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整流变压器的参数计算
晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的,因此其工作频率为工频初级电压即
为交流电网电压.经过变压器的耦合,晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压,是晶闸
管在较大的功率因数下运行.变流主电路和电网之间用变压器隔离,还可以抑制由变流器进
入电网的谐波成分,减小电网污染.在变流电路所需的电压与电网电压相差不多时,有时会
采用自耦变压器;当变流电路所需的电压与电网电压一致时,也可以不经变压器而直接与电
网连接,不过要在输入端串联"进线电抗器"以减少对电网的污染.
变压器的参数计算之前,应该确定负载要求的直流电压和电流,确定变流设备的主电路
接线形式和电网电压.先选择其次级电压有效值U2,U2数值的选择不可过高和过低,如果
U2过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大,使功率因数变
小;如果U2过低又会在运行中出现当α=αmin时仍然得不到负载要求的直流电压的现象.通
常次级电压,初级和次级电流根据设备的容量,主接线结构和工作方式来定.由于有些主接
线形式次级电流中含有直流成分,有的又不存在,所以变压器容量(视在功率)的计算要根
据具体情况来定.
5.5.1 变压器次级相电压U2的计算
整流器主电路有多种接线形式,在理想情况下,输出直流电压Ud与变压器次级相电压
U2有以下关系
BUVdKUKU2= (5.39)
其中KUV为与主电路接线形式有关的常数;KB为以控制角为变量的函数,设整流器在控
制角α=0和控制角不为0时的输出电压平均值分别为Ud0和Udα,则KUV= Ud0/ U2,KB=Ud
α/Ud0.
在实际运行中,整流器输出的平均电压还受其它因素的影响,主要为:
(1)电网电压的波动.一般的电力系统,电网电压的波动允许范围在+5%~-10%,令
ε为电压波动系数,则ε在0.9~1.05之间变化,这是选择U2的依据之一.考虑电网电压最
低的情况,设计中通常取ε=0.9~0.95.
(2)整流元件(晶闸管)的正向压降.在前面对整流电路的分析中,没有考虑整流元
件的正向压降对输出电压的影响,实际上整流元件要降掉一部分输出电压,设其为UT.由
于整流元件与负载是串联的,所以导通回路中串联元件越多,降掉的电压也就越多.令整个
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回路元件串联个数为nS,如半波电路nS=1;桥式电路nS=2.如果桥臂上有元件串联,nS也
做相应的变动.这样由于整流元件降掉的电压为nSUT.
(3)直流回路的杂散电阻.滞留回路中,接线端子,引线,熔断器,电抗器等都具有
电阻,统称杂散电阻.设备工作时会产生附加电压降,记为∑U,在额定工作条件下,一般
∑U占额定电压的0.2%~0.25%.
(4)换相重叠角引起的电压损失.由前面对整流电路的分析可知,换相重叠角引起的电压
降ΔUd由交流回路的电抗引起,可由整流变压器漏抗XS表示.由前面的分析可知,变压器
漏抗主要与变压器的短路电压百分比uk%,有关.不同容量的变压器其短路电压百分比也不
一样,通常为:容量小于100KVA的变压器uk%取5;容量在100~1000KVA范围时,uk%在
5~7之间选取;容量大于1000KVA,uk%的取值范围为7~10.
ΔUd可由以下公式计算,对于n相半波电路,
nU
un
KUk
gd2100
%
2π
= (5.40)
对n相桥式电路
2100
%
2
n
U
un
KUk
gdπ
= (5.41)
单相桥式整流与单相双半波整流电路相同,取n=2.
(5)整流变压器电阻的影响.交流电压损失受负载系数的影响,假定功率因数为1,则
交流电压的损失(可认为由变压器引起的交流电压降)ΔUa为
2
2
U
S
p
KUcu
ga=
由其引起的整流输出电压的压降为
B
cu
gUVadKU
S
p
KKU2
2
= (5.42)
考虑上述所有因素,整流电路的直流输出电压应为
addTSBUVdUUUUnKUKU -∑- --=2minε (5.43)
将有关各量代入并整理后可得次级相电压有效值的计算公式为
2
min
2
100
%
S
p
KKK
u
KKKK
UUnU
U
cu
BgUV
k
XgBUV
TSd
-
∑++
=
ε
(5.44)
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表5-2 整流变压器计算系数
电路形式 KX KUV Kfb KI2 KI1 KTL KB
单相双半波 0.450 0.9 0.45 0.707 1 1 cosα
单相半控桥 0.637 0.9 0.45 1 1 1 0.5(1+ cosα)
单相全控桥 0.637 0.9 0.45 1 1 1 cosα
三相半波 0.827 1.17 0.386 0.577 0.471 1.732 cosα
三相半控桥 1.170 2.34 0.386 0.816 0.816 1.22 0.5(1+cosα)
三相全控桥 1.170 2.34 0.386 0.816 0.816 1.22 cosα
式(5.44)中的KX叫做换相电压降系数,对换相压降有影响,它与电路的接线形式有关,
当电路为n相半波整流时
n
n
KXπ2
=
当为n相桥式整流时,
2
nn
KXπ
=
2. 变压器次级相电流有效值I2的计算
一般的工业生产用晶闸管设备的负载都为电感性的,负载电流基本上是直流,因而晶闸
管电流为方波.变压器的各相绕组与一个(半波)或两个(桥式)晶闸管连接,所以变压器
次级电流也为方波,其有效值I2与负载电流Id成正比关系,比例系数决定于电路的接线形
式,所以
dIIKI22= (5.45)
如果负载为电阻性,则负载电流,晶闸管电流和变压器次级电流都不是方波,不能采用
上式计算,要通过电路分析求取电流的方均根值.如果是电动机负载,式(5.45)中的Id
应取电动机的额定电流而不是堵转电流,因为堵转电流仅出现在启动后的很短的一段时间,
这段时间变压器过载运行是允许的.
3. 变压器次级相电流有效值I1的计算
整流变压器的初,次级电流都是非正弦波,对于不同的主电路接线形式两者的关系是不一样
的.主电路为桥式接线时变压器次级绕组电流中没有直流分量,初,次级电流的波形相同,
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其有效值之比就是变压器的变比Kn.在半波电路中,变压器的次级电流是单方向的,包含
着直流分量Id2和交流分量Ia2,i2= id2+ ia2,而直流成分是不能影响初级电流i1的.i1仅与ia2
有关,i1= ia2/Kn.现以三相半波电路为例说明初级电流的计算方法.设负载为电感性,电感
量足以消除负载电流的波动,i2的波形如图5-11所示.次级电流的有效值为3/2dII=,
次级电流中的直流成分为3/2ddII=,根据电路理论,次级电流中的交流成分有效值为
ddaIIII
3
22
2
2
22=-=
初级电流与次级交流电流之间成正比关系,为
d
nn
aI
KK
I
I
3
212
1= (5.46)
当变比为1时,I1与Ia2之间的关系称为网侧电流变换系数KI1,I1可表示为
d
n
II
K
K
I1
1= (5.47)
t
t
i1
i2
图5-11 三相半波电路变压器的电流
3. 变压器容量的计算
变压器的容量即变压器的视在功率,对于绕组电流中含有直流成分的变压器,由于初,
次级的电流有效值之比不是变压器的变比,而两侧的电压之比却为变比,所以初级和次级的
容量是不同的.设变压器初级容量为S1,次级容量为S2;初级和次级的相数分别为n1和n2,
初,次级容量的计算公式分别为
1111IUnS= (5.48)
2222IUnS= (5.49)
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变压器的等效容量为初,次级容量的平均值,为
2
21SS
S
+
= (5.50)