Трансформаторы для вентильных преобразователей

При использовании трансформаторов в вентильных преобразовательных установках в их вторичные обмотки включают электрические вентили, пропускающие ток только в одном направлении. Характерной особенностью этих трансформаторов является неодновременная нагрузка отдельных фаз, связанная с поочередным отпиранием вентилей, включенных в соответствующие фазы. Поэтому в каждый момент времени трансформатор нагружен несимметрично. Это обстоятельство вызывает ряд неблагоприятных последствий, основными из которых являются наличие в кривых первичного и вторичного токов значительных высших гармоник и дополнительное подмагничивание сердечника при некоторых схемах выпрямления.

Типовая мощность трансформатора. В трансформаторах для вентильных преобразователей по первичной и вторичной обмоткам протекают несинусоидальные токи, содержащие ряд высших гармоник. Происходит это по следующим причинам:

а) вентили, включенные в цепи отдельных фаз вторичной обмотки, пропускают ток только в течение части периода;

б) на стороне постоянного тока преобразователя обычно включают сглаживающий дроссель значительной индуктивности, при котором токи в обмотках трансформатора имеют форму, близкую к прямоугольной.

В общем случае токи и имеют разное действующее значение, вследствие чего расчетные мощности и первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Поэтому вводится понятие типовой мощности трансформатора вентильного преобразователя

и коэффициента типовой мощности

где – мощность, потребляемая на стороне постоянного тока преобразователя, S_т – выходная мощность. Здесь и – номинальные значения тока и напряжения на стороне постоянного тока.

Типовая мощность рассматриваемого трансформатора больше его выходной мощности при номинальной нагрузке. Поэтому габаритные размеры и вес таких трансформаторов всегда больше, чем у трансформаторов той же номинальной мощности , но работающих при синусоидальном токе. Физически это объясняется тем, что нагрев обмоток трансформатора определяют действующие значения токов , и , которые в данном случае содержат ряд выс­ших гармоник. При работе же трансформатора в цепи синусоидального тока высших гармоник не будет, нагрев трансформатора при той же выходной мощности будет меньше, а поэтому он может быть выполнен с меньшими габаритными размерами и весом.

Каждой схеме включения вентилей и характеру нагрузки (активная, активно-индуктивная), определяющему форму выпрямленного тока, соответствует свое значение типовой мощности. Определим ее значение для наиболее распространенных схем выпрямления при идеализированных условиях работы преобразователя (полностью сглаженном выпрямленном токе , мгновенном переходе тока с одного вентиля на другой, отсутствии индуктивностей х₁ и х₂ трансформатора и потерь энергии в нем).

При однофазной схеме выпрямления с нулевым выводом трансформатора (рис. 1.24) кажущиеся мощности вторичной и первичной обмоток равны:

; ;

где - номинальное вторичное напряжение трансформатора (действующее значение)

- то же для первичного напряжения

- номинальное (действующее) значение тока в каждой фазе вторичной обмотки

- то же для первичной обмотки

- коэффициент трансформации

Рис. 1.24. Схема двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом трансформатора (а) и графики изменения т оков в первичной и вторичной обмотках (б)

Таким образом, типовая мощность трансформатора

(1.81)

а коэффициент типовой мощности

При однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 1.25) имеем:

где ; ;

;

В результате типовая мощность трансформатора:

(1.82)

А коэффициент типовой мощности . Следовательно, при мостовой схеме выпрямления трансформатор используется гораздо лучше, чем при схеме с нулевым выводом.

Рис. 1.25. Мостовая двухполупериодная схема выпрямления (а) и и графики изменения токов в первичной и вторичной обмотках

При работе преобразователя на чисто активную нагрузку токи во вторичной обмотках будут иметь форму полусинусоид, вследствие чего действующие значения равны:

При схеме с нулевым выводом

; ;

При мостовой схеме

; .

При этом получим следующие формулы для определения типовой мощности трансформатора:

при схеме с нулевым выводом:

;

;

; (1.83)

при мостовой схеме:

(1.84)

При трехфазной нулевой схеме имеем:

Где

; ;

; .

В результате типовая мощность

, (1.85)

а коэффициент типовой мощности

Рис. 1.26. Трехфазная нулевая схема выпрямления (а) и графики измекнения токов в первичной и вторичной обмотках (б)

Аналогично могут быть найдены коэффициенты типовой мощности трансформаторов для других трехфазных и шестифазных схем выпрямления (рис. 1.27). Значения их для указанных выше идеализированных условий приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Схема выпрямления	Коэффициент
Трехфазная схема с соединением вторичной обмотки в “зигзаг”	1,46
Трехфазная мостовая схема	1,05
Шестифазная схема с соединением вторичной обмотки в «две обратные звезды»	1,55
Шестифазная схема с уравнительным реактором	1,26+0,07*

* Коэффициент типовой мощности уравнительного реактора.

При применении в преобразователе управляемых вентилей типовая мощность трансформатора может возрасти, если номинальное выпрямленное напряжение соответствует некоторому заданному значению угла регулирования вентилей , отличному от нуля. Это может иметь место, например, если необходимо обеспечить стабильное значение при уменьшении напряжения U₁ в питающей сети (когда требуется иметь некоторый запас по напря­жению U₂). В этом случае коэффициент типовой мощности

, (1.86)

где — значение коэффициента типовой мощности для соответствующей схемы включения вентилей при отсутствии регулирования.

Рис. 1.27. Схемы трехфазного и шестифазного выпрямления

а – с соединением вторичной обмотки трансформатора в «зигзаг»; б – трехфазная мостовая; в. – с соединением вторичной обмотки в «две обратные звезды с уравнительным реактором»

Подмагничивание сердечника трансформатора. В однофазном тран­сформаторе при однополупериодной схеме выпрямления, а также в трехстержневом трансформаторе при трехфазной нулевой схеме выпрямления и при соединении вторичных его обмоток по схеме «две обратные звезды» равновесие намагничивающих сил первичной и вто­ричной фазовых обмоток, расположенных на каждом стержне, ока­зывается нарушенным, вследствие чего происходит дополнительное подмагничивание сердечника.

Рассмотрим более подробно это явление на примере трехфазной нулевой схемы выпрямителя (см. рис. 1.26, а), работающей при указанных выше идеализированных условиях. В этом случае через три фазы вторичной обмотки трансформатора в течение каждой трети периода поочередно протекают токи i_2a, i_2b и i_2c прямоугольной формы (рис. 1.26, б), мгновенная величина которых равна I_d. По первичной обмотке трансформатора также будут протекать токи i_2A, i_2B и i_2C прямоугольной формы. Однако распределение этих токов по отдельным фазам будет неравномерным. В течение первой трети периода, когда работает вентиль В₁ ток i_2a равен I_d, а токи i_2b и i_2c равны нулю. Токи в фазах первичной обмотки могут быть определены исходя из I закона Кирхгофа для электрических цепей:

i_2A+ i_2B + i_2C = 0,

а также из условий равновесия намагничивающих сил для замкну­тых магнитных контуров, один из которых охватывает 1-й и 2-й стержни трансформатора:

а другой - 2-й и 3-й стержни:

Решая совместно полученные уравнения, будем иметь:

(1.87)

Следовательно, в каждом стержне трансформатора в указанный период времени действует нескомпенсированная намагничивающая сила, равная , которая создает дополнительный магнитный поток Ф_д, накладывающийся на основной поток Ф. Из диаграммы распределения токов по обмоткам (рис. 1.26, б) видно, что в следующие две трети периода, когда работают вентили В₂ и В₃, направление и величина потока Ф_д не изменяются, поскольку относительное распределение тока между первичными и вторичными обмотками сохраняется.

Дополнительный поток Ф_д называется потоком вынужденного намагничивания. Он проходит через каждый стержень трансформатора и замыкается через воздух и кожух так же, как и третьи гармоники основного потока (см. рис. 2-23). Для того чтобы поток Ф_д не вызвал недопустимого насыщения магнитной системы, приходится увеличи­вать общее сечение стержней, что приводит к увеличению веса, габа­ритных размеров и стоимости трансформатора.

По указанной причине трехфазная нулевая схема выпрямления применяется лишь в выпрямителях сравнительно небольшой мощ­ности. Однофазная однополупериодная схема выпрямления также практического применения не получила главным образом из-за значительной пульсации выпрямленного напряжения. Обычно в выпрямителях используются только такие схемы включения вентилей, которые обеспечивают нормальное намагничивание сердечника трансформатора и равновесие н. с. на каждом стержне. К числу их относятся: однофазные - мостовая и с нулевым выводом трансформатора; трехфазные - мостовая и с соединением вторичной обмотки трансформатора в «зигзаг»; шестифазные - с соединением вторичной обмотки трансформатора по схеме «две обратные звезды» с уравнительным реактором и двойной «зигзаг».