利用移相技术解决“一变多控”的谐波问题

田嘉琛

摘 要：“一变多控”供电方式是一种颇为实用的供电技术，它同时向多台控制器供电，这大大减少多台变压器占用空间过多的难题。文章介绍了“一变多控”供电方式的技术背景、工作原理及应用情况，以期解决“一变多控”的谐波问题。

关键词：移相；一变多控；谐波

1 概述

“一变多控”供电方式是近年来为减少供电设备体积而兴起的一种颇为实用的供电拖动技术，即一台变压器同时向多台控制器供电，这可大大减少多台变压器占用空间过多的难题，这种供电方式使用初期，由于所带的控制器多为工频直接控制或工频软启动控制，使用中未发现较突出的问题，随着管理精细化的发展，许多控制设备引用了变频控制和开关磁阻式转子阻抗技术、IGBT和可控硅元件的大量应用，即从初级线路产生，引发到次级线路的大量非正弦波成分使同一个线路区域谐波量大量增加，整流装置的单相导电作用引起变压器交变磁场波形的畸变，其后果是减少了系统用电设备的寿命。此外，用电器中的一些敏感设备不能正常使用，常见的有数字电视接收变形失真、利用交流载波传输信号的传感器因为电缆中含有超量的谐波成分而无法工作等。

GB/T14549-93规定：10kV线路谐波成分含量小于5%，但“一变多控”应用中，特别是使用了一台或多台变频器控制的装置系统，次级线路的3次、7次、11次谐波成分含量大于40%很常见，次级线路用电末端谐波成分含量大于10%也经常测出。在有些工业现场的试验开发中，因供电方式大，上述现象经常发生，因而多应用“一变多控”供电方式。

2 工作原理

针对变压器所供用电装置多为非正弦波这一实际特征，将供电的变压器定位于多绕组移相整流变压器，移相整流变压器抑制谐波的有效办法是通过对整流变压器次级线路进行移相，这种办法比较容易消除幅值较低的谐波含量。整流变压器的移相角是与电网的相位角相对应的，对于变压器初级线路来说，次级线路延边三角型绕组整体上可以看做为一般感性负载，传输波形上，电流滞后电压一个角度，电流经过变压器延边三角型绕组后，会增加一个负角度，削弱波形上的缺陷移相。在这种方式中，初级绕组中励磁电流的3次谐波不能流通，在铁芯饱和的情况下磁通为平顶波，平顶波的磁通必然分解出3次谐波磁通，这些3次谐波磁通在变压器次级线路三角形绕组里感应出3次谐波电势，3次谐波电势将在闭合的三角形内形成3次谐波环流，3次谐波环流又在铁芯中产生3次谐波磁通来抵消初级线路励磁电流产生的3次谐波磁通，这样使铁芯中的主磁通及其次级感应电动势基本上保持正弦波形，消除了3次谐波对变压器的影响。

采用初级线路角接，次级线路由多个延边三角型移相绕组并存于同一个三相铁芯磁场内，分别以不同延边的三角形绕组建立电压，就可使得第一绕组的电压相位和第二绕组电压相位成任意角度，也使第三绕组的电压相位和第一绕组电压相位和第二绕组的电压相位都构成任意角度，用这些若干延边三角形来得到所需要的不同的移相角度，使各移相次级绕组的端线电压相同，但相互都有一个相位移，以此来提高次级整流设备的脉波数，达到提高功率因数、减少网侧谐波电流的目的。

3 结构设计和计算

3.1 结构形式

三相油浸式电力整流变压器，频率为50Hz，为减少制造难度，采用传统的高压在内、中压和低压在外，调节形式为网侧调节，二次绕组侧1140V，三个主延边三角形移相绕组的移相角各为30°增减的电角度，同时将高压侧的每一项绕组分成几个并联的分绕组，并将它们沿变压器的铁芯轴向上、下均匀分开，使初级和次级绕组磁势分布相对均匀，以减少次级的绕组阻抗率，并采取水平布置结构，更有利于铁芯的应力。

3.2 基础数据确定

初级、次级电压设计：初级按供电电压10kV确定，次级分别按1.14kV、0.38kV设计。

总容量：次级总负载为1600kVA，加上其它用电设施；调压范围为±2.5%；联结方式为△/延边△yu0；绝缘级别为B；噪声≤6aB；温升为80K（温升计算要求应注意考虑移相变压器运行中，5次33%、7次10%、11次7%、13次3%的谐波电流引起的杂损热量）。

3.3 次级绕组中移相相位差的设计

延边三角形联结方式分为正序联结和反序联结，由于正序联结时移相角是顺时针方式，称为负角度；反序联结时纯三角形均做0°，可将正序联结称-0°，反序联结称+0°。

3.4 短路阻抗计算

初级短路阻抗：即在次级线圈全部短路时，从初级线路中读到的阻抗电压值的阻抗。初级线圈短路计算按同心式绕组计算，同心式绕组电抗U×（%）=24.8IWsaP/erhk×10-4。式中：IW-基准电势、sa-等值漏磁面积、P-洛氏系数、er每匝电压、hk电抗高度；次级绕组断路阻抗应按交错式计算方法计算。

3.5 延边三角型移相绕组和主绕组电压、电流、匝数的计算

移相角绕组电压Ug=U2×（Sinβ/120°），主绕组电压SinU2=U2×[Sin（60°-β）-Sin2β（β）]/Sin120°=ZUSin（30°-β）。其中U2-变频器所需电压、β-所确定的移相角。

主绕组电流I2=ZY√3（A），初级绕组电流I1=P×103/3/U相（A），支路电流IY支=IY/N（A）；次级绕组电流IY=P×103/√3/U2（A），支路电流I2支=Z2/N（A）。其中P-变压器容量、N-次级绕组副边匝数，根据初级绕组电流和次级绕组电流，等分计算各移相角所对应的电流。

移相绕组和主绕组匝数的计算WY=UY/e1，主绕组匝数的计算Wz=UZ/e。其中WY为移相绕组电压、WZ主绕组电压、e1为每匝电压。根据移相绕组和主绕组匝数的计算方式，分别计算各移相角所对应绕组匝数（由于计算出的铁芯数据和每匝电压只是理想数，实际制作过程要取以经验整数）。

4 现场应用

根据以上要求定制了两台1600kVA五绕组电力整流变压器，在实际负载60%的情况下几次测得应用数据，收到了较满意效果：初级供电电压10kV，其中的3次、5次、7次、9次、11次、13次谐波（%）分别为：0.5、2、0.75、0.5、1.5和1；次级电压1.14kV，其中的3次、5次、7次、9次、11次、13次谐波（%）分别为：4.4、9、8.7、4、7、3；次级电压0.38kV，其中的3次、5次、7次、9次、11次、13次谐波（%）分别为：3、11、9、2.5、7、4。

5 结束语

利用移相技术解决“一变多控”供电方式的谐波问题，不仅有效增加了用电设备的使用寿命，而且也为企业节省了大量的电费，具有广阔的市场前景。