XL75型变频器用移相变压器的结构原理分析

李佳富

（中石油西部管道分公司生产技术服务中心，新疆乌鲁木齐830011）

1 概 述

目前长输管线压缩机组采用大量电力驱动方式，现场出现多型号、多厂家生产的大功率变频器驱动调速系统，在其整流回路中均采用不同形式的移相变压器，其主要形式有干式风冷和油浸循环冷却变压器。各生产厂家的变压器一二次侧绕组连接方式、线圈匝数比以及谐波电流消除的实现原理也不一致。

采用功率单元串联式多电平技术的高压变频器的最大优势之一就是采用了移相变压器，实现输入多重化，使其输入谐波减小。移相变压器具有三个功能：①实现一次侧、二次侧线电压的相位偏移，以消除谐波；②变换得到需要的二次侧电压值；③实现整流器与电网间的电气隔离。

2 移相变压器线圈通用设计原理及结构简介

根据绕组的不同连接方式，国际上比较通用的移相变压器的线圈制造方法是将变压器二次侧绕组分为顺向延边和反向延边，二次侧线电压的相位可以超前或者滞后其一次侧绕组线电压一个角度α。移相变压器一次侧有两种结构，即星形（Y）与三角形（△）两种接法，每相匝数为N1；二次侧每相绕组由两部分线圈组成，其匝数分别为N2和N3。N2线圈采用三角联接方式，再与N3串联。这种绕组接法称为延边三角形联接，接法方式表示为Y／和Y／或△／和△／。变压器一次侧绕组为星形接线的，二次侧线电压其移相角度α的变化范围为-30°～30°之间，变压器一次侧绕组为三角形接线的，二次侧线电压其移相角度α的变化范围为-60°～0°之间。变压器绕组一二次侧接线方式如图1，其绕组接线方式和移相原理分析不在此介绍分析。此类型移相变压器制造接线方式在高压变频器的12、18和24脉波整流器回路中应用较普遍，但变压器制造成本较高，且设备体积较大，变压器损耗较大，发热严重，现场多采用强冷型干式变压器。

图1 Y／△移相变压器绕组接线图

3 CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制变压器

3.1 CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制变压器结构

日本东芝公司生产的CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制变压器，主要用来配合TMEIC公司XL75型变频器的36脉冲多重整流器和消除供电网侧谐波来进行设计制造的。移相控制变压器内部绕组由三个三绕组变压器并列接线构成，三个一次绕组并列接到10 k V高压进线侧，可以进行无载调压，变压器每一个一次绕组对应两个二次绕组。变压器二次侧共有6组输出电压，对应输出电压移相角度为0°、-30°、-20°、20°、-10°、10°（见表1），其在变频驱动系统的接线方式见图2。变压器内部一次侧绕组星形接线，每相绕组匝数为N1。变压器二次侧绕组接线方式，一种为三角形接线，移相角度为0°，一种为星形接线，移相角度为-30°。另外几组，二次侧绕组采用每相绕组线圈由三部分线圈组成，分为两组移相线圈和一组输出工作线圈，其绕组匝数分别为N2、N3和N4，且N2和N1匝数相同，移相线圈从整组线圈两端进行同相位抽头，形成六边形向量结构，向量结构形式见图3。

图2 变频器一次供电系统图

图3 CONVERTOR TRANSFORMER移相变压器向量结构图

XL75型变频器采用36脉波二极管整流器，主要目的是降低网侧电流的谐波畸变，降低直流电压输出波纹系数，提高系统功率因数，其主要技术方式就在于所采用的移相变压器。通过它可使6重化36脉波整流器产生的谐波相互抵消，谐波消除可以达到29次，只有35、37次以上谐波，谐波分量非常小。

3.2 CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制变压器工作原理及结构分析

3.2.1 移相变压器相关电气技术参数

根据上述变压器一次侧绕组星形接线结构，变压器6组二次侧输出电源移相角度必然在-120°～120°之间选择，因此出现表1所示移相变压器6绕组中所需移相角度值。

3.2.2 移相变压器绕组接线方式及原理

对于变压器二次侧输出移相角度为0°和-30°特殊形式，其绕组接线方式为Y／d0和Y／d11，其移相角度就可以实现，不需要再增加移相线圈，因此此类型移相变压器线圈工作接线和绕组匝数不再详细分析。以下将对特有的其他四组二次侧绕组电压输出移相接线方式及原理进行分析。

表1 CONVERTOR TRANSFORMER移相变压器移相角度表

图4和图5给出Y／■型移相角度为-20°和-10°变压器的连接图和相量图。其一次绕组为星形连接，每相匝数为N1；二次侧每相绕组由三部分线圈组成，其匝数分别为N2、N3和N4，且N2和N4匝数相同，三组线圈串联在一起组成变压器二次侧绕组。二次侧三相整组线圈（N2、N3、N4串联后）采用三角形联接方式，同时变压器三相绕组中的N3线圈首尾端又进行三角形联接，其线圈首端作为此组变压器二次侧输出端。

图4 移相变压器接线图

图5 －20°和－10°移相变压器一二次侧相量图

从变压器一二次侧各相向量图中可以看出，该变压器可产生移相角α，如式（1）所示

式中，∠¯U1u1v和∠¯U2u2v分别为移相变压器一次侧输入和二次侧输出线电压U1U1V和U2u2w的向量；∠¯U2u＇2v＇为变压器二次侧线圈N2、N3和N4串联后整体线圈的线电压向量，与∠¯U1u1v向量角相等。

以一次侧线电压∠¯U1u1v为参考电压，规定∠¯U2u2v超前∠¯U1u1v的移相角α为正。为计算变压器的匝数比，设向量∠¯U2u＇2v＇的值为Uq；同时在三相对称供电系统中，根据图3所示的变压器向量结构图，且变压器二次侧各相线圈N2和N4相等，可知在其移相线圈N2和N4电压相等，为Uq，即U 2u2u′＝U 2v2v′＝U 2w2w′＝U 2u′M＝Uq。在向量U 2v、U2u和U 2u′组成的向量三角形中各向量之间的关系，如式（2）所示

因为变压器二次侧移相线圈N2和N4匝数相等，从而得到移相变压器各相二次侧线圈的匝数比和绕组系数k

当给定了移相角度α后，即可确定N3和2N2＋N3的比例。

根据式（4），可推导得到

由式（4）和（5）可推导出变压器匝数比n

式中，U1u1v为移相变压器一次侧线电压；U2u2v为变压器二次侧绕组输出线电压。由式（4）和（6）可推导出

移相角度为-20°和-10°的变压器的连接图与图4基本相同，只是工作线圈N3三角形接线方式出线内部相序调整，其向量图如图6，工作原理分析同上。

图6 20°和10°移相变压器一二次侧向量图

3.2.3 此类型移相变压器绕组结构优缺点

从上述分析可知移相变压器二次侧输出电压线圈匝数N3与一次侧输入输出电压U1u1v和一次侧线圈匝数N1有关，有力地说明移相变压器二次侧工作线圈与移相线圈分开运行，内部工作电流也不同。移相线圈工作电流很小，变压器的二次侧工作线圈为整流器提供负荷电流，工作线圈匝数（N3）取决于变压器一次侧线圈匝数（N1），移相线圈匝数（N2和N4）取决于整流所需移相角，因不参与系统负载电流，大大减小了漆包线绕线截面积和线圈体积，节约设备制造成本和便于生产制造，同时又一步减小了变压器内部损耗，提高了变压器节能效果。移相线圈分部安装在工作线圈的两端，非常有利于工作线圈绝缘，减小整体线圈绝缘间距，有利于变压器内部各相线圈的组装和减小整体安装空间，实现节约设备制造成本和减小设备外观体积设计目的。采用专用移相工作线圈，还可以减低各相绕组的空载损耗，有利于减低变压器整体发热温度，满足自然油冷需要。其缺点是同相绕组中间存在接头，且移相绕组与工作绕组漆包线截面积不同，出线采用线圈中部出线，对变压器出线方式及绝缘也有影响，对于变压器的生产制造存在一定难度。

3.2.4 此型号移相变压器各部份绕组匝数比

根据移相变压器设计额定容量和额定电流，完全可以确定变压器的高压一次侧线圈N1匝数；依据表2，可以进一步推算出变压器二次侧工作线圈N3和移相线圈N2、N4的绕线匝数。例如，移相角-10°变压器，它的高压一次侧线圈匝数N1为100，利用表2可以计算出工作线圈N3匝数为16，则移相线圈N2、N4的匝数为3。

表2 东芝CONVERTOR TRANSFORMER移相变压器绕组匝数比

4 结 论

在大功率高压变频调速系统中，多脉波整流回路中经常采用移相变压器进行供电，各类型移相变压器内部结构各有不同。本文利用移相角度及向量图分析计算方法，通过对XL75型变频器用CONVERTOR TRANSFORMER油浸移相控制变压器绕组结构和工作设计原理分析，论述了移相变压器六边形向量结构移相技术设计理论及绕组结构。其技术优点是将移相变压器内部每相的移相线圈与工作线圈分开，在满足使用负荷需要和不降低额定工作电流的情况，节约了制造成本，降低了变压器本体损耗和制造体积。

［1］ （加拿大）Bin Wu著，卫兰民，译.大功率变频器及交流传动［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］ 李永东，肖 曦，高 跃.大容量多电平变换器原理·控制·应用［M］.北京：科学出版社，2005.