XL75型變頻器用移相變壓器的結(jié)構(gòu)原理分析

李佳富

（中石油西部管道分公司生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，新疆烏魯木齊830011）

1 概 述

目前長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)組采用大量電力驅(qū)動(dòng)方式，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)多型號(hào)、多廠家生產(chǎn)的大功率變頻器驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，在其整流回路中均采用不同形式的移相變壓器，其主要形式有干式風(fēng)冷和油浸循環(huán)冷卻變壓器。各生產(chǎn)廠家的變壓器一二次側(cè)繞組連接方式、線圈匝數(shù)比以及諧波電流消除的實(shí)現(xiàn)原理也不一致。

采用功率單元串聯(lián)式多電平技術(shù)的高壓變頻器的最大優(yōu)勢(shì)之一就是采用了移相變壓器，實(shí)現(xiàn)輸入多重化，使其輸入諧波減小。移相變壓器具有三個(gè)功能：①實(shí)現(xiàn)一次側(cè)、二次側(cè)線電壓的相位偏移，以消除諧波；②變換得到需要的二次側(cè)電壓值；③實(shí)現(xiàn)整流器與電網(wǎng)間的電氣隔離。

2 移相變壓器線圈通用設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

根據(jù)繞組的不同連接方式，國(guó)際上比較通用的移相變壓器的線圈制造方法是將變壓器二次側(cè)繞組分為順向延邊和反向延邊，二次側(cè)線電壓的相位可以超前或者滯后其一次側(cè)繞組線電壓一個(gè)角度α。移相變壓器一次側(cè)有兩種結(jié)構(gòu)，即星形（Y）與三角形（△）兩種接法，每相匝數(shù)為N1；二次側(cè)每相繞組由兩部分線圈組成，其匝數(shù)分別為N2和N3。N2線圈采用三角聯(lián)接方式，再與N3串聯(lián)。這種繞組接法稱為延邊三角形聯(lián)接，接法方式表示為Y／和Y／或△／和△／。變壓器一次側(cè)繞組為星形接線的，二次側(cè)線電壓其移相角度α的變化范圍為-30°～30°之間，變壓器一次側(cè)繞組為三角形接線的，二次側(cè)線電壓其移相角度α的變化范圍為-60°～0°之間。變壓器繞組一二次側(cè)接線方式如圖1，其繞組接線方式和移相原理分析不在此介紹分析。此類型移相變壓器制造接線方式在高壓變頻器的12、18和24脈波整流器回路中應(yīng)用較普遍，但變壓器制造成本較高，且設(shè)備體積較大，變壓器損耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)多采用強(qiáng)冷型干式變壓器。

圖1 Y／△移相變壓器繞組接線圖

3 CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制變壓器

3.1 CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制變壓器結(jié)構(gòu)

日本東芝公司生產(chǎn)的CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制變壓器，主要用來(lái)配合TMEIC公司XL75型變頻器的36脈沖多重整流器和消除供電網(wǎng)側(cè)諧波來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的。移相控制變壓器內(nèi)部繞組由三個(gè)三繞組變壓器并列接線構(gòu)成，三個(gè)一次繞組并列接到10 k V高壓進(jìn)線側(cè)，可以進(jìn)行無(wú)載調(diào)壓，變壓器每一個(gè)一次繞組對(duì)應(yīng)兩個(gè)二次繞組。變壓器二次側(cè)共有6組輸出電壓，對(duì)應(yīng)輸出電壓移相角度為0°、-30°、-20°、20°、-10°、10°（見(jiàn)表1），其在變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的接線方式見(jiàn)圖2。變壓器內(nèi)部一次側(cè)繞組星形接線，每相繞組匝數(shù)為N1。變壓器二次側(cè)繞組接線方式，一種為三角形接線，移相角度為0°，一種為星形接線，移相角度為-30°。另外幾組，二次側(cè)繞組采用每相繞組線圈由三部分線圈組成，分為兩組移相線圈和一組輸出工作線圈，其繞組匝數(shù)分別為N2、N3和N4，且N2和N1匝數(shù)相同，移相線圈從整組線圈兩端進(jìn)行同相位抽頭，形成六邊形向量結(jié)構(gòu)，向量結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。

圖2 變頻器一次供電系統(tǒng)圖

圖3 CONVERTOR TRANSFORMER移相變壓器向量結(jié)構(gòu)圖

XL75型變頻器采用36脈波二極管整流器，主要目的是降低網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變，降低直流電壓輸出波紋系數(shù)，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，其主要技術(shù)方式就在于所采用的移相變壓器。通過(guò)它可使6重化36脈波整流器產(chǎn)生的諧波相互抵消，諧波消除可以達(dá)到29次，只有35、37次以上諧波，諧波分量非常小。

3.2 CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制變壓器工作原理及結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 移相變壓器相關(guān)電氣技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上述變壓器一次側(cè)繞組星形接線結(jié)構(gòu)，變壓器6組二次側(cè)輸出電源移相角度必然在-120°～120°之間選擇，因此出現(xiàn)表1所示移相變壓器6繞組中所需移相角度值。

3.2.2 移相變壓器繞組接線方式及原理

對(duì)于變壓器二次側(cè)輸出移相角度為0°和-30°特殊形式，其繞組接線方式為Y／d0和Y／d11，其移相角度就可以實(shí)現(xiàn)，不需要再增加移相線圈，因此此類型移相變壓器線圈工作接線和繞組匝數(shù)不再詳細(xì)分析。以下將對(duì)特有的其他四組二次側(cè)繞組電壓輸出移相接線方式及原理進(jìn)行分析。

表1 CONVERTOR TRANSFORMER移相變壓器移相角度表

圖4和圖5給出Y／■型移相角度為-20°和-10°變壓器的連接圖和相量圖。其一次繞組為星形連接，每相匝數(shù)為N1；二次側(cè)每相繞組由三部分線圈組成，其匝數(shù)分別為N2、N3和N4，且N2和N4匝數(shù)相同，三組線圈串聯(lián)在一起組成變壓器二次側(cè)繞組。二次側(cè)三相整組線圈（N2、N3、N4串聯(lián)后）采用三角形聯(lián)接方式，同時(shí)變壓器三相繞組中的N3線圈首尾端又進(jìn)行三角形聯(lián)接，其線圈首端作為此組變壓器二次側(cè)輸出端。

圖4 移相變壓器接線圖

圖5 －20°和－10°移相變壓器一二次側(cè)相量圖

從變壓器一二次側(cè)各相向量圖中可以看出，該變壓器可產(chǎn)生移相角α，如式（1）所示

式中，∠ˉU1u1v和∠ˉU2u2v分別為移相變壓器一次側(cè)輸入和二次側(cè)輸出線電壓U1U1V和U2u2w的向量；∠ˉU2u＇2v＇為變壓器二次側(cè)線圈N2、N3和N4串聯(lián)后整體線圈的線電壓向量，與∠ˉU1u1v向量角相等。

以一次側(cè)線電壓∠ˉU1u1v為參考電壓，規(guī)定∠ˉU2u2v超前∠ˉU1u1v的移相角α為正。為計(jì)算變壓器的匝數(shù)比，設(shè)向量∠ˉU2u＇2v＇的值為Uq；同時(shí)在三相對(duì)稱供電系統(tǒng)中，根據(jù)圖3所示的變壓器向量結(jié)構(gòu)圖，且變壓器二次側(cè)各相線圈N2和N4相等，可知在其移相線圈N2和N4電壓相等，為Uq，即U 2u2u′＝U 2v2v′＝U 2w2w′＝U 2u′M＝Uq。在向量U 2v、U2u和U 2u′組成的向量三角形中各向量之間的關(guān)系，如式（2）所示

因?yàn)樽儔浩鞫蝹?cè)移相線圈N2和N4匝數(shù)相等，從而得到移相變壓器各相二次側(cè)線圈的匝數(shù)比和繞組系數(shù)k

當(dāng)給定了移相角度α后，即可確定N3和2N2＋N3的比例。

根據(jù)式（4），可推導(dǎo)得到

由式（4）和（5）可推導(dǎo)出變壓器匝數(shù)比n

式中，U1u1v為移相變壓器一次側(cè)線電壓；U2u2v為變壓器二次側(cè)繞組輸出線電壓。由式（4）和（6）可推導(dǎo)出

移相角度為-20°和-10°的變壓器的連接圖與圖4基本相同，只是工作線圈N3三角形接線方式出線內(nèi)部相序調(diào)整，其向量圖如圖6，工作原理分析同上。

圖6 20°和10°移相變壓器一二次側(cè)向量圖

3.2.3 此類型移相變壓器繞組結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

從上述分析可知移相變壓器二次側(cè)輸出電壓線圈匝數(shù)N3與一次側(cè)輸入輸出電壓U1u1v和一次側(cè)線圈匝數(shù)N1有關(guān)，有力地說(shuō)明移相變壓器二次側(cè)工作線圈與移相線圈分開(kāi)運(yùn)行，內(nèi)部工作電流也不同。移相線圈工作電流很小，變壓器的二次側(cè)工作線圈為整流器提供負(fù)荷電流，工作線圈匝數(shù)（N3）取決于變壓器一次側(cè)線圈匝數(shù)（N1），移相線圈匝數(shù)（N2和N4）取決于整流所需移相角，因不參與系統(tǒng)負(fù)載電流，大大減小了漆包線繞線截面積和線圈體積，節(jié)約設(shè)備制造成本和便于生產(chǎn)制造，同時(shí)又一步減小了變壓器內(nèi)部損耗，提高了變壓器節(jié)能效果。移相線圈分部安裝在工作線圈的兩端，非常有利于工作線圈絕緣，減小整體線圈絕緣間距，有利于變壓器內(nèi)部各相線圈的組裝和減小整體安裝空間，實(shí)現(xiàn)節(jié)約設(shè)備制造成本和減小設(shè)備外觀體積設(shè)計(jì)目的。采用專用移相工作線圈，還可以減低各相繞組的空載損耗，有利于減低變壓器整體發(fā)熱溫度，滿足自然油冷需要。其缺點(diǎn)是同相繞組中間存在接頭，且移相繞組與工作繞組漆包線截面積不同，出線采用線圈中部出線，對(duì)變壓器出線方式及絕緣也有影響，對(duì)于變壓器的生產(chǎn)制造存在一定難度。

3.2.4 此型號(hào)移相變壓器各部份繞組匝數(shù)比

根據(jù)移相變壓器設(shè)計(jì)額定容量和額定電流，完全可以確定變壓器的高壓一次側(cè)線圈N1匝數(shù)；依據(jù)表2，可以進(jìn)一步推算出變壓器二次側(cè)工作線圈N3和移相線圈N2、N4的繞線匝數(shù)。例如，移相角-10°變壓器，它的高壓一次側(cè)線圈匝數(shù)N1為100，利用表2可以計(jì)算出工作線圈N3匝數(shù)為16，則移相線圈N2、N4的匝數(shù)為3。

表2 東芝CONVERTOR TRANSFORMER移相變壓器繞組匝數(shù)比

4 結(jié) 論

在大功率高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，多脈波整流回路中經(jīng)常采用移相變壓器進(jìn)行供電，各類型移相變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)各有不同。本文利用移相角度及向量圖分析計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)XL75型變頻器用CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制變壓器繞組結(jié)構(gòu)和工作設(shè)計(jì)原理分析，論述了移相變壓器六邊形向量結(jié)構(gòu)移相技術(shù)設(shè)計(jì)理論及繞組結(jié)構(gòu)。其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是將移相變壓器內(nèi)部每相的移相線圈與工作線圈分開(kāi)，在滿足使用負(fù)荷需要和不降低額定工作電流的情況，節(jié)約了制造成本，降低了變壓器本體損耗和制造體積。

［1］ （加拿大）Bin Wu著，衛(wèi)蘭民，譯.大功率變頻器及交流傳動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 李永東，肖 曦，高 躍.大容量多電平變換器原理·控制·應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.