供應(yīng)中頻整流變壓器
西安市中頻整流變壓器廠家
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1．中頻變頻器
國內(nèi)鍛壓工廠當(dāng)前使用的感應(yīng)加熱設(shè)備中的電源裝置，絕大多數(shù)是以晶閘管為主要元件的靜止式變頻器，由于它工作在中頻頻段，故稱晶閘管中頻變頻器。
圖1 中頻變頻器主電路原理圖
這種中頻變頻器的主電路主要由四部分組成：
①三相全控橋式整流電路
它將正弦的工頻交流電壓U整流成脈動(dòng)的直流電壓Ud。調(diào)節(jié)直流電壓Ud就可調(diào)節(jié)負(fù)載電流。
②濾波電抗器
作為儲(chǔ)能電感，它把工頻網(wǎng)絡(luò)和中頻網(wǎng)絡(luò)隔開；對(duì)直流電流Id濾波；當(dāng)中頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路時(shí)，配合裝置的過電流保護(hù)系統(tǒng)來限制短路電流的上升速率及峰值。
③逆變器
由四只晶閘管組成的單相橋式逆變電路將直流電流Id逆變?yōu)橹蓄l電流Ia，并將它送入負(fù)載電路。
④負(fù)載電路
由感應(yīng)器和電熱電容器組成并聯(lián)諧振電路，對(duì)坯料進(jìn)行感應(yīng)加熱。由基波和諧波組成的方波中頻電流Ia進(jìn)入并聯(lián)諧振電路時(shí)，該諧振電路對(duì)基波電流呈現(xiàn)大的阻抗，對(duì)諧振電流呈現(xiàn)小的阻抗，因此，方波中頻電流在感應(yīng)器負(fù)載的電壓接近正弦波形。
我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8669-1997《中頻感應(yīng)加熱用半導(dǎo)體變頻裝置》規(guī)定了中頻變頻器的功率系列型譜（kW）：25、50、100、160、250、500、750、1000、1500、2000、2500、3000、4000、5000。我們確定中頻變頻器的額定功率值可依照這個(gè)型譜選擇。
中頻變頻器的交流進(jìn)線電壓，也就是整流變壓器閥側(cè)線電壓值可按國家標(biāo)準(zhǔn)GB156-2003《標(biāo)準(zhǔn)電壓》：三相四線或三相三線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓220/380V；380/660V；1000V來選擇。
2．中頻變頻器主電路參數(shù)的計(jì)算
以整流變壓器閥側(cè)線電壓660V、12脈波、雙整流器、額定功率2000kW、標(biāo)稱頻率200Hz、并聯(lián)諧振的變頻器為例介紹主電路參數(shù)計(jì)算。
①忽略逆變換相重疊角的變頻器輸出電壓（中頻電壓）Ua
Ua =πUd /(2cosφ)=π×810/(2cos30°) =1039V
其中：Ud ——直流電壓。
φ——晶閘管逆變觸發(fā)超前角。
表1 整流變壓器閥側(cè)線電壓與變頻器直流電壓關(guān)系表*
| 整流變壓器閥側(cè)線電壓U（V） | 變頻器直流電壓Ud（V） |
| 380660 | 490810 |
* 本表中直流電壓Ud非計(jì)算結(jié)果,而是在變頻器輸出額定功率條件下整流變壓器阻抗壓降為6.5%時(shí)仿真所得。
表2 國產(chǎn)晶閘管逆變觸發(fā)超前角參考值
| 頻率（Hz） | 200 | 400 | 1000 | 2000 | 4000 | 10000 |
| φ | 30° | 32° | 36° | 38° | 42° | 46° |
②直流電流Id和Idq
Id=Pa / Ud = 2000×103/810=2469A
Pa ——變頻器額定功率
如果是整流變壓器為12脈波輸出，每組整流橋的輸出直流電流Idq：
Idq = Id ×0.6=2469 ×0.6 =1481 A
直流電流Id乘以0.6是考慮兩個(gè)整流橋有60%和40%的不均衡。
③整流晶閘管（KP）電流半波平均值IthIth=1481/×2/π=544 A
④整流晶閘管（KP）的選擇[注1]
選取KP-1000A/2.5kV，則：IthI=1000A
電流裕度系數(shù)KI =IthI/Ith=1000/544=1.84
電壓裕度系數(shù)KU = 2500/(600××1.1)=2.68
整流晶閘管實(shí)際承受的電壓峰值的1.1倍（因整流變壓器閥側(cè)電壓可能有±10%的波動(dòng)）。
⑤逆變晶閘管（KK）電流半波平均值Ith
Ith=×=2469×2/(π)=1111A
⑥逆變晶閘管的選擇[注2]
選取KK-2000A/2800V
電流裕度系數(shù)KI = 2000/1111=1.80
電壓裕度系數(shù)KU = 2800/(×1039)=1.91
⑦每一組整流橋的直流濾波電感值Ld
[ 注1 ] 電流裕度系數(shù)KI、電壓裕度系數(shù)KU按經(jīng)驗(yàn)值一般在1.5～2.0之間選取。
[ 注2 ] 目前國產(chǎn)快速晶閘管2800V耐壓條件下，電流可達(dá)3500A，如要求更高耐壓的情況下，可將兩只KK管串聯(lián)連接。串聯(lián)晶閘管應(yīng)由晶閘管生產(chǎn)廠按均壓要求選配，并在工廠組裝為一體。
Ld=3U/[ 4 π f（IM-1.1Idq）]
=3×660/[4π×50（1000π-1.1×1481）] ≈2.95mH≈3mH
IM=IthI×π=1000×π=3141.6A
式中設(shè)過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)，限制直流電流峰值IM=3141.6A，按上述選擇1000A整流晶閘管和2000A逆變晶閘管的過電流能力計(jì)算，則直流電流峰值應(yīng)達(dá)到：
1000π×2=6283A
2000π=6283A
因此，按IM=3141.6A計(jì)算確定Id=3mH對(duì)整流和逆變晶閘管都是安全的。
⑧整流變壓器漏感
整流變壓器閥側(cè)每相容量2500/6=416.7kVA
整流變壓器閥側(cè)相電壓660V/=381 V
整流變壓器閥側(cè)額定相電流416.7×103/381=1094A
整流變壓器短路電壓381×6.5%=24.765V
整流變壓器短路阻抗24.765/1094=0.0226Ω
整流變壓器每相漏感(忽略變壓器繞組電阻) 0.0226/（2π×50）=72μH
⑨整流晶閘管實(shí)際承受的di/dt
di/dt =660×sin60°/(2×72)=5.6A/μS
而整流晶閘管能夠承受的di/dt=100A/μS，這證明整流變壓器的漏感足以將晶閘管的di/dt限制到十分安全的程度。所以，有些變頻器線路中不設(shè)置660V側(cè)的限流電感，也是有道理的
⑩逆變晶閘管實(shí)際承受的di/dt
di/dt=×Ua×sin30°/(2Lk) = ×1039×sin30°/(2×5)=73.5A/μS
表3 國產(chǎn)逆變晶閘管di/dt限制電感參考值
| 頻率(Hz) | 200 | 400 | 1000 | 2000 | 4000 | 10000 |
| 限制電感LK(μH) | 5 | 4 | 3 | 2.5 | 2 | 1.5 |
所選逆變晶閘管di/dt=200A/μS
二、整流變壓器的選擇
1、整流變壓器與電力變壓器的區(qū)別
為整流裝置供電用的變壓器，稱之為整流變壓器。整流變壓器與電力變壓器雖然工作原理相同（法拉弟電磁感應(yīng)定律）、結(jié)構(gòu)類似（繞在共同鐵心上的兩個(gè)或兩上以上繞組組成）、外觀相近（都是一種靜止的電器設(shè)備）。但兩者還是存在很大的區(qū)別：
①電力變壓器一個(gè)周期內(nèi)只有三個(gè)正弦脈波。整流變壓器一個(gè)周期內(nèi)的脈波數(shù)（即等效相數(shù)）可達(dá)6或12個(gè)。
②電力變壓器高低壓通常與電網(wǎng)電壓等級(jí)相匹配，而整流變壓器只是網(wǎng)側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓等級(jí)相匹配而閥側(cè)電壓可根據(jù)負(fù)載要求、整流方式而定。
③整流變壓器需進(jìn)行換向阻抗計(jì)算。
④整流變壓器由于諧波引起的附加損耗不能忽視。因此，同樣功率等級(jí)條件下的整流變壓器在制造時(shí)，用銅量及硅鋼片用量要高得多。
由此可見，鍛壓工廠給晶閘管中頻變頻器供電的變壓器用電力變壓器替代是不合適的。只要是帶晶閘管中頻變頻器這樣的負(fù)載，都必須使用整流變壓器。
2、整流變壓器容量的確定：
整流變壓器的容量S與晶閘管中頻變頻器輸出的額定功率P的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：
Ｓ=≈1.25P （kVA）
其中K為整流變壓器的效率、整流變壓器負(fù)載的功率因數(shù)、保險(xiǎn)系數(shù)的乘積，取0.85
η1：晶閘管中頻變頻器整流器的效率，取0.97。
η2：晶閘管中頻變頻器逆變器的效率，取0.97。
例如：晶閘管中頻變頻器的額定功率為2000kW，代入上式，整流變壓器的額定容量為2500kVA。
整流變壓器額定容量的系列型譜：GB1094.1-1996規(guī)定的額定值應(yīng)優(yōu)先從GB321中R10序列（……100、125、160、200、250、315、400、600、630、800、1000……）中選取。
3、整流變壓器聯(lián)接組別
① 6脈波整流變壓器聯(lián)接組別有兩種形式：
一種：D，d0
另一種：D，Yn11
② 12脈波整流變壓器聯(lián)接組別也有兩種形式：
一種形式是以上兩種不同聯(lián)接組別的6脈波整流變壓器并聯(lián)運(yùn)行獲得等效的12脈波整流變壓器。
另一種形式，是一種“三繞組”的12脈波整流變壓器，其聯(lián)接組別：
D，do-yn11
2臺(tái)6脈波整流變壓器并聯(lián)運(yùn)行組成等效12脈波的優(yōu)點(diǎn)是可以確保D，d0和D，yn11兩種電壓的變比非常接近，其電壓誤差精度可達(dá)±0.2%。采用后一種形式（單臺(tái)三繞組的12脈波模式）由于“yn接”與“d接”匝數(shù)須相差倍，且為整數(shù)匝，因此必須采用固定的匝數(shù)比，如3/5、4/7、7/12、8/14、11/19、15/26、18/31、19/33、22/38、23/40、26/45等。當(dāng)采用這些固定的匝數(shù)比后，其誤差精度可達(dá)±1%。整流變壓器容量越小，匝數(shù)越多，其變比誤差也越小，的情況也可達(dá)到±2%以內(nèi)。因此，鍛壓工廠在選定整流變壓器時(shí)，除非變壓器容量特別大和變頻器對(duì)電壓誤差精度要求特別高，絕大多數(shù)情況都應(yīng)采取單臺(tái)12脈波的形式，因?yàn)橄鄬?duì)于種形式，畢竟它占地少、用材省、損耗低、效率高，且技術(shù)成熟。
③ 24脈波整流變壓器的連接組別
24脈波的整流變壓器由2臺(tái)12脈波整流變壓器組成。兩臺(tái)的連接方式都是：D，yn11-d0，其中一臺(tái)高壓移相+7.5°，另一臺(tái)高壓移相-7.5°。
4、整流變壓器的阻抗電壓K.
鍛壓工廠常用的幾種整流變壓器的阻抗電壓，可參照下表選擇。
表4 常用的整流變壓器阻抗電壓選擇表
| 容量(kVA） | 630 | 1000 | 1600 | 2500 | 4000 | 6300 | 10000 |
| 阻抗電壓(%) | 6 | 6 | 6.5 | 6.5 | 7 | 7.5 | 7.5～8 |
三、諧波源及其危害
向公用電網(wǎng)注入諧波電流的非線性電氣設(shè)備稱之為諧波源。鍛壓工廠使用的感應(yīng)加熱設(shè)備，就是多個(gè)諧波源的集合。
①晶閘管型中頻變頻器中的三相全控橋式整流器和逆變器都是諧波源。其中，由整流器產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響是最主要的。
②電力電容器本身并非諧波源，但電容器組合閘時(shí)，涌流注入電網(wǎng)會(huì)成為暫態(tài)性諧波源，特別是當(dāng)電容器支路調(diào)諧不當(dāng)時(shí)，會(huì)引起有害的諧波諧振及諧波放大現(xiàn)象。
③整流變壓器參數(shù)選擇不當(dāng)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造工藝不良，鐵心材料質(zhì)量差，也會(huì)產(chǎn)生較大的諧波并向電網(wǎng)注入大量諧波，成為諧波源。
所有諧波源中，晶閘管中頻變頻器中的整流器產(chǎn)生的諧波電流是主要的諧波源。
這些諧波電流注入供電系統(tǒng)，在供電線路上產(chǎn)生電壓降，諧波電壓與基波電壓迭加，致使公共連接點(diǎn)（用戶接入公用電網(wǎng)的連接處）電壓波形畸變。另外，晶閘管型中頻變頻器的晶閘管換相時(shí)，在電網(wǎng)正弦電壓波上產(chǎn)生缺口，也加重了電壓波形畸變。
諧波對(duì)電網(wǎng)造成的危害是多方面的：
①對(duì)電氣設(shè)備的影響
當(dāng)諧波數(shù)h=3k-1次時(shí)，諧波電壓分量為逆序分量（2、5、8……），產(chǎn)生逆序磁通，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩，引起發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加損耗和附加溫升，轉(zhuǎn)子尤為嚴(yán)重，而影響發(fā)電機(jī)輸出，導(dǎo)至電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩下降。變壓器的激磁電流額外加大。功率損耗增加影響儀表的準(zhǔn)確度。（有關(guān)資料介紹：電壓畸變率超過10%會(huì)導(dǎo)致電子開關(guān)產(chǎn)生誤動(dòng)作，超過5%會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)紊亂。）
②對(duì)電力電容器造成的損害。
諧波增加電容器介質(zhì)的局部放電和熱老化，使其損耗增加，從而使電容器因溫升而導(dǎo)致?lián)p壞。有時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波放大，使電容器損壞加快。還會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)。
③對(duì)自控系統(tǒng)和繼電保護(hù)造成不良影響
④對(duì)輸配電線路造成不良影響。
四、諧波影響的抑制措施：
1、增加短路比。
短路比是指電網(wǎng)短路容量與變頻器額定功率的比值。如未采取諧波抑制措施，為保證電能質(zhì)量，必須對(duì)變頻器額定功率加以限制，即增加短路比。
圖2 整流裝置的功率與電網(wǎng)短路容量及整流相數(shù)的關(guān)系
英國電力部門所推薦的整流裝置與電網(wǎng)短路容量及整流相數(shù)的關(guān)系（參見圖2），可供我們借鑒。
2、分別提高整流變壓器的網(wǎng)側(cè)及閥側(cè)電壓等級(jí)，加強(qiáng)系統(tǒng)承受諧波的能力。
3、利用整流變壓器的相位移和提高整流相數(shù)抑制諧波
在一般情況下，整流器這類諧波源的電流含有的特征諧波次數(shù)h與整流相數(shù)在理論上有以下關(guān)系：
h=kP±1
P ——整流器相數(shù)，P=3、6、12、24……
k ——任意正整數(shù)，K=1、2、3、4……
P=3時(shí)，
h=2、4、5、7、8、10、11、13、14、16、17、19、20、22、23、25……
P=6時(shí)，
h=5、7、11、13、17、19、23、25、29、31……
P=12時(shí)，
h=11、13、23、25、35、37……
P=24時(shí)，
h=23、25、47、49……
由此可見，增加整流相數(shù)這一措施對(duì)減少諧波電流是十分有效的。而增加整流相數(shù)，就是通過改變整流變壓器的結(jié)線方式和改變移相繞組的組合來實(shí)現(xiàn)的。
陜西科奧機(jī)電設(shè)備有限公司
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聯(lián)系人：彭經(jīng)理
固話：18220188691
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