轴向双分裂12脉波整流变压器在盾构上的应用_龚文忠

第48卷第10期2011年10月

TRANSFORMER

Vol.48October No.102011

轴向双分裂12脉波整流变压器

在盾构上的应用

龚文忠

（中国铁建重工集团有限公司，湖南长沙410100）

摘要：介绍了轴向双分裂12脉波整流变压器的基本原理，并给出了现场应用的实际数据。关键词：整流变压器；盾构；12脉波；谐波中图分类号：TM422

文献标识码：B

文章编号：1001－8425（2011）10－0015－03

Application of 12-Pulse Rectifier Transformer with Axial

Double-Split Structure to Shield

GONG Wen -zhong

（China Railway Construction Heavy Industry Co.,Ltd., Changsha 410100, China ）

Abstract ：The principle of 12-pulse rectifier transformer with axial double-split structure is in -troduced. The data in application is presented.

Key words ：Rectifier transformer ；Shield ；12-pulse ；Harmonic wave

1引言

盾构的刀盘驱动系统采用变频器调速，而变频器是大的谐波源，为了抑制谐波，可以在变频器前加输入电抗器，也可以采用12脉波整流变压器供电。输入电抗器可以有效抑制变压器阀侧的谐波，从而降低网侧谐波含量。但是，由于输入电抗器发热严重，接线复杂，并且价格昂贵，因此其性价比不高。

轴向双分裂12脉波整流变压器只能消除变压器网侧谐波，并不能抑制阀侧谐波，但是，由于变压器集成了供电与谐波抑制功能，为了降低谐波而需要的空间相对较小，并且接线方便，因此，在对空间要求非常严格的盾构上使用整流变压器越来越成为一种趋势。

图1

A B C

M 3~

12脉波轴向双分裂整流变压器原理图

Fig.1Diagram of 12-pulse rectifier transformer with

axial double-split

structure

整流变压器阀侧两绕组分别接两台变频器，每台变频器带一台电机，为了有效地消除网侧的5次、7次谐波，变压器的阀侧两个绕组匝数必须满足1∶姨的关系、漏抗值必须相等且整流桥负载必须相等，这样，有以下关系式成立：

变压器网侧相电流为：

2轴向双分裂12脉波整流变压器的基本原理

图1是盾构用轴向双分裂12脉波整流变压器的原理图。

轴向分裂变压器阀侧由两个绕组构成，联结组别为Dy11d0，两绕组间相差30°，每个阀侧绕组均为

i A 准=2I *(sinωt +1sin11ωt +1sin13ωt +

π1113sin23ωt +sin25ωt +…) （1）2325

变压器网侧线电流为：

6脉波整流回路，在网侧合成为12脉波。

i A =2I *[sin(ωt -30°)+1sin(11ωt -30°)+π11

1sin(13ωt -30°)+1sin(23ωt -30°)+1sin(25ωt -30°)+…]（2）一般来说，变压器阀侧两个绕组的匝比不可能严格做到1∶姨，其漏抗值也不可能相等，以及变压器阀侧的整流桥负载不可能完全一致。经分析表明，只要满足以下条件，即可近似按式（1）、式（2）计算变压器网侧谐波电流：

1-N y （d

姨≤0.15%3）2X *-X *≤2.0%

（4）

F 1-N X *=姨Ⅲ*-X Ⅱ0.13

（5）

ΔI d *≤5%

（6）式中

N y ———

阀侧Y 绕组匝数N d ———

阀侧△绕组匝数X Ⅱ*———

阀侧Y 绕组半穿越阻抗标么值X Ⅲ*———

阀侧△绕组半穿越阻抗标么值X F

*———

变压器分裂阻抗，X F *=X Ⅱ*+X Ⅲ*ΔI d *———

上下两个整流桥直流负载差值的标么值

式（3）对变压器的阀侧绕组匝比进行了约束，式（4）、式（5）对变压器的漏抗值进行了约束，式（6）对整流桥直流负载偏差进行了约束，在这种条件下，变压器网侧总的谐波含量表达式为：

i A 准γ=Σ1sin γωt =

ΔI d *(1sin5ωt +1sin7ωt +1sin17ωt +1sin19ωt +…) （7）

式中

γ=6×(2k -1) ±1，（k =1，2，3…）

额定负载下（I d *=1），假设整流桥负载不平衡电流为最大ΔI d *=5%，X F *=0.2，根据式（1）、式（3）~

式（7），可以算出5次谐波幅值为：

×i A 准5=π5=0.05×1=0.005（8）A 准1π

可见，在满足式（3）~式（7）条件下，5次谐波幅

值极小，几乎可以忽略不计。

3盾构用轴向双分裂12脉波整流变压器

由上述分析可见，只要将变压器的匝比、漏抗值

第48

卷

误差控制在一定范围，并且阀侧绕组整流桥负载偏差小于一定的值，则可以获得比较理想的非特征谐波抑制效果。

盾构的刀盘驱动系统采用多电机拖动，一台电机由一个变频器供电，电机均工作于速度同步、力矩均衡的状态，因此，保证了整流桥负载I d 的偏差很小；如果在变压器加工时保证其匝比不超出式（3）的范围，其漏抗值误差满足式（4）、式（5）的条件，就可以近似按式（1）、式（2）来分析变压器网侧的谐波电流。实际上，变压器要做到匝比一致、漏抗一致很困难，但是满足式（3）~式（6）条件很容易。

盾构上采用12脉波轴向分裂变压器，可带来以下方便：

（1）节省设备布置空间。

（2）省略变频器前端的进线电抗器，不仅可以进一步节省空间，也降低了由于电抗器滤波而造成的损耗，具有很好的节能效果。

（3）进线电抗器的损耗会发热，从而带来电器柜内的温度升高，因此，必须考虑散热，但是，用整流变压器给变频器供电，则可以省去必要的散热设备。

412脉波整流变压器谐波实测数据

（1）实测数据见表1。

（2）谐波电流国家标准如表2所示。

比对实测谐波数据与国家标准，可以得出以下结论。轴向双分裂12脉波整流变压器应用于盾构供电时，其谐波电流含量是满足国家标准的；实测数据中的谐波电流，部分为特征谐波，通过双分裂变压器是无法消除的。

5结束语

由于盾构空间狭小，要求所有设备集成度高，采用双分裂12脉波整流变压器供电的盾构刀盘驱动系统，既能省略变频器进线电抗器，还能节省设备的安装空间，并且能降低系统损耗。因此具有非常高的性价比，随着变压器工艺水平的提高，12脉波整流变压器的抑制谐波的效果会越来越好。参考文献：

[1]王念同，魏雪亮. 轴向双分裂式12脉波牵引整流变压器谐波分析[J].变压器，2001，38（1）：16-19. [2]王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]王兆安，黄俊. 电力电子技术[M].北京：机械工业出

版社，2003.

[4]

Read J C. The calculation of rectifier and converter

第10期龚文忠：轴向双分裂12脉波整流变压器在盾构上的应用

表1

1250kVA 轴向双分裂12脉波整流变压器网侧谐波

分布表

Table 1Harmonic distribution of line side of

1250kVA 12-pulse rectifier transformer with axial double-split structure

负载率/%[1**********]网侧电流峰值/A17.8333.654.2684.48104.1网侧电流有限值/A12.623.7638.3759.7473.63总谐波失真/%

9.479.398.817.767.070Hz(DC)0000050Hz （基）[***********]Hz(2次谐波) 0.010.01000谐150Hz(3次谐波) 0.020.010.010.020.01波200Hz(4次谐波) 0.010000电250Hz(5次谐波) 0.020.010.010.020.01流300Hz(6次谐波) 0.020000占350Hz(7次谐波) 0.020.010.010.020.01基400Hz(8次谐波) 0.010000波450Hz(9次谐波) 0.020.010.010.020.01电500Hz(10次谐波) 0.010.01000流550Hz(11次谐波) 7.867.957.596.776.18百600Hz(12次谐波) 00.01000分650Hz(13次谐波) 5.285.014.473.793.43数

700Hz(14次谐波) 00.01000750Hz(15次谐波) 0.010.01000.01800Hz(16次谐波) 0.010000

850Hz(17次谐波)

0.01

performance characteristics.J. IEF ，1945，92Ⅱ:495-590.[5]

George J.Wakileh 著. 电力系统谐波-基本原理、分析方

法和滤波器设计[M].徐政译. 北京：机械工业出版

社，2007.

[6]GB/T14549-1993，电能质量公用电网谐波[S].

表2

注入公共连接点的谐波电流允许值

Table 2Allowable harmonic currents at common

connection point

标准电压/kV0.[1**********]0基准短路容量/MVA

[***********][***********]012139.643921137.78.16.0谐[1**********]9.6波626148.55.15.44.0次74424158.89.36.8数819116.43.84.13.0及921116.84.14.33.2谐10168.55.13.13.32.4波1128169.35.65.94.3电12137.14.32.62.72.0流1324137.94.75.03.7允14116.13.72.22.31.7许15126.84.12.52.61.9值

169.75.33.21.92.01.51718106.03.63.82.8188.64.72.81.71.81.319169.05.43.23.42.520

7.8

4.3

2.6

1.5

1.6

1.2

作者简介：

龚文忠(1970-)，男，湖北监利人，中国铁建重工集团有限公司工程师，长期从事开关电源、变频器领域的产品开发和应用方面的研究工作。

收稿日期：2011-02-23