12脈波整流變壓器結(jié)構(gòu)型式的選擇

摘要：介紹了12脈波整流機(jī)組中整流變壓器兩種結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)和在方案選擇中需要注意的
　　問題。
關(guān)鍵詞：12脈波整流變壓器結(jié)構(gòu)型式 在大型的電化學(xué)或電冶金用直流電源系統(tǒng)中，同相逆并聯(lián)12脈波整流機(jī)組是組成24相、36相、48相整流系統(tǒng)的基本組成單元。12脈波整流機(jī)組主電路的連接型式有兩種方案：一種是由一臺整流變壓器與兩臺整流裝置組成的單機(jī)組12脈波整流電路（簡稱“單機(jī)組12脈波整流電路”）；另一種是由置于同一油箱內(nèi)的兩臺完全獨(dú)立的整流變壓器與兩臺整流裝置組成的雙機(jī)組等值12脈波整流電路（簡稱“等值12脈波整流電路”）。二者的連接方式如圖1、圖2所示。


上述兩種連接方式的整流電路，對12脈波整流輸出電壓（電流）波形的對稱性以及對網(wǎng)側(cè)諧波電流的影響是不同的，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員和用戶的注意。
　　1兩種連接方式對諧波電流的影響
理想情況下，12脈波整流電路運(yùn)行過程中，不會在網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生5次和7次諧波電流。但單機(jī)組12脈波整流電路，由于變壓器兩個(gè)閥側(cè)繞組的輸出電壓和阻抗不容易做到很一致，使得運(yùn)行時(shí)存在著嚴(yán)重的負(fù)荷分配不均的問題。需要通過晶閘管相控或飽和電抗器的勵(lì)磁調(diào)節(jié)來糾正這種偏差，從而導(dǎo)致二個(gè)三相橋晶閘管導(dǎo)通的相位差不能嚴(yán)格地保持為30°，使得網(wǎng)側(cè)仍然存在5次和7次諧波電流。
對于等值12脈波整流電路，由于變壓器兩個(gè)閥側(cè)繞組的輸出電壓和阻抗容易做到一致，而不會破壞12脈波的對稱性。
　　2閥側(cè)繞組之間負(fù)荷電流分配不均的問題
　　2.1單機(jī)組12脈波整流電路
單機(jī)組12脈波整流電路，其整流變壓器網(wǎng)側(cè)只有一組繞組，導(dǎo)致兩組閥側(cè)繞組間負(fù)荷分配不均的原因是Y接和△接這兩組繞組間匝比N_Y/N_△偏離，彼此理想空載直流電壓Udio不相等，因此，負(fù)荷分配不可能平均。
整流變壓器閥側(cè)兩組繞組間的匝比N_Y/N_△值接近的可取整數(shù)比為4/7（偏差1.04％）、7/12（偏差1.02％）、11/19（偏差0.27％）。由此可見，將N_Y/_N△做成11/19，可使△U_dio偏差減到最小，改善電流分配不均問題。但由于變壓器結(jié)構(gòu)上的合理性和制造方面（變壓器變比越大尤其如此）的原因，這樣的匝比實(shí)際上是不容易做到的。
對于三相橋式整流電路，整流變壓器閥側(cè)繞組間匝比N_Y/N_△=4/7時(shí)，理想空載直流電壓之差△U_dio=1.04％。但兩組整流器的負(fù)載電流分配卻相差很大。因?yàn)樽儔浩骶W(wǎng)側(cè)繞組的電抗X1＊為各整流橋公有，對整流橋間的負(fù)載電流分配沒有調(diào)節(jié)作用。負(fù)載電流分配完全取決于各組閥側(cè)繞組電抗值X₂^*=X_Y^*＋X_△^*和閥側(cè)連接母線的電抗X_M^*。（其中X_Y^*為Y形連接繞組的電抗值，X_△^*為△形連接繞組的電抗值）。根據(jù)有關(guān)資料計(jì)算結(jié)果表明：
當(dāng)變壓器二次電抗X_△^*=X_Y^*=5％時(shí)，
I_dY=0.2928I_dnI_d△=0.7072Idn
當(dāng)變壓器二次電抗X_△^*=X_Y^*=10％時(shí)，
I_dY=0.3964I_dnI_d△=0.6036I_dn由此可見，變壓器二次電抗數(shù)值愈小，負(fù)載分配相差就愈大。有實(shí)際例子可以證明這一點(diǎn)。蘭州有一用戶采用這種單機(jī)組12脈波二極管整流電路，投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)，其中一整流橋直流電流達(dá)到12000A（額定值）時(shí)，另一整流橋的直流電流只有4500A。導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行，后來被迫重新改造。
理論計(jì)算表明：增大整流變壓器二次電抗X2^*=X△＊＋XY^*，可以部分減小負(fù)載電流分配不均的問題。但完全依賴于增大X₂^*的值來彌補(bǔ)△Udio的影響是不切實(shí)際的。因?yàn)橐獙⒍撸ㄔ驯?/7）的電流偏差△I_d^*限制到3％以下，則要求整流變壓器二次電抗X₂^*=X_△^*＋X_Y^*達(dá)到69.3％。
由于整流變壓器閥側(cè)△連接的電壓U_2△大于Y連接的電壓U_2Y，設(shè)想在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)可人為地使X_△*比X_Y^*大4.16％，則在額定運(yùn)行條件下，可以使二者的負(fù)載電流分配達(dá)到均衡。但由于整流變壓器閥側(cè)電抗可調(diào)整的只有變壓器內(nèi)部引線電抗和閥側(cè)母線電抗，可調(diào)節(jié)范圍很有限。而且，整流機(jī)組的負(fù)載率是隨生產(chǎn)工藝和備用機(jī)組的投切經(jīng)常變化的。所以，這樣的設(shè)想具有很大的局限性，實(shí)際上是做不到的。
將整流變壓器繞組按分裂式變壓器結(jié)構(gòu)（如軸向分裂）設(shè)計(jì)，增大繞組間阻抗，也有利于改善負(fù)載電流分配不均問題。但針對晶閘管整流器而言，可能存在著其它不利于晶閘管安全運(yùn)行的因素（下面另有分析說明）。
采用晶閘管整流器雖然可以對兩套閥側(cè)繞組的電流作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使之達(dá)到均衡，但存在著其它不利于晶閘管整流器安全運(yùn)行的因素（下面另有分析說明）。
采用飽和電抗器進(jìn)行細(xì)調(diào)，能較好地解決二者負(fù)載電流分配不均問題。但也是有代價(jià)的。飽和電抗器占用的地方、增加的制造成本、本身的電耗和對功率因數(shù)的影響等都是不能忽略的。
　　2.2等值12脈波整流電路
對于等值12脈波整流電路來講，就不存在因△、Y連接引起負(fù)載電流分配不均的問題。在等值12脈波整流電路中，盡管其整流變壓器的網(wǎng)側(cè)也有Y形連接和△形連接之分，但由于變壓器網(wǎng)側(cè)繞組匝數(shù)比閥側(cè)繞組匝數(shù)多得多，將匝數(shù)之比做到接近1/是很容易的事。又因?yàn)閮膳_變壓器繞組的每匝電勢可以設(shè)計(jì)成不相等，完全可以使兩臺整流變壓器的閥側(cè)電壓U_2Y=U_2△、△U_dio=0。再加上變壓器網(wǎng)側(cè)電抗X1*不是公共的，對電流分配有調(diào)節(jié)作用，完全可以使兩臺的負(fù)載電流達(dá)到均衡分配。
　　3兩臺晶閘管整流器之間的兼容問題
在12脈波整流電路中，整流主電路是由兩臺6脈波晶閘管整流橋組成的。二者之間的相位角（或控制延遲角）相差30°，由兩組完全獨(dú)立的閥側(cè)繞組供電。
整流裝置在運(yùn)行過程中會導(dǎo)致電網(wǎng)各點(diǎn)電壓波形產(chǎn)生畸變，干擾電網(wǎng)上其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。同理，電網(wǎng)的擾動超過一定極限時(shí)，也會導(dǎo)致整流裝置規(guī)定性能的下降，使其運(yùn)行中斷、甚至損壞。這就是整流器與所在電網(wǎng)的兼容性問題。按國標(biāo)GB10236－88的規(guī)定，兼容的含義是：第一，整流器對電網(wǎng)的干擾在電網(wǎng)的容許范圍之內(nèi)；第二，整流器接入電網(wǎng)后，整流器進(jìn)線上的電壓波動、頻率、波形等參數(shù)的擾動（包括其本身接入后引起的擾動）應(yīng)低于所選整流器的抗電網(wǎng)干擾極限值。
按照國標(biāo)GB1023688的規(guī)定，B級抗擾等級的整流器允許的換相缺口極限值是：最大深度為40％；最大寬度為30°；最大面積為最大深度與最大寬度之積的1/10，即40×30×0.1=120。換相缺口過大，會造成觸發(fā)失敗、誤觸發(fā)或整流器工作不穩(wěn)定。一個(gè)典型的6脈波整流器其閥側(cè)的電壓換相缺口波形如圖3所示。電網(wǎng)換相的變流器在換相期間，參與換相的兩相交流端子被瞬間短路，使變流器閥側(cè)線電壓突降到接近于零，而導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)缺口。

在大型整流系統(tǒng)中，直流回路存在著很大的電感。當(dāng)直流電壓出現(xiàn)快速波動時(shí)，電感中的儲能被逆變饋送給電網(wǎng)。這個(gè)過程中整流器實(shí)際上是做逆變運(yùn)行。國外公司對用于單機(jī)組12脈波整流的整流變壓器就要求：閥側(cè)繞組解耦因子α≤10％，以避免一個(gè)橋路（整流橋）運(yùn)行所產(chǎn)生的陷落（換相缺口）干擾另一個(gè)橋路（整流橋），防止產(chǎn)生換相失敗。
對于單機(jī)組12脈波整流電路，兩臺晶閘管整流橋由同一臺變壓器供電，兩閥側(cè)繞組間共一個(gè)磁路。一臺整流橋所產(chǎn)生的閥側(cè)換相缺口很大部分（80％以上）被耦合到另一組的閥側(cè)上，這就導(dǎo)致二者之間相互干擾。其主要影響在于：激發(fā)高頻振蕩，有可能產(chǎn)生過電壓；當(dāng)延遲角大于30°時(shí)，換相缺口處過高的dv/dt有可能導(dǎo)致晶閘管被誤觸發(fā)，使整流器工作不穩(wěn)定。
在武漢、長春兩地，曾有過類似的例子。用戶因采用單機(jī)組12脈波整流電路而導(dǎo)致晶閘管整流器難以可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。
對于等值12脈波整流電路，變壓器的兩個(gè)器身是完全獨(dú)立的，沒有共磁路的問題。兩臺整流橋所產(chǎn)生的換相缺口經(jīng)整流變壓器的漏抗衰減（到20％左右）之后，相互之間的干擾小得多。一般不會超過整流器的抗擾極限。所以等值12脈波整流電路的兼容好得多。
　　4造價(jià)的比較
單機(jī)組12脈波整流電路的變壓器，只有一個(gè)器身，一臺調(diào)壓開關(guān)。鐵心利用率高。所以有造價(jià)低、體積小之優(yōu)點(diǎn)。
等值12脈波整流電路的整流變壓器為雙器身結(jié)構(gòu)，需要兩臺調(diào)壓開關(guān)。相當(dāng)于化整為零，鐵心利用率也低。所以，有造價(jià)高和體積相對較大的缺點(diǎn)。
　　5結(jié)語
在兩種12脈波整流電路用整流變壓器的結(jié)構(gòu)方案選擇過程中，專業(yè)的整流變壓器和整流器制造廠家都會主張用戶采用等值12脈波整流電路的結(jié)構(gòu)形式，以保證技術(shù)和性能指標(biāo)的要求。