XL75型變頻器用移相變壓器的結構原理分析

李佳富

（中石油西部管道分公司生產技術服務中心，新疆烏魯木齊830011）

1 概 述

目前長輸管線壓縮機組采用大量電力驅動方式，現場出現多型號、多廠家生產的大功率變頻器驅動調速系統，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冷和油浸循環冷卻變壓器。各生產廠家的變壓器一二次側繞組連接方式、線圈匝數比以及諧波電流消除的實現原理也不一致。

采用功率單元串聯式多電平技術的高壓變頻器的最大優勢之一就是采用了移相變壓器，實現輸入多重化，使其輸入諧波減小。移相變壓器具有三個功能：①實現一次側、二次側線電壓的相位偏移，以消除諧波；②變換得到需要的二次側電壓值；③實現整流器與電網間的電氣隔離。

2 移相變壓器線圈通用設計原理及結構簡介

根據繞組的不同連接方式，國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繞組分為順向延邊和反向延邊，二次側線電壓的相位可以超前或者滯后其一次側繞組線電壓一個角度α。移相變壓器一次側有兩種結構，即星形（Y）與三角形（△）兩種接法，每相匝數為N1；二次側每相繞組由兩部分線圈組成，其匝數分別為N2和N3。N2線圈采用三角聯接方式，再與N3串聯。這種繞組接法稱為延邊三角形聯接，接法方式表示為Y／和Y／或△／和△／。變壓器一次側繞組為星形接線的，二次側線電壓其移相角度α的變化范圍為-30°～30°之間，變壓器一次側繞組為三角形接線的，二次側線電壓其移相角度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用較普遍，但變壓器制造成本較高，且設備體積較大，變壓器損耗較大，發熱嚴重，現場多采用強冷型干式變壓器。

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構

日本東芝公司生產的CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制變壓器，主要用來配合TMEIC公司XL75型變頻器的36脈沖多重整流器和消除供電網側諧波來進行設計制造的。移相控制變壓器內部繞組由三個三繞組變壓器并列接線構成，三個一次繞組并列接到10 k V高壓進線側，可以進行無載調壓，變壓器每一個一次繞組對應兩個二次繞組。變壓器二次側共有6組輸出電壓，對應輸出電壓移相角度為0°、-30°、-20°、20°、-10°、10°（見表1），其在變頻驅動系統的接線方式見圖2。變壓器內部一次側繞組星形接線，每相繞組匝數為N1。變壓器二次側繞組接線方式，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，其繞組匝數分別為N2、N3和N4，且N2和N1匝數相同，移相線圈從整組線圈兩端進行同相位抽頭，形成六邊形向量結構，向量結構形式見圖3。

圖2 變頻器一次供電系統圖

圖3 CONVERTOR TRANSFORMER移相變壓器向量結構圖

XL75型變頻器采用36脈波二極管整流器，主要目的是降低網側電流的諧波畸變，降低直流電壓輸出波紋系數，提高系統功率因數，其主要技術方式就在于所采用的移相變壓器。通過它可使6重化36脈波整流器產生的諧波相互抵消，諧波消除可以達到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構分析

3.2.1 移相變壓器相關電氣技術參數

根據上述變壓器一次側繞組星形接線結構，變壓器6組二次側輸出電源移相角度必然在-120°～120°之間選擇，因此出現表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

對于變壓器二次側輸出移相角度為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現，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不再詳細分析。以下將對特有的其他四組二次側繞組電壓輸出移相接線方式及原理進行分析。

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，每相匝數為N1；二次側每相繞組由三部分線圈組成，其匝數分別為N2、N3和N4，且N2和N4匝數相同，三組線圈串聯在一起組成變壓器二次側繞組。二次側三相整組線圈（N2、N3、N4串聯后）采用三角形聯接方式，同時變壓器三相繞組中的N3線圈首尾端又進行三角形聯接，其線圈首端作為此組變壓器二次側輸出端。

圖4 移相變壓器接線圖

圖5 －20°和－10°移相變壓器一二次側相量圖

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

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

以一次側線電壓∠ˉU1u1v為參考電壓，規定∠ˉU2u2v超前∠ˉU1u1v的移相角α為正。為計算變壓器的匝數比，設向量∠ˉU2u＇2v＇的值為Uq；同時在三相對稱供電系統中，根據圖3所示的變壓器向量結構圖，且變壓器二次側各相線圈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系，如式（2）所示

因為變壓器二次側移相線圈N2和N4匝數相等，從而得到移相變壓器各相二次側線圈的匝數比和繞組系數k

當給定了移相角度α后，即可確定N3和2N2＋N3的比例。

根據式（4），可推導得到

由式（4）和（5）可推導出變壓器匝數比n

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

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部相序調整，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向量圖

3.2.3 此類型移相變壓器繞組結構優缺點

從上述分析可知移相變壓器二次側輸出電壓線圈匝數N3與一次側輸入輸出電壓U1u1v和一次側線圈匝數N1有關，有力地說明移相變壓器二次側工作線圈與移相線圈分開運行，內部工作電流也不同。移相線圈工作電流很小，變壓器的二次側工作線圈為整流器提供負荷電流，工作線圈匝數（N3）取決于變壓器一次側線圈匝數（N1），移相線圈匝數（N2和N4）取決于整流所需移相角，因不參與系統負載電流，大大減小了漆包線繞線截面積和線圈體積，節約設備制造成本和便于生產制造，同時又一步減小了變壓器內部損耗，提高了變壓器節能效果。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，有利于變壓器內部各相線圈的組裝和減小整體安裝空間，實現節約設備制造成本和減小設備外觀體積設計目的。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熱溫度，滿足自然油冷需要。其缺點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，對變壓器出線方式及絕緣也有影響，對于變壓器的生產制造存在一定難度。

3.2.4 此型號移相變壓器各部份繞組匝數比

根據移相變壓器設計額定容量和額定電流，完全可以確定變壓器的高壓一次側線圈N1匝數；依據表2，可以進一步推算出變壓器二次側工作線圈N3和移相線圈N2、N4的繞線匝數。例如，移相角-10°變壓器，它的高壓一次側線圈匝數N1為100，利用表2可以計算出工作線圈N3匝數為16，則移相線圈N2、N4的匝數為3。

表2 東芝CONVERTOR TRANSFORMER移相變壓器繞組匝數比

4 結 論

在大功率高壓變頻調速系統中，多脈波整流回路中經常采用移相變壓器進行供電，各類型移相變壓器內部結構各有不同。本文利用移相角度及向量圖分析計算方法，通過對XL75型變頻器用CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制變壓器繞組結構和工作設計原理分析，論述了移相變壓器六邊形向量結構移相技術設計理論及繞組結構。其技術優點是將移相變壓器內部每相的移相線圈與工作線圈分開，在滿足使用負荷需要和不降低額定工作電流的情況，節約了制造成本，降低了變壓器本體損耗和制造體積。

［1］ （加拿大）Bin Wu著，衛蘭民，譯.大功率變頻器及交流傳動［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］ 李永東，肖 曦，高 躍.大容量多電平變換器原理·控制·應用［M］.北京：科學出版社，2005.