陶 波

（西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018）

1 整流变压器的概念

整流变压器一次侧接交流电网称为网侧，二次侧接硅整流器称为阀侧。整流变压器与电力变压器的不同之处包括两方面。第一，电流波形不是正弦波。由于整理器各桥臂在同一周期内轮流导通，流经整流臂的电流波形为断续的近似矩形波，因此整流变压器各相线圈中的电流波形不是正弦波[1]。第二，根据整流装置的要求，整流变压器阀侧有多种接法。

本文中的整流变压器用于凝壳炉，其特点为：（1）工作电压低，要求为45～60 V；（2）工作电流高，要求为30kA；（3）工作时间短，熔化时间为15 min；（4）输出电流稳定，无冲击。

2 常规整流变压器的缺陷

常规的凝壳炉或电弧炉的整流变压器都是由10kV/690 V一级变压到690 V/50 V二级变压。这种设计的前提是工作现场要有一台10kV/690 V整流变压器，将10kV电压降到690 V，在整流柜中安装一台690 V/50 V的变压器。此设计方案的缺点显而易见。

第一，占地面积大。变压器通常选用干式变压器，与整流柜之间要保证具有足够的安全距离，但变压器箱体占用的空间大，整流柜内还要内置一台690 V/50 V的变压器，占据了大量空间。第二，制作成本高。由于变压器需要二次降压，导致整流柜内变压器的母排制作成本增大。第三，安装成本高。变压器和整流柜中间要具有足够距离，无论选用电缆连接还是母排连接，成本都非常高。第四，存在安全隐患。变压器内置于整流柜，运行时产生的热量对整流原件及其他电器原件具有不良影响。整流柜内的冷却装置通常是水冷循环，对变压器运行而言存在安全隐患[2]。

3 一体化整流变压器的设计

3.1 确定设计方案

通过2台10kV/50 V的整流变压器，将网侧10kV直接降为阀侧50 V。这两台变压器的一次侧分别采用星形和三角形接线方式，二次侧采用同相逆并联的连接方式。两台变压器安装在一台箱体内，从外观上看，只有一台变压器占用了空间，同时两台台变压器共用一套油冷却系统。此外，整流柜依据变压器的外形进行设计，最大限度减小连接母线的长度，从而降低能耗，节约成本[3]。

3.2 一体化整流变压器结构设计

变压系统由2台10kV/50 V的整流变压器并联而成，两台变压器的一次侧分别采用星形和三角形接法，如图1所示。每台变压器输出14个抽头，其中2个是正负零点，剩余12个抽头两两一组，采用同相逆并连接法。

同相逆并联是在交流导排电流增大、导排距离变长的情况下减少感抗的一种技术。整流变压器二次绕组采用双反星形结构，输出端为相位相同、极性相反的两根导排组成的母线，特点是利用导体中通过的磁力线相互抵消，降低导排互感，减少母排交流感抗，达到提高功率因数的目的[4]。当导排中电流达到一定数值时，导排中磁力线的周围将产生电动势，形成涡流，涡流将导致周围钢结构发热，生成附加损耗。而采用同相逆并联后，可以减少这附加损耗，线路图如图2所示。

图1 同相逆并连接法外形

图2 同相逆并联线路

变流变压器二次绕组的中性点N1和N2通过平衡电抗器Lp互联。平衡电抗器的作用是平衡非同期换相之间的瞬时电位差。如果没有平衡电抗器，两个换相组会在瞬时电压最高时相导通，导致每个整流臂的导通时间减半，电流有效值增加倍，变压器的等效容量也相应增加。

3.3 整流变压器参数计算

额定输出直流电压：Udn=45 V；额定输出直流电流：Idn=2×15kA；整流机组数：N=1；机组脉波数：P=12。本电源额定输出电压Udn=45 V，变压器的理想空载电压Udio为：

其中，Udn=45 V（额定输出直流电压），S=1（换相数），ns=1（串联元件数），UT=1.35 V（额定运行时元件最高正向峰值电压），ΣUS=5 V（附加压降），

b=5（电网电压负波动值），KX=0.5（折算系数），eX=8（变压器短路阻抗）（变压器铜损），△UBL=0（变压器阻抗压降）。

直流功率（kW）：

二次相电压（V）：

其中，U2max考虑了电路中的损耗。

二次相电流（A）：

二次容量（kVA）：

一次相电压（V）：

一次相电流（A）：

一次容量（kVA）：

型式容量（kVA）：

正常使用时按照变压器容量的90%计算，故选定变压器容量为2 000kVA。

3.4 冷却系统设计

由于一体化整流变的一套箱体内安装了两套变压器和平衡电抗器，因此运行过程中会严重发热，干式变压器的自然冷却或风机冷却都无法解决铁芯发热问题，故选用油浸变压器，冷却装置选用油循环冷却方式[5]。具体原理为在油浸变压器外部安装一套列管式油循环冷却系统，使用油泵将变压器的油强行通过列管冷却器进行循环冷却，确保变压器运行中产生的热量通过冷却装置降温，保证运行安全[6]。

4 使用效果

整流变压器是凝壳炉全数字化12脉波高压一体化电弧电源中的重要组成部分。整流变压器的应用性有以下几方面。第一，线性度好。输出与给定实现了线性化，控制系统不再作线性化处理，且其线性度在国内电弧电源中属于佼佼者。第二，整流变压器输出电流稳定，无冲击。现场试验800 A起弧，电流从0上升到800 A，未出现冲击电源或烧坏坩埚底垫的现象。第三，动态性能好。通过短路、负载试验，该电源动态性能良好，具有控制精度高、响应时间快、起弧无冲击等特点。第四，通过实际运行检测稳流精度小于1%。

5 结 论

第一，变压器运行稳定。噪音极低，输出电流稳定，无冲击。第二，节约能源，降低损耗。一体化设计大大降低了变压器铜材的使用量，从而降低铜损，节约能源。第三，节约空间。一体化设计减小了变压器和整流柜的体积，缩短了速效变压器与整流柜的间距，最大限度缩小了空间。