12脈波整流變壓器結構型式的選擇

摘要：介紹了12脈波整流機組中整流變壓器兩種結構型式的特點和在方案選擇中需要注意的
　　問題。
關鍵詞：12脈波整流變壓器結構型式 在大型的電化學或電冶金用直流電源系統中，同相逆并聯12脈波整流機組是組成24相、36相、48相整流系統的基本組成單元。12脈波整流機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組12脈波整流電路（簡稱“單機組12脈波整流電路”）；另一種是由置于同一油箱內的兩臺完全獨立的整流變壓器與兩臺整流裝置組成的雙機組等值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側諧波電流的影響是不同的，應引起設計人員和用戶的注意。
　　1兩種連接方式對諧波電流的影響
理想情況下，12脈波整流電路運行過程中，不會在網側產生5次和7次諧波電流。但單機組12脈波整流電路，由于變壓器兩個閥側繞組的輸出電壓和阻抗不容易做到很一致，使得運行時存在著嚴重的負荷分配不均的問題。需要通過晶閘管相控或飽和電抗器的勵磁調節來糾正這種偏差，從而導致二個三相橋晶閘管導通的相位差不能嚴格地保持為30°，使得網側仍然存在5次和7次諧波電流。
對于等值12脈波整流電路，由于變壓器兩個閥側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閥側繞組之間負荷電流分配不均的問題
　　2.1單機組12脈波整流電路
單機組12脈波整流電路，其整流變壓器網側只有一組繞組，導致兩組閥側繞組間負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，負荷分配不可能平均。
整流變壓器閥側兩組繞組間的匝比N_Y/N_△值接近的可取整數比為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。但由于變壓器結構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，整流變壓器閥側繞組間匝比N_Y/N_△=4/7時，理想空載直流電壓之差△U_dio=1.04％。但兩組整流器的負載電流分配卻相差很大。因為變壓器網側繞組的電抗X1＊為各整流橋公有，對整流橋間的負載電流分配沒有調節作用。負載電流分配完全取決于各組閥側繞組電抗值X₂^*=X_Y^*＋X_△^*和閥側連接母線的電抗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）。根據有關資料計算結果表明：
當變壓器二次電抗X_△^*=X_Y^*=5％時，
I_dY=0.2928I_dnI_d△=0.7072Idn
當變壓器二次電抗X_△^*=X_Y^*=10％時，
I_dY=0.3964I_dnI_d△=0.6036I_dn由此可見，變壓器二次電抗數值愈小，負載分配相差就愈大。有實際例子可以證明這一點。蘭州有一用戶采用這種單機組12脈波二極管整流電路，投運后發現，其中一整流橋直流電流達到12000A（額定值）時，另一整流橋的直流電流只有4500A。導致設備無法正常運行，后來被迫重新改造。
理論計算表明：增大整流變壓器二次電抗X2^*=X△＊＋XY^*，可以部分減小負載電流分配不均的問題。但完全依賴于增大X₂^*的值來彌補△Udio的影響是不切實際的。因為要將二者（匝比4/7）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^*達到69.3％。
由于整流變壓器閥側△連接的電壓U_2△大于Y連接的電壓U_2Y，設想在變壓器設計時可人為地使X_△*比X_Y^*大4.16％，則在額定運行條件下，可以使二者的負載電流分配達到均衡。但由于整流變壓器閥側電抗可調整的只有變壓器內部引線電抗和閥側母線電抗，可調節范圍很有限。而且，整流機組的負載率是隨生產工藝和備用機組的投切經常變化的。所以，這樣的設想具有很大的局限性，實際上是做不到的。
將整流變壓器繞組按分裂式變壓器結構（如軸向分裂）設計，增大繞組間阻抗，也有利于改善負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繞組的電流作適當的調整，使之達到均衡，但存在著其它不利于晶閘管整流器安全運行的因素（下面另有分析說明）。
采用飽和電抗器進行細調，能較好地解決二者負載電流分配不均問題。但也是有代價的。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側也有Y形連接和△形連接之分，但由于變壓器網側繞組匝數比閥側繞組匝數多得多，將匝數之比做到接近1/是很容易的事。又因為兩臺變壓器繞組的每匝電勢可以設計成不相等，完全可以使兩臺整流變壓器的閥側電壓U_2Y=U_2△、△U_dio=0。再加上變壓器網側電抗X1*不是公共的，對電流分配有調節作用，完全可以使兩臺的負載電流達到均衡分配。
　　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°，由兩組完全獨立的閥側繞組供電。
整流裝置在運行過程中會導致電網各點電壓波形產生畸變，干擾電網上其它電氣設備的正常運行。同理，電網的擾動超過一定極限時，也會導致整流裝置規定性能的下降，使其運行中斷、甚至損壞。這就是整流器與所在電網的兼容性問題。按國標GB10236－88的規定，兼容的含義是：第一，整流器對電網的干擾在電網的容許范圍之內；第二，整流器接入電網后，整流器進線上的電壓波動、頻率、波形等參數的擾動（包括其本身接入后引起的擾動）應低于所選整流器的抗電網干擾極限值。
按照國標GB1023688的規定，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，會造成觸發失敗、誤觸發或整流器工作不穩定。一個典型的6脈波整流器其閥側的電壓換相缺口波形如圖3所示。電網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，使變流器閥側線電壓突降到接近于零，而導致電壓波形出現缺口。

在大型整流系統中，直流回路存在著很大的電感。當直流電壓出現快速波動時，電感中的儲能被逆變饋送給電網。這個過程中整流器實際上是做逆變運行。國外公司對用于單機組12脈波整流的整流變壓器就要求：閥側繞組解耦因子α≤10％，以避免一個橋路（整流橋）運行所產生的陷落（換相缺口）干擾另一個橋路（整流橋），防止產生換相失敗。
對于單機組12脈波整流電路，兩臺晶閘管整流橋由同一臺變壓器供電，兩閥側繞組間共一個磁路。一臺整流橋所產生的閥側換相缺口很大部分（80％以上）被耦合到另一組的閥側上，這就導致二者之間相互干擾。其主要影響在于：激發高頻振蕩，有可能產生過電壓；當延遲角大于30°時，換相缺口處過高的dv/dt有可能導致晶閘管被誤觸發，使整流器工作不穩定。
在武漢、長春兩地，曾有過類似的例子。用戶因采用單機組12脈波整流電路而導致晶閘管整流器難以可靠、穩定地運行。
對于等值12脈波整流電路，變壓器的兩個器身是完全獨立的，沒有共磁路的問題。兩臺整流橋所產生的換相缺口經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造價的比較
單機組12脈波整流電路的變壓器，只有一個器身，一臺調壓開關。鐵心利用率高。所以有造價低、體積小之優點。
等值12脈波整流電路的整流變壓器為雙器身結構，需要兩臺調壓開關。相當于化整為零，鐵心利用率也低。所以，有造價高和體積相對較大的缺點。
　　5結語
在兩種12脈波整流電路用整流變壓器的結構方案選擇過程中，專業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脈波整流電路的結構形式，以保證技術和性能指標的要求。