[0001] 本发明是一种新型整流和电炉变压器。是一种带有独立调压绕组的变容量调压变压器，应用于整流、交直流冶炼、电热设备等行业的电力系统中。是一种技术要求调压范围大的变压器，具有在调压范围内的所有调压档位的阻抗电压值发散性极小的特点，使电力系统具有功率因数高、节能、增产、减少无功补偿成本的技术效果。特别是对化工电解和直流冶炼的节能效果极其显著。

[0002] 在大型电化学行业和直流冶炼行业的直流电源系统、交流冶炼电炉系统的变压器具有以下工艺特点，第一是二次电压低、电流大，第二调压范围大且阻抗值发散性大，第三是变容量调压，第四是经常发生突发短路，第五是功率因数低。

[0003] 变容量调压给变压器带来一个重要特点是就是变压器阻抗值与输出电压高低成反比，调压范围越大阻抗值发散性越大。就食盐电解而言，调压范围通常是55%—105%，输出电压105%Udn（Udn最大输出的额定电压，下同）时阻抗一般7%—8%，而55%Udn时为20%左右，相差3倍。对于铝电解通常是10%—105%，输出电压105%Udn时阻抗一般7%—8%，在10%Udn时阻抗电压百分数一般大于100%。电炉变压器和整流变压器结构相似，阻抗计算方法相同，当调压范围相似时，阻抗发散性相似。以上结论见于《特种变压器理论与设计》及相关科技文章、设计手册。

[0004] 电炉冶炼系统特别是炼钢用电炉冶炼系统在一个工作周期内每小时短路十几次或几十次，为保证系统安全、控制短路电流，炼钢炉用变压器其系统阻抗电压百分数一般控制在30%左右，以控制短路电流是额定电流的三倍左右。变容量调压变压器调压范围越大阻抗值发散性越大，从系统安全角度考虑，当变压器低压侧输出电压最高、阻抗最小时阻抗如控制在30%，则当低压侧输出电压最小、阻抗最大时阻抗往往在60%左右，远远超出了保证系统安全的需要，其产生的技术效果是过多牺牲了系统效率、能耗，又超出了保证系统安全的需要。

[0005] 整流电路在实际工作中，由于变压器电抗的存在，换相不可能瞬时完成，而是前一个整流臂慢慢减流，后一个整流臂慢慢增流，出现两个整流臂同时工作的现象，这种现象叫重叠现象。我们通过对重叠角（换相角）的推导可以得出一个以前不被人重视的重要结论：重叠角γ随绕组电抗的增大而增大。

[0006] 重叠角对整流系统的功率因数有很大的影响，但其影响被无功补偿系统的补偿效果所掩盖。在变压器和整流器行业一般都错误的认为补偿后的功率因数就是整流系统的功率因数，但这是错误的，补偿后的功率因数是变压器一次侧或电网上体现的功率因数，而整流系统内部的功率因数仍是自然功率因数，即由系统的阻抗、重叠角、控制角决定的，与补偿效果无关。整流系统内部能耗不因补偿后的功率因数提高而降低。

[0007] 传统电炉变压器和整流变压器的绕组排列顺序（与电力变压器相同）是：小型变压器从铁心开始依次为二次绕组、一次绕组、调压绕组，大中型变压器从铁心开始依次为调压绕组、一次绕组、二次绕组。

[0008] 一般变压器电磁理论认为，两个绕组中间如放置一个闲置绕组或绕组中有闲置的线段，绕组涡流损耗增大三倍以上而且因电场畸变使绝缘结构复杂、绕组排列结构带来成本大幅增加。这种结构阻抗大，调整阻抗增大太多的成本，因主空道一般是正常的3倍以上，参考正反调变压器电压中间档阻抗计算原理就非常清楚了。而调压绕组在运行时或是闲置绕组或是有闲置的线段，一般调压绕组损耗占变压器负载损耗的15%，涡流损耗占其5%—10%，再加上调压绕组放中间结构增大，增大变压器负载损耗10%以上。因此调压绕组绝不能放在一次绕组和二次绕组的中间，成为技术领域的公知常识。

[0009] 一种新型高功率因数整流和电炉变压器，特征是：包括变压器铁心、调压绕组、一次绕组、二次绕组；其中，绕组、铁心排列顺序由内而外依次为变压器铁心、一次绕组、调压绕组、二次绕组。

[0010] 一种新型高功率因数整流和电炉变压器，特征是：包括变压器铁心、调压绕组、一次绕组、二次绕组；其中，绕组、铁心排列顺序由内而外依次为变压器铁心、二次绕组、调压绕组、一次绕组。

[0011] 新型高功率因数整流和电炉变压器的绕组排列结构有一个重要性质特征是变容量调压变压器阻抗在调压范围内各档位基本是一个定值，发散性极小。

[0012] 一种新型高功率因数整流和电炉变压器可以是自耦调压变压器，也可以是串变调压变压器的主变压器部分。二次绕组可以分解成多个绕组，如此电抗器也可以有多个，开关也可以有多个。各绕组可以按变压器移相规律移相。

[0013] 其中，一次绕组排在内侧的是大中型整流和电炉变压器，二次绕组排在内侧的是小型整流和电炉变压器。

[0014] 这两种新型变压器的共同特征是调压绕组排列在一次绕组和二次绕组的中间。虽然这有悖于变压器电磁理论，绕组涡流损耗增大、绝缘结构复杂、绕组排列结构带来成本增加，但可以减小调压范围内变压器阻抗的发散性。

[0015] 本专利整流变压器所要解决的首要技术问题是控制系统功率因数值在整个调压范围内各档位均在某一定值附近，减小无功补偿设备成本。另一个要解决的技术问题是控制整流电路的换相角，提高功率因数、节能。再一个要解决的技术问题是让负载的自然功率因数提高，而产生节能效果等。

[0016] 例如：某传统炼钢炉用电炉变压器，调压范围是65%—105%，输出电压105%Udn时阻抗30%，65%Udn时为60%，输出电压105%Udn时系统内部自然功率因数0.75，65%Udn时系统内部自然功率因数为0.55。但采用本专利的新型传统炼钢炉用电炉变压器，调压范围是65%—105%，输出电压105%Udn时阻抗30%，65%Udn时为28%，输出电压105%Udn时系统内部自然功率因数0.75，65%Udn时系统内部自然功率因数也为0.75。在调压范围内功率因数是一个定值后可以控制并联的电容是一定值，不用调节电容值了，而且补偿用电容容量大幅度减小，故可以大幅度减小无功补偿设备的投资。

[0017] 变压器阻抗计算方法：本专利采用相对漏磁法推导阻抗电压公式，其他方法如漏磁链法等等都可以，所有的阻抗计算方法与原来都是相同的，只有6种漏磁状态的漏磁面积ΣD计算不同，故此处只给出正反调压方法的漏磁面积ΣD的计算公式，其余线性调或粗细调等按原理取其一即可，推导过程省略。

[0018] 1、图3一次绕组排列在内侧的变压器漏磁面积ΣD。

[0019] 基准磁势IW=IdWd。

[0020] 相对磁势A1=IgWg=IdWd=1。

[0021] 其中，R22是（a13+a2+a23）中线到铁心中心线的半径。

[0022] 其中，Ig、Ig、Id分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的电流。

[0023] 其中，Wg、Wt、Wd分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的匝数。

[0024]  2、图4一次绕组排列在内侧的变压器漏磁面积ΣD。

[0025] 基准磁势IW=IdWd=Ig（Wg－Wt）。

[0026] 相对磁势A1=IgWg／IdWd。

[0027] A2=IgWt／IdWd。

[0028] A3= IdWd／IdWd=1。

[0029] 其中，Ig、Ig、Id分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的电流。

[0030] 其中，Wg、Wt、Wd分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的匝数。

[0031] 3、图5一次绕组排列在内侧的变压器漏磁面积ΣD。

[0032] 基准磁势IW=IdWd=I（g Wg+Wt）。

[0033] 相对磁势A1=IgWg／IdWd。

[0034] A2=IgWt／IdWd。。

[0035] A3=IdWd／IdWd=1。

[0036] 其中，Ig、Ig、Id分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的电流。

[0037] 其中，Wg、Wt、Wd分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的匝数。

[0038] 4、图6二次绕组排列在内侧的变压器漏磁面积ΣD。

[0039] 基准磁势IW=IdWd。

[0040] 相对磁势A1=IgWg=IdWd=1。

[0041] 其中，R22是（a13+a2+a23）中线到铁心中心线的半径。

[0042] 其中，Ig、Ig、Id分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的电流。

[0043] 其中，Wg、Wt、Wd分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的匝数。

[0044] 5、图7二次绕组排列在内侧的变压器漏磁面积ΣD。

[0045] 基准磁势IW=IdWd=I（g Wg+Wt）。

[0046] 相对磁势A1=IgWg／IdWd。

[0047] A2=IgWt／IdWd。

[0048] A3=IdWd／IdWd=1。

[0049] 其中，Ig、Ig、Id分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的电流。

[0050] 其中，Wg、Wt、Wd分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的匝数。

[0051] 6、图8二次绕组排列在内侧的变压器漏磁面积ΣD。

[0052] 基准磁势IW=IdWd=I（g Wg－Wt）。

[0053] 相对磁势A1=IgWg／IdWd。

[0054] A2=IgWt／IdWd。

[0055] A3=IdWd／IdWd=1。

[0056] 其中，Ig、Ig、Id分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的电流。

[0057] 其中，Wg、Wt、Wd分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组的匝数。

[0058] 技术效果：第一，节能，而且节约的是整个系统的能耗而非变压器的一点点负载损耗。由具体实施方式中的实例1和实例2可知：应用新型整流变压器后年节电172万，新型整流变压器价格为91万。

[0059] 第二，无功补偿设备投资大幅度降低（见例3、4）。例如原来一台电炉变压器电容补偿需要从0.55至0.75补偿到0.95，现在采用新型电炉变压器只需从0.75补偿到0.95。节省电容器容量5343KVA，新型电炉变压器的补偿容量只是传统型的55%，而且节省了调节电容容量变化的控制装置。

[0060] 第三，相当于对工业性负载进行直接功率因数补偿。在目前除本专利外是任何技术无法实现的，这两种新型变压器让变压器的阻抗电压百分数不因调压范围的增大而增大，在整个调压范围内阻抗值发散性极小。我们可以把电炉和整流变压器阻抗电压百分数控制在某一定值附近，例如整流变压器在整个调压范围内各档位阻抗控制在7%或8%左右与现行的电力变压器的效率相当。

[0061] 第四，增产。增大系统有功电流。

[0062] 第五，可以人为控制整个生产周期的整流系统的重叠角或大或小。

[0063] 至于调压绕组放在二次和一次绕组中间所带来的变压器损耗增大，因电场畸变使绝缘结构复杂、绕组排列结构带来的成本增加已经可以忽略不计。附图说明

[0064] 图1是一种新型高功率因数整流和电炉变压器铁心绕组排列示意图。

[0065] 图2是一种新型高功率因数整流和电炉变压器铁心绕组排列示意图。

[0066] 图3是一次绕组排在内侧的一种新型高功率因数整流和电炉变压器漏磁势分布图之一。

[0067] 图4是一次绕组排在内侧的一种新型高功率因数整流和电炉变压器漏磁势分布图之二。

[0068] 图5是一次绕组排在内侧的一种新型高功率因数整流和电炉变压器漏磁势分布图之三。

[0069] 图6是二次绕组排在内侧的一种新型高功率因数整流和电炉变压器漏磁势分布图之一。

[0070] 图7是二次绕组排在内侧的一种新型高功率因数整流和电炉变压器漏磁势分布图之二。

[0071] 图8是二次绕组排在内侧的一种新型高功率因数整流和电炉变压器漏磁势分布图之三。

[0072] 其中，1是变压器铁心。

[0073] 2是变压器一次绕组。

[0074] 3是变压器调压绕组。

[0075] 4是变压器二次绕组。

[0076] 5是变压器相对磁势分布。

[0077] a1、a2、a3是内、中、外三个绕组的辐向宽度。

[0078] R1、R2、R3是内、中、外三个绕组的平均半径。

[0079] A13、A23是内、中绕组间绝缘空道和中、外绕组绝缘空道的辐向宽度。

[0080] R13、R23是内、中绕组间绝缘空道和中、外绕组绝缘空道的平均半径。

[0081] Wg、Wt、Wd分别是一次绕组、调压绕组、二次绕组匝数。

[0082] 实例1、某企业，传统型整流变压器，6000吨电解锰项目，约ZHSSPZ—5900／35传统整流变压器，直流电流调压范围65%Udn—105%Udn，变压器高压电压35KV，正反调压35档。整流电路为二极管桥式同相逆并联。

[0083] 最小分接（低压电压最高）Uk=8%。

[0084] 额定分接（低压电压中间档）Uk不详，估计在12%左右。

[0085] 最大分接（低压电压最低）Uk=不详，估计在20%左右。

[0086] 因非发明人设计，原先的传统设备、一些技术数据不详，技术效果电解每吨锰耗电6150度左右。

[0087] 实例2、某企业（与例1同一企业），新型整流变压器，10000吨电解锰项目，ZHSSPZ—7600／35新型整流变压器，直流电流25000A，直流电压160V—260V，槽电压4.5V左右，调压范围61.5%Udn—105%Udn，变压器高压电压35KV，变压器低压电压211V，正反调压35档。整流电路为二极管桥式同相逆并联，为观察试验效果的方便，没有相控角的干扰。

[0088] 绕组排列顺序由内而外依次是：变压器铁心、一次绕组，调压绕组，二次绕组，如图1。

[0089] 经计算，各分接阻抗电压：最小分接（低压电压最高）Uk=6.07%。

[0090] 额定分接（低压电压中间档）Uk=5.74%。

[0091] 最大分接（低压电压最低）Uk=5.09%。

[0092] 技术效果电解每吨锰耗电5800度左右。

[0093] 由实例1和实例2两方案对比：每吨节电350度，新型整流变压器电耗与例1传统型整流变压器技术方案对比能耗下降5.6%。

[0094] 以电费0.5元／度计算，10000×6150×0.5×5.6%=172万，应用新型变压器后年节电172万，ZHSSPZ—7450／35新型整流变压器价格为91万，项目回收期为5.3个月。

[0095] 例3、传统HSSPZ—12500/35电弧炉变压器，三相，50HZ，Yd11，一次电压35KV，二次电压314V—116V，19级调压，一次绕组加装35KV补偿电容器，补偿前功率因数分别为最小COSφ1=0.55和最大COSφ2=0.75。补偿后功率因数为COSφ3=0.95。

[0096] 补偿用电容器最大容量Qc=12500×（tgφ1－tgφ3）=12500×（1.333－0.3287）=12558KVA。

[0097] 补偿用电容器最小容量Qc=12500×（tgφ2－tgφ3）=12500×（0.8819－0.3287）=6915KVA。

[0098] 例4、本专利新型HSSPZ—12500/35电弧炉变压器，三相，50HZ，Yd11，一次电压35KV，二次电压314V—116V，19级调压，一次绕组加装35KV补偿电容器，补偿前功率因数整个调压档位都是COSφ1=0.75。补偿后功率因数为COSφ2=0.95。

[0099] 补偿用电容器容量Qc=12500×（tgφ1－tgφ2）=12500×（0.8819－0.3287）=6915KVA。

[0100] 采用本专利的新型电炉变压器补偿用电容器最大和最小容量都是6915KVA。

[0101] 由例3和例4两方案对比：两者电容器补偿容量差=12558－6915=5343KVA。