 額定電壓400V, 發電機勵磁電壓UE= 49.4V,勵磁電流IE = 153A.
工作條件：勵磁裝置為晶閘管三相全波半控整流，機組并大電網運行, 網電最高電壓（機端）460V。
求解步驟如下
1）連接組 D，y11
2）勵磁功率PE= UEIE = 49.4×153 = 7558.2 （W）
3）一次線電壓U1 = 460×0.95 = 437（V）,取440V
電壓調整系數n =U1/400 = 1.1
4）二次相電壓U2= 0.59nUE 1.07 = 0.59×1.1×49.4 1.07 = 33.13V,可選34V;
5）變壓比K = U2/U1=34/440 = 0.0773
6）二次電流I2 = 0.816 IE = 0.816×153 = 124.85（A）,可選125A.
7）一次電流I1 = 0.816 KIE =0.816×153×0.0773 = 9.65（A）,可選9.7A
8）功率容量S1= 1.87nPE 4.64 IE=1.87×1.1×7558.2 4.64×153
= 16257（VA）, 可選17 kVA
最后, 填寫訂貨清單：
三相干式整流變壓器訂貨數據
變壓器容量：17 kVA　連接組：D，y11
電壓比：440 V（線）/ 34 V（相）電流（一次電流可不報）：9.7 A / 125 A
功率因數：0.80 工作制：長期連續工作
按照本文的計算結果，在額定工況時變壓器的負載率為0.77, 處于經濟運行狀態。額定勵磁電流輸出時整流晶閘管的控制角約65°。
我們用ms excel（電子表格）軟件編寫了計算程序, 計算時只需把三個參數: 勵磁電壓UE、電流IE和最高網電壓U1（MAX）輸入, 程序即自動計算出整流變壓器的全部數據, 給出訂貨清單。此程序在深圳普威爾電氣公司的網站（szpwr.com）上可以鏈接下載, 或該網站可以代行計算
8．簡易計算方法
發電機參數同前，勵磁電壓UE= 49.4V,勵磁電流IE = 153A.
勵磁功率: P = 40.3×161.4 = 7558.24 （W）
通取一次線電壓:U1 = 440V
三相半波整流時
二次相電壓 U2= 1.4 UE =1.4×49.4 = 69.2 V，可選70 V
變壓器容量S1 = 3×7558. = 22674（VA）,可選23 kVA
三相全波整流時
二次相電壓 U2 = 0.71 UE = 0.71×49.4 = 35.1（V），可選35V
變壓器容量 S1 = 2.2×7558.2 = 1662（VA）, 選17 kVA
與上節的計算結果比較可見，簡易計算方法的誤差并不大，可以付諸應用。在勵磁電壓UE較大時，簡易法的U2值會稍微偏大，但對實際運行的影響無礙。