利用移相技術解決“一變多控”的諧波問題

田嘉琛

摘 要：“一變多控”供電方式是一種頗為實用的供電技術，它同時向多臺控制器供電，這大大減少多臺變壓器占用空間過多的難題。文章介紹了“一變多控”供電方式的技術背景、工作原理及應用情況，以期解決“一變多控”的諧波問題。

關鍵詞：移相；一變多控；諧波

1 概述

“一變多控”供電方式是近年來為減少供電設備體積而興起的一種頗為實用的供電拖動技術，即一臺變壓器同時向多臺控制器供電，這可大大減少多臺變壓器占用空間過多的難題，這種供電方式使用初期，由于所帶的控制器多為工頻直接控制或工頻軟啟動控制，使用中未發現較突出的問題，隨著管理精細化的發展，許多控制設備引用了變頻控制和開關磁阻式轉子阻抗技術、IGBT和可控硅元件的大量應用，即從初級線路產生，引發到次級線路的大量非正弦波成分使同一個線路區域諧波量大量增加，整流裝置的單相導電作用引起變壓器交變磁場波形的畸變，其后果是減少了系統用電設備的壽命。此外，用電器中的一些敏感設備不能正常使用，常見的有數字電視接收變形失真、利用交流載波傳輸信號的傳感器因為電纜中含有超量的諧波成分而無法工作等。

GB/T14549-93規定：10kV線路諧波成分含量小于5%，但“一變多控”應用中，特別是使用了一臺或多臺變頻器控制的裝置系統，次級線路的3次、7次、11次諧波成分含量大于40%很常見，次級線路用電末端諧波成分含量大于10%也經常測出。在有些工業現場的試驗開發中，因供電方式大，上述現象經常發生，因而多應用“一變多控”供電方式。

2 工作原理

針對變壓器所供用電裝置多為非正弦波這一實際特征，將供電的變壓器定位于多繞組移相整流變壓器，移相整流變壓器抑制諧波的有效辦法是通過對整流變壓器次級線路進行移相，這種辦法比較容易消除幅值較低的諧波含量。整流變壓器的移相角是與電網的相位角相對應的，對于變壓器初級線路來說，次級線路延邊三角型繞組整體上可以看做為一般感性負載，傳輸波形上，電流滯后電壓一個角度，電流經過變壓器延邊三角型繞組后，會增加一個負角度，削弱波形上的缺陷移相。在這種方式中，初級繞組中勵磁電流的3次諧波不能流通，在鐵芯飽和的情況下磁通為平頂波，平頂波的磁通必然分解出3次諧波磁通，這些3次諧波磁通在變壓器次級線路三角形繞組里感應出3次諧波電勢，3次諧波電勢將在閉合的三角形內形成3次諧波環流，3次諧波環流又在鐵芯中產生3次諧波磁通來抵消初級線路勵磁電流產生的3次諧波磁通，這樣使鐵芯中的主磁通及其次級感應電動勢基本上保持正弦波形，消除了3次諧波對變壓器的影響。

采用初級線路角接，次級線路由多個延邊三角型移相繞組并存于同一個三相鐵芯磁場內，分別以不同延邊的三角形繞組建立電壓，就可使得第一繞組的電壓相位和第二繞組電壓相位成任意角度，也使第三繞組的電壓相位和第一繞組電壓相位和第二繞組的電壓相位都構成任意角度，用這些若干延邊三角形來得到所需要的不同的移相角度，使各移相次級繞組的端線電壓相同，但相互都有一個相位移，以此來提高次級整流設備的脈波數，達到提高功率因數、減少網側諧波電流的目的。

3 結構設計和計算

3.1 結構形式

三相油浸式電力整流變壓器，頻率為50Hz，為減少制造難度，采用傳統的高壓在內、中壓和低壓在外，調節形式為網側調節，二次繞組側1140V，三個主延邊三角形移相繞組的移相角各為30°增減的電角度，同時將高壓側的每一項繞組分成幾個并聯的分繞組，并將它們沿變壓器的鐵芯軸向上、下均勻分開，使初級和次級繞組磁勢分布相對均勻，以減少次級的繞組阻抗率，并采取水平布置結構，更有利于鐵芯的應力。

3.2 基礎數據確定

初級、次級電壓設計：初級按供電電壓10kV確定，次級分別按1.14kV、0.38kV設計。

總容量：次級總負載為1600kVA，加上其它用電設施；調壓范圍為±2.5%；聯結方式為△/延邊△yu0；絕緣級別為B；噪聲≤6aB；溫升為80K（溫升計算要求應注意考慮移相變壓器運行中，5次33%、7次10%、11次7%、13次3%的諧波電流引起的雜損熱量）。

3.3 次級繞組中移相相位差的設計

延邊三角形聯結方式分為正序聯結和反序聯結，由于正序聯結時移相角是順時針方式，稱為負角度；反序聯結時純三角形均做0°，可將正序聯結稱-0°，反序聯結稱+0°。

3.4 短路阻抗計算

初級短路阻抗：即在次級線圈全部短路時，從初級線路中讀到的阻抗電壓值的阻抗。初級線圈短路計算按同心式繞組計算，同心式繞組電抗U×（%）=24.8IWsaP/erhk×10-4。式中：IW-基準電勢、sa-等值漏磁面積、P-洛氏系數、er每匝電壓、hk電抗高度；次級繞組斷路阻抗應按交錯式計算方法計算。

3.5 延邊三角型移相繞組和主繞組電壓、電流、匝數的計算

移相角繞組電壓Ug=U2×（Sinβ/120°），主繞組電壓SinU2=U2×[Sin（60°-β）-Sin2β（β）]/Sin120°=ZUSin（30°-β）。其中U2-變頻器所需電壓、β-所確定的移相角。

主繞組電流I2=ZY√3（A），初級繞組電流I1=P×103/3/U相（A），支路電流IY支=IY/N（A）；次級繞組電流IY=P×103/√3/U2（A），支路電流I2支=Z2/N（A）。其中P-變壓器容量、N-次級繞組副邊匝數，根據初級繞組電流和次級繞組電流，等分計算各移相角所對應的電流。

移相繞組和主繞組匝數的計算WY=UY/e1，主繞組匝數的計算Wz=UZ/e。其中WY為移相繞組電壓、WZ主繞組電壓、e1為每匝電壓。根據移相繞組和主繞組匝數的計算方式，分別計算各移相角所對應繞組匝數（由于計算出的鐵芯數據和每匝電壓只是理想數，實際制作過程要取以經驗整數）。

4 現場應用

根據以上要求定制了兩臺1600kVA五繞組電力整流變壓器，在實際負載60%的情況下幾次測得應用數據，收到了較滿意效果：初級供電電壓10kV，其中的3次、5次、7次、9次、11次、13次諧波（%）分別為：0.5、2、0.75、0.5、1.5和1；次級電壓1.14kV，其中的3次、5次、7次、9次、11次、13次諧波（%）分別為：4.4、9、8.7、4、7、3；次級電壓0.38kV，其中的3次、5次、7次、9次、11次、13次諧波（%）分別為：3、11、9、2.5、7、4。

5 結束語

利用移相技術解決“一變多控”供電方式的諧波問題，不僅有效增加了用電設備的使用壽命，而且也為企業節省了大量的電費，具有廣闊的市場前景。