利用移相技術(shù)解決“一變多控”的諧波問(wèn)題

田嘉琛

摘 要：“一變多控”供電方式是一種頗為實(shí)用的供電技術(shù)，它同時(shí)向多臺(tái)控制器供電，這大大減少多臺(tái)變壓器占用空間過(guò)多的難題。文章介紹了“一變多控”供電方式的技術(shù)背景、工作原理及應(yīng)用情況，以期解決“一變多控”的諧波問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：移相；一變多控；諧波

1 概述

“一變多控”供電方式是近年來(lái)為減少供電設(shè)備體積而興起的一種頗為實(shí)用的供電拖動(dòng)技術(shù)，即一臺(tái)變壓器同時(shí)向多臺(tái)控制器供電，這可大大減少多臺(tái)變壓器占用空間過(guò)多的難題，這種供電方式使用初期，由于所帶的控制器多為工頻直接控制或工頻軟啟動(dòng)控制，使用中未發(fā)現(xiàn)較突出的問(wèn)題，隨著管理精細(xì)化的發(fā)展，許多控制設(shè)備引用了變頻控制和開(kāi)關(guān)磁阻式轉(zhuǎn)子阻抗技術(shù)、IGBT和可控硅元件的大量應(yīng)用，即從初級(jí)線(xiàn)路產(chǎn)生，引發(fā)到次級(jí)線(xiàn)路的大量非正弦波成分使同一個(gè)線(xiàn)路區(qū)域諧波量大量增加，整流裝置的單相導(dǎo)電作用引起變壓器交變磁場(chǎng)波形的畸變，其后果是減少了系統(tǒng)用電設(shè)備的壽命。此外，用電器中的一些敏感設(shè)備不能正常使用，常見(jiàn)的有數(shù)字電視接收變形失真、利用交流載波傳輸信號(hào)的傳感器因?yàn)殡娎|中含有超量的諧波成分而無(wú)法工作等。

GB/T14549-93規(guī)定：10kV線(xiàn)路諧波成分含量小于5%，但“一變多控”應(yīng)用中，特別是使用了一臺(tái)或多臺(tái)變頻器控制的裝置系統(tǒng)，次級(jí)線(xiàn)路的3次、7次、11次諧波成分含量大于40%很常見(jiàn)，次級(jí)線(xiàn)路用電末端諧波成分含量大于10%也經(jīng)常測(cè)出。在有些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)中，因供電方式大，上述現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，因而多應(yīng)用“一變多控”供電方式。

2 工作原理

針對(duì)變壓器所供用電裝置多為非正弦波這一實(shí)際特征，將供電的變壓器定位于多繞組移相整流變壓器，移相整流變壓器抑制諧波的有效辦法是通過(guò)對(duì)整流變壓器次級(jí)線(xiàn)路進(jìn)行移相，這種辦法比較容易消除幅值較低的諧波含量。整流變壓器的移相角是與電網(wǎng)的相位角相對(duì)應(yīng)的，對(duì)于變壓器初級(jí)線(xiàn)路來(lái)說(shuō)，次級(jí)線(xiàn)路延邊三角型繞組整體上可以看做為一般感性負(fù)載，傳輸波形上，電流滯后電壓一個(gè)角度，電流經(jīng)過(guò)變壓器延邊三角型繞組后，會(huì)增加一個(gè)負(fù)角度，削弱波形上的缺陷移相。在這種方式中，初級(jí)繞組中勵(lì)磁電流的3次諧波不能流通，在鐵芯飽和的情況下磁通為平頂波，平頂波的磁通必然分解出3次諧波磁通，這些3次諧波磁通在變壓器次級(jí)線(xiàn)路三角形繞組里感應(yīng)出3次諧波電勢(shì)，3次諧波電勢(shì)將在閉合的三角形內(nèi)形成3次諧波環(huán)流，3次諧波環(huán)流又在鐵芯中產(chǎn)生3次諧波磁通來(lái)抵消初級(jí)線(xiàn)路勵(lì)磁電流產(chǎn)生的3次諧波磁通，這樣使鐵芯中的主磁通及其次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)基本上保持正弦波形，消除了3次諧波對(duì)變壓器的影響。

采用初級(jí)線(xiàn)路角接，次級(jí)線(xiàn)路由多個(gè)延邊三角型移相繞組并存于同一個(gè)三相鐵芯磁場(chǎng)內(nèi)，分別以不同延邊的三角形繞組建立電壓，就可使得第一繞組的電壓相位和第二繞組電壓相位成任意角度，也使第三繞組的電壓相位和第一繞組電壓相位和第二繞組的電壓相位都構(gòu)成任意角度，用這些若干延邊三角形來(lái)得到所需要的不同的移相角度，使各移相次級(jí)繞組的端線(xiàn)電壓相同，但相互都有一個(gè)相位移，以此來(lái)提高次級(jí)整流設(shè)備的脈波數(shù)，達(dá)到提高功率因數(shù)、減少網(wǎng)側(cè)諧波電流的目的。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)形式

三相油浸式電力整流變壓器，頻率為50Hz，為減少制造難度，采用傳統(tǒng)的高壓在內(nèi)、中壓和低壓在外，調(diào)節(jié)形式為網(wǎng)側(cè)調(diào)節(jié)，二次繞組側(cè)1140V，三個(gè)主延邊三角形移相繞組的移相角各為30°增減的電角度，同時(shí)將高壓側(cè)的每一項(xiàng)繞組分成幾個(gè)并聯(lián)的分繞組，并將它們沿變壓器的鐵芯軸向上、下均勻分開(kāi)，使初級(jí)和次級(jí)繞組磁勢(shì)分布相對(duì)均勻，以減少次級(jí)的繞組阻抗率，并采取水平布置結(jié)構(gòu)，更有利于鐵芯的應(yīng)力。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)確定

初級(jí)、次級(jí)電壓設(shè)計(jì)：初級(jí)按供電電壓10kV確定，次級(jí)分別按1.14kV、0.38kV設(shè)計(jì)。

總?cè)萘浚捍渭?jí)總負(fù)載為1600kVA，加上其它用電設(shè)施；調(diào)壓范圍為±2.5%；聯(lián)結(jié)方式為△/延邊△yu0；絕緣級(jí)別為B；噪聲≤6aB；溫升為80K（溫升計(jì)算要求應(yīng)注意考慮移相變壓器運(yùn)行中，5次33%、7次10%、11次7%、13次3%的諧波電流引起的雜損熱量）。

3.3 次級(jí)繞組中移相相位差的設(shè)計(jì)

延邊三角形聯(lián)結(jié)方式分為正序聯(lián)結(jié)和反序聯(lián)結(jié)，由于正序聯(lián)結(jié)時(shí)移相角是順時(shí)針?lè)绞?，稱(chēng)為負(fù)角度；反序聯(lián)結(jié)時(shí)純?nèi)切尉?°，可將正序聯(lián)結(jié)稱(chēng)-0°，反序聯(lián)結(jié)稱(chēng)+0°。

3.4 短路阻抗計(jì)算

初級(jí)短路阻抗：即在次級(jí)線(xiàn)圈全部短路時(shí)，從初級(jí)線(xiàn)路中讀到的阻抗電壓值的阻抗。初級(jí)線(xiàn)圈短路計(jì)算按同心式繞組計(jì)算，同心式繞組電抗U×（%）=24.8IWsaP/erhk×10-4。式中：IW-基準(zhǔn)電勢(shì)、sa-等值漏磁面積、P-洛氏系數(shù)、er每匝電壓、hk電抗高度；次級(jí)繞組斷路阻抗應(yīng)按交錯(cuò)式計(jì)算方法計(jì)算。

3.5 延邊三角型移相繞組和主繞組電壓、電流、匝數(shù)的計(jì)算

移相角繞組電壓Ug=U2×（Sinβ/120°），主繞組電壓SinU2=U2×[Sin（60°-β）-Sin2β（β）]/Sin120°=ZUSin（30°-β）。其中U2-變頻器所需電壓、β-所確定的移相角。

主繞組電流I2=ZY√3（A），初級(jí)繞組電流I1=P×103/3/U相（A），支路電流IY支=IY/N（A）；次級(jí)繞組電流IY=P×103/√3/U2（A），支路電流I2支=Z2/N（A）。其中P-變壓器容量、N-次級(jí)繞組副邊匝數(shù)，根據(jù)初級(jí)繞組電流和次級(jí)繞組電流，等分計(jì)算各移相角所對(duì)應(yīng)的電流。

移相繞組和主繞組匝數(shù)的計(jì)算WY=UY/e1，主繞組匝數(shù)的計(jì)算Wz=UZ/e。其中WY為移相繞組電壓、WZ主繞組電壓、e1為每匝電壓。根據(jù)移相繞組和主繞組匝數(shù)的計(jì)算方式，分別計(jì)算各移相角所對(duì)應(yīng)繞組匝數(shù)（由于計(jì)算出的鐵芯數(shù)據(jù)和每匝電壓只是理想數(shù)，實(shí)際制作過(guò)程要取以經(jīng)驗(yàn)整數(shù)）。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)以上要求定制了兩臺(tái)1600kVA五繞組電力整流變壓器，在實(shí)際負(fù)載60%的情況下幾次測(cè)得應(yīng)用數(shù)據(jù)，收到了較滿(mǎn)意效果：初級(jí)供電電壓10kV，其中的3次、5次、7次、9次、11次、13次諧波（%）分別為：0.5、2、0.75、0.5、1.5和1；次級(jí)電壓1.14kV，其中的3次、5次、7次、9次、11次、13次諧波（%）分別為：4.4、9、8.7、4、7、3；次級(jí)電壓0.38kV，其中的3次、5次、7次、9次、11次、13次諧波（%）分別為：3、11、9、2.5、7、4。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用移相技術(shù)解決“一變多控”供電方式的諧波問(wèn)題，不僅有效增加了用電設(shè)備的使用壽命，而且也為企業(yè)節(jié)省了大量的電費(fèi)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。