中小型三相桥式整流变压器联结组别的选择与电磁参数的计算
2005-04-09 09:29:38
来源：《国际电子变压器》2005年4月刊
1.前言
在中小功率的电力电子电源及变流设备中，如何将交流网侧电压转换成所需要的小脉动直流电压，往往需通过整流变压器及功率整流元件来完成。
为了使整流后的直流电压脉动更小或波形更加平直，整流变压器的二次绕组往往做成多相。
整流变压器的电磁部分设计原则与常规变压器的设计方法是相同的。但整流变压器的工作状态与所连接的功率整流元件之间的换相时间有关，所以不同绕组的不同联结整流方案，其整流变压器的容量，绕组电流，电压及绕组联结的确定等，则分别有异于常规变压器。
2.整流变压器绕组联结组别的选择
三相桥式整流变压器一、二次绕组的联结组别有四种组合方案。图1、图2、图3、图4。
（1）图1的联结组别为“Y，y”。
该联结的特点是二次绕组中无偶次、三次及三的倍数次谐波，但存在基波和其他高次谐波，如5，7，11……等次谐波。
对一次绕组为Y联结的方案，该绕组的联结仅对基波及其他高次谐波电流形成自由通路，但对三次谐波及三的倍数次谐波电流却不能流通，这恰是该联结组的最大缺陷。
该缺陷的存在，势必造成激磁绕组漏磁通的增加（附加损耗的增大）而影响到变压器结构件、外壳及框架的发热，并可导致变压器局部温升过高等现象，甚至对近距离弱电控制系统及电子元器件产生不良影响和干扰。
尽管在“YN，y”结线组的绕组中（中性点接地）对三次谐波等其他高次谐波电流的通路有所改善，但在出现单相短路时，将产生稳态的工频过电压，这对变压器的绝缘系统及整流功率元件都将产生不利。
笔者曾在青岛保税区某砂轮厂处理过两台联结组为“Y，y”的10KV/500KVA的油浸三相桥式整流变压器，由于该联结组的绕组无法对三次谐波及三的倍数次谐波电流形成通路，其严重的高次谐波漏磁通与金属外壳构成回路，送电仅十几分钟，其外壳温度就持续上升到70℃以上，根本无法在负载条件下工作。
（2）图b.c.d所示变压器绕组的连接组分别为“D，y”、“Y，d”、“D，d”。
该三种变压器联结组除具有上述所涉及到的优点之外，其最大的特点就是D或d绕组的封闭联结为三次谐波及其他高次谐波电流分量提供了有效的通径，不存在因“Y，y”联结组时所带来的由三次谐波等高次谐波电流产生的激磁漏磁通和感应电动势的不良影响。
在常见的中小型三相桥式整流变压器中，应用广泛的联结组即为“D，Y”、“Y，d”、“D，d”。
3.变压器绕组电磁参数的确定
已知条件：直流电压Ud及直流电流Id
（1）三相整流变压器容量的确定
变压器一、二次绕组的容量及变压器的等值容量S均为：
1. 047UdId×10-3 KVA
（2）二次绕组交流相电压U2
0.4275Ud V
（3）二次绕组交流相电流I2
0.8165Id A
（4）二次绕组相电压与直流电压的换算
2.34U2
（5）一次绕组交流相电流I1
0.8165Id(U2/U1)
式中：U1一次绕组相电压。
值得提及的是（2）中所得出的相电压仅是理论上的视在计算值，在实际负载运行中由于电压降的存在，故该电压还应在视在计算值的基础上增加相桥臂上整流元件的压降，负载线路的损耗及连接压降，变压器本身的阻抗压降等。同时还要考虑到网侧电压的波动因素，为满足负载条件下额定直流电压的输出，可在变压器一次绕组中增加无激磁±5%的调压分接。
对增加后的二次相电压U2，可依据（4）核算成直流电压Ud进行直观比较。
上述的计算虽然简单，但其中的系数值均是依据整流变压器与整流功率元件之间的工作状态及矢量推导而得，故计算结果十分精确。
对变压器一、二次绕组的电流，还可进行更简化的计算，即直接采用变压器的等值容量和线/相电压按常规变压器的计算方法得出，其结果与（5）是一样的。
4.结束语
对整流变压器电磁性能的优劣，不仅仅局限在应用性能的计算，更合理的电磁性能将体现在联结组别的选择。
三相桥式整流方案的广泛应用，除其输出的直流波形较为平滑外，对整流功率元件的反压峰值亦小。且变压器一、二次绕组电流波形相同，磁电动势完全平衡，同时二次绕组中无直流电流通过。由于绕组的联结组别组合灵活，只要在一、二次绕组中有一组为D或d的联结，便可有效的消除三次谐波等高次谐波电流所引起的激磁不平衡现象。
当然三相桥式整流方式也存在桥臂绕组电流有效值大，在大电流的绕组制作中，往往要采用多绕组的并联或多根导线的并绕及导线换位而增加绕组的绕制工艺难度。
要引起重视的一点是三相桥式整流变压器的计算和结构容量都较小，所以其综合经济指标极高。
在中小功率的电力电子电源及变流设备中，如何将交流网侧电压转换成所需要的小脉动直流电压，往往需通过整流变压器及功率整流元件来完成。
为了使整流后的直流电压脉动更小或波形更加平直，整流变压器的二次绕组往往做成多相。
整流变压器的电磁部分设计原则与常规变压器的设计方法是相同的。但整流变压器的工作状态与所连接的功率整流元件之间的换相时间有关，所以不同绕组的不同联结整流方案，其整流变压器的容量，绕组电流，电压及绕组联结的确定等，则分别有异于常规变压器。
2.整流变压器绕组联结组别的选择
三相桥式整流变压器一、二次绕组的联结组别有四种组合方案。图1、图2、图3、图4。
（1）图1的联结组别为“Y，y”。
该联结的特点是二次绕组中无偶次、三次及三的倍数次谐波，但存在基波和其他高次谐波，如5，7，11……等次谐波。
对一次绕组为Y联结的方案，该绕组的联结仅对基波及其他高次谐波电流形成自由通路，但对三次谐波及三的倍数次谐波电流却不能流通，这恰是该联结组的最大缺陷。
该缺陷的存在，势必造成激磁绕组漏磁通的增加（附加损耗的增大）而影响到变压器结构件、外壳及框架的发热，并可导致变压器局部温升过高等现象，甚至对近距离弱电控制系统及电子元器件产生不良影响和干扰。
尽管在“YN，y”结线组的绕组中（中性点接地）对三次谐波等其他高次谐波电流的通路有所改善，但在出现单相短路时，将产生稳态的工频过电压，这对变压器的绝缘系统及整流功率元件都将产生不利。
笔者曾在青岛保税区某砂轮厂处理过两台联结组为“Y，y”的10KV/500KVA的油浸三相桥式整流变压器，由于该联结组的绕组无法对三次谐波及三的倍数次谐波电流形成通路，其严重的高次谐波漏磁通与金属外壳构成回路，送电仅十几分钟，其外壳温度就持续上升到70℃以上，根本无法在负载条件下工作。
（2）图b.c.d所示变压器绕组的连接组分别为“D，y”、“Y，d”、“D，d”。
该三种变压器联结组除具有上述所涉及到的优点之外，其最大的特点就是D或d绕组的封闭联结为三次谐波及其他高次谐波电流分量提供了有效的通径，不存在因“Y，y”联结组时所带来的由三次谐波等高次谐波电流产生的激磁漏磁通和感应电动势的不良影响。
在常见的中小型三相桥式整流变压器中，应用广泛的联结组即为“D，Y”、“Y，d”、“D，d”。
3.变压器绕组电磁参数的确定
已知条件：直流电压Ud及直流电流Id
（1）三相整流变压器容量的确定
变压器一、二次绕组的容量及变压器的等值容量S均为：
1. 047UdId×10-3 KVA
（2）二次绕组交流相电压U2
0.4275Ud V
（3）二次绕组交流相电流I2
0.8165Id A
（4）二次绕组相电压与直流电压的换算
2.34U2
（5）一次绕组交流相电流I1
0.8165Id(U2/U1)
式中：U1一次绕组相电压。
值得提及的是（2）中所得出的相电压仅是理论上的视在计算值，在实际负载运行中由于电压降的存在，故该电压还应在视在计算值的基础上增加相桥臂上整流元件的压降，负载线路的损耗及连接压降，变压器本身的阻抗压降等。同时还要考虑到网侧电压的波动因素，为满足负载条件下额定直流电压的输出，可在变压器一次绕组中增加无激磁±5%的调压分接。
对增加后的二次相电压U2，可依据（4）核算成直流电压Ud进行直观比较。
上述的计算虽然简单，但其中的系数值均是依据整流变压器与整流功率元件之间的工作状态及矢量推导而得，故计算结果十分精确。
对变压器一、二次绕组的电流，还可进行更简化的计算，即直接采用变压器的等值容量和线/相电压按常规变压器的计算方法得出，其结果与（5）是一样的。
4.结束语
对整流变压器电磁性能的优劣，不仅仅局限在应用性能的计算，更合理的电磁性能将体现在联结组别的选择。
三相桥式整流方案的广泛应用，除其输出的直流波形较为平滑外，对整流功率元件的反压峰值亦小。且变压器一、二次绕组电流波形相同，磁电动势完全平衡，同时二次绕组中无直流电流通过。由于绕组的联结组别组合灵活，只要在一、二次绕组中有一组为D或d的联结，便可有效的消除三次谐波等高次谐波电流所引起的激磁不平衡现象。
当然三相桥式整流方式也存在桥臂绕组电流有效值大，在大电流的绕组制作中，往往要采用多绕组的并联或多根导线的并绕及导线换位而增加绕组的绕制工艺难度。
要引起重视的一点是三相桥式整流变压器的计算和结构容量都较小，所以其综合经济指标极高。
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