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, Sт – 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 i2a, i2b и i2c прямоугольной формы (рис. 1.26, б), мгновенная величина которых равна Id. По первичной обмотке трансформатора также будут протекать токи i2A, i2B и i2C прямоугольной формы. Однако распределение этих токов по отдельным фазам будет неравномерным. В течение первой трети периода, когда работает вентиль В1 ток i2a равен Id, а токи i2b и i2c равны нулю. Токи в фазах первичной обмотки могут быть определены исходя из I закона Кирхгофа для электрических цепей:
i2A+ i2B + i2C = 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 Фд, 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 Фд не изменяются, поскольку относительное распределение тока между первичными и вторичными обмотками сохраняется.
Дополнительный поток Фд 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 Фд 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».
Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 989;