Преобразовательный трансформатор

4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

4.1. Номинальная и типовая мощность

Номинальной мощностью преобразовательного трансформатора называется потребляемая им кажущаяся мощность при номинальном выпрямленном токе

, (4.1.1)

где m1- число фаз сетевой обмотки. Расход активных материалов и размеры трансформатора определяются типовой мощностью SТ, равной полусумме расчётных мощностей сетевой и вентильной обмотки (2.3.1). При шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 2.2.1,е), часто используемой в выпрямительных агрегатах, номинальная мощность при отсутствии РПН (регулирование под нагрузкой)

(4.1.2)

где U0хх - выпрямленное напряжение в режиме хх, - условная мощность на стороне постоянного тока выпрямителя. Мощность вентильных обмоток трансформатора

(4.1.3)

Типовая мощность трансформатора без учёта уравнительного реактора и РПН

(4.1.4)

При трёхфазной мостовой схеме выпрямления (рис. 2.2.1,д) типовая мощность трансформатора

(4.1.5)

С увеличением числа фаз выпрямления типовая мощность трансформатора обычно возрастает (4.1.4, 4.1.5), а конструкция усложняется. Поэтому трансформаторы с числом фаз m2 вентильной обмотки более шести изготавливаются редко. Типовая мощность трансформаторов с РПН, задаваемая заводом изготовителем, значительно превышает значения, полученные из приведённых выражений, т. к. учитывает наличие переключающего устройства (и связанного с этим увеличения мощности сетевой обмотки), встроенных трансформаторов тока и других устройств, усложняющих конструкцию трансформатора.

Типовая мощность трансформатора при трёхфазной нулевой схеме выпрямления (рис. 2.2.1,г) и соединении сетевой и вентильной обмоток в звезду

Существенное возрастание мощности у трансформатора в трёхфазной нулевой схеме объясняется спецификой его работы в однотактных выпрямителях

4.2. Особенности работы трансформаторов в выпрямительных агрегатах.

Работа трансформатора, питающего выпрямитель, отличается от работы силового трансформатора на токе промышленной частоты. Причина этого - несинусоидальная форма токов вентильных обмоток, а в определённых случаях - знакопостоянный характер этих токов. Так в трёхфазном нулевом выпрямителе выходной ток i0 (рис. 2.5.2,а) получается суммированием токов всех трёх вентилей iV1, iV2, iV3. Токи вентилей, в свою очередь, равны токам вентильных обмоток трансформатора

i2a=iV1, i2b=iV2, i2c=iV3, (4.1.7)

и имеют две составляющие: постоянную и переменную. Постоянная равна среднему значению тока вентиля

Icp. V=I0/3 (4.1.8)

где I0 – среднее значение выпрямленного тока, и не трансформируется в сетевую обмотку. Переменная составяющая тока вентильной обмотки

i2пр=i2-I0/3 (4.1.9)

Постоянная составляющая тока создаёт в стержнях магнитопровода поток Ф0 одного направления, значение которого равно 20…25% основного магнитного потока ФВ трансформатора и который замыкается частично по сердечнику, частично по воздуху и стальной арматуре, окружающей сердечник (например, через стальной кожух масляного трансформатора). Наличие однонаправленного потока Ф0 вынужденного намагничивания приводит к росту тока холостого хода и насыщению магнитопровода трансформатора, значительному возрастанию потерь напряжений в обмотках, уменьшению выпрямленного напряжения и ухудшению внешней характеристики выпрямиДля устранения этих явлений приходится либо увеличивать сечение магнитопровода, а значит и типовую мощность трансформатора, либо уменьшать амплитуду основного магнитного потока ФВ. Последнее означает (при заданной мощности трансформатора) рост размеров магнитной системы, приводящий к повышению не только массы стали, но и массы меди трансформатора, поскольку с повышением периметра сечения магнитопровода растёт и средняя длина витка у обмоток.

Поток вынужденного подмагничивания может быть в принципе исключён введением в трансформатор дополнительных вентильных обмоток, соединённых в зигзаг. При такой схеме соединения (рис.4.2.1,а) ток вентиля обтекает одновременно две полуобмотки, расположенные на соседних стержнях, но только в разных направлениях. Благодаря этому полностью компенсируются магнитодвижущие силы сетевой и вентильной обмоток и поток Ф0 вынужденного намагничивания не возникает. Однако коэффициент использования вентильных обмоток к2Т (2.3.3) при этом ухудшается. Последнее объясняется тем, что масса меди двух связанных между собой обмоток увеличивается вдвое, а результирующее напряжение u2a, u2b, u2с каждой фазы только в раз (рис. 4.2.1,б), т. к. оно определяется геометрической суммой напряжений полуобмоток, расположенных на разных стержнях и сдвинутых по фазе на 120 эл. градусов. Таким образом, фазное напряжение U2зиг при соединении обмоток в зигзаг уменьшается в сравнении с аналогичным напряжением U2зв при соединении их в звезду

(4.1.10)

и чтобы получить то же значение выпрямленного напряжения приходится увеличивать число витков вентильных полуобмоток на 13%. В результате возрастает типовая мощность до значения 1,46Р0’.

 

В трёхфазной мостовой схеме (рис. 2.2.1,д) через каждую фазу на стороне выпрямителя протекает ток как катодной группы вентилей, так и анодной (рис. 2.5.2,б). Таким образом, постоянная составляющая потока и ток подмагничивания отсутствуют. В шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 2.2.1,е) на каждом стержне намотаны две обмотки, по которым протекают токи в противоположных направлениях, что также предотвращает вынужденное подмагничивание.

4.3 Высшие гармонические составляющие тока и напряжения.

Вследствие несинусоидальности тока вентилей первичный ток у трансформаторов выпрямительных агрегатов также несинусоидален (рис. 4.3.1). Кроме тока i1,1 основной частоты он содержит высшие гармонические составляющие. По отношению к сети питания эти токи являются реактивными и, не создавая полезной мощности (3.6.2), лишь нагревают обмотки трансформатора. Порядок высших гармонических составляющих в токе сетевой обмотки

n=k×p×m2±1 (4.3.1)

где k- последовательный ряд чисел, причём у трёхфазных выпрямителей отсутствуют токи чётных гармоник, а также гармоник кратных трём. Шестифазные и трёхфазные мостовые схемы содержат в первичном токе 1, 5, 7, 11, 13, 17-ю гармоники, а двенадцатифазные - 1, 11, 13, 23, 25-ю. Порядок гармонических составляющих в кривой первичного тока приведён в таблице 4.3.1

Таблица 4.3.1

Гармонические составляющие в токе сетевой обмотки при отсутствии регулирования напряжения, % от основной гармоники

Порядок гармонических	pm2=6	pm2=12
wL0=¥	wL0=0	wL0=¥	wL0=0
1-я 5-я 7-я 11-я 13-я действующее значение тока сетевой обмотки	100 20 14,3 9,1 7,7 104,5	100 18,6 11,3 8,5 6,5 104	100 - - 9,1 7,7 101,5	100 - - 8,8 7,2 101

В сетях переменного тока, питающих выпрями­тельные ус­тановки, не только ток, но и напряже­ния отличаются от сину­соидальных и содержат высшие гармонические со­ставляющие. Причиной этого являются несинусои­дальные падения напряже­ния в сопро­тивлениях пи­тающей сети за счёт неси­нусоидального тока. Выс­шие гармонические токи и напряжения вызывают ухуд­шение коэффициента мощ­но­сти и дополнительные по­тери энергии в преобразо­ва­тельных трансформато­рах. Снижение высших гар­мониче­ских можно достиг­нуть уве­личением фазности выпрями­тельных агрегатов или уста­новкой фильтров. В мощных выпрямительных агрегатах, у которых трансформаторы имеют две или четыре вен­тильные об­мотки и мостовую схему выпрямления одну по­ловину вентильных обмоток соеди­няют в звезду, а вто­рую - в треугольник. При этом получается эквивалент­ный двенадцати фазный режим воздействия на сеть и в первичном токе отсутст­вует пятая и седьмая гар­мониче­ские.

При наличии нескольких агрегатов с нулевой схемой выпрямления для создания условного двена­дцати фаз­ного режима вы­прямления по­ловину агрега­тов заказывают с первичной обмоткой, соединённой в звезду, а вторую половину - соединённой в треугольник.

Фильтры высших гармонических создают для них режим, близкий к короткому замыканию (раздел 3.6), что предотвращает выход высших гармонических в питающую сеть.

4.4 Управление выпрямителем со стороны
вентильных обмоток трансформатора.

При построении управляемых высоковольтных выпрямителей для питания установок электронно-лучевого нагрева, электрофильтров, индукционных закалочных печей получило распространение включение тиристоров на первичной стороне трансформаторов. Выпускаемые промышленностью тиристоры обычно имеют более низкий диапазон напряжений в сравнении с диодами. Поэтому в установках с выпрямленным напряжением 5…50кВ и мощностью до 250кВт, питаемых от трёхфазного напряжения 380В, неуправляемый диодный выпрямитель включают на вторичной стороне повышающего трансформатора (рис. 4.4.1), а регулирование напряжения осуществляют тиристорами на первичной стороне трансформатора.

 

Это позволяет уменьшить количество тиристоров и, что особенно важно, исключить повышенные требования к изоляции выходных цепей обычно низковольтной системы управления выпрямителем, так как они теперь будут подключаться к тиристорам, расположенным на первичной относительно низковольтной стороне преобразовательного трансформатора. Данный принцип построения выпрямителей даёт также определённые преимущества при больших токах нагрузки и малых напряжениях, когда возникает необходимость в параллельном соединении большого числа вентилей. Применение тиристоров на первичной стороне трансформатора позволяет существенно сократить их большое количество, упростить систему управления и повысить коэффициент мощности выпрямительного агрегата.

Фазоимпульсное управление высоковольтным напряжением выпрямителя со стороны вентильных обмоток преобразовательного трансформатора производится изменением продолжительности открытого состояния встречно-параллельных тиристоров. Длительность открытого состояния тиристоров, например фазы А (рис. 4.4.1), определяется в течение периода напряжения UA углом отпирания a1 и a2 у VS1 и VS2 соответственно. Последние задаются системой управления и должны удовлетворять условию

a2 - a1 = p (4.4.1)

симметричного режима работы, при котором магнитопровод трансформатора перемагничивается по симметричному относительно начала координат циклу гистерезиса. При несимметричном режиме, когда разность (4.4.1) отличается от 180 эл. град (за счёт неправильной работы системы управления или других причин) преобразовательный трансформатор перемагничивается с вынужденным подмагничиванием, которое по мере роста разбаланса между a1 и a2 увеличивается вплоть до глубокого насыщения магнитопровода. Это приводит к резкому возрастанию тока вентильной обмотки, перегреву трансформатора и одного из тиристоров, ухудшению коэффициента мощности и КПД выпрямительного агрегата в целом.

4.5 Трансформаторы для выпрямительных агрегатов электролизных установок.

Агрегаты такого рода, например ВАКД и ВАКВ, состоят из преобразовательного трансформатора (табл. 4.5.1 и 4.5.2.), двух или четырёх выпрямительных блоков типа БВКВ – 4 и другого комплектного оборудования (дросселя насыщения типа ДН, трансформатора тока ТНШЛ, панели защиты от перенапряжений, теплообменника ТВКШФ-80 и др.).

Трансформаторы выпрямительных агрегатов (табл. 4.5.1) снабжены переключающим устройством для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Устройства РПН допускают ручное дистанционное и автоматическое управление.

Таблица 4.5.1

Трансформаторы для выпрямительных агрегатов электролизных установок

Трансформатор	Типовая мощность, кВА	Номинальная мощность, кВА	Напряжение питающей сети, кВ	Выпрямленное напряжение, В	Выпрямленный ток, А
ТДНП-10000/10 ТДНП-10000/35 ТДНП-12500/10 ТДНП-12500/35 ТДНП-16000/10 ТДНП-16000/35 ТДНП-25000/10 ТДНП-25000/35 ТДНП-32000/10 ТДНП-32000/35 ТДНП-40000/10 ТДНП-40000/35	10000 10000 12500 12500 16000 16000 25000 25000 32000 32000 40000 40000	4760 4760 6800 6800 9400 9400 13650 13650 17800 17800 25000 25000	6,10 35 10 35 6,10 35 6,10 35 10 35 10 35	300 300 450 450 300 300 450 450 600 600 850 850	2´6250 2´6250 2´6250 2´6250 4´6250 4´6250 4´6250 4´6250 4´6250 4´6250 4´6250 4´6250

Таблица 4.5.2

Основные параметры трансформаторов выпрямительных агрегатов для электролизных установок

Параметры	ТДНП-40000/10	ТДНП-32000/10	ТДНП-25000/10	ТДНП-16000/10
Типовая мощность, кВА Номинальная мощность сетевой обмотки, кВА Номинальное напряжение, кВ Номинальный ток, А Номинальное напряжение преобразователя, В Номинальный выпрямленный ток агрегата, А Номинальное линейное напряжение вентильной обмотки, В Номинальный линейный ток вентильной обмотки, А	40000 25000 10,5 1370 850 25000 7067 5100´4	32000 17800 10,5 978 600 25000 504 5100´4	25000 13650 10,6 712/1190 450 25000 387 5100´4	16000 9400 10,6 522/902 300 25000 266 5100´4

Продолжение табл. 4.5.2

Напряжение КЗ при номинальном вторичном напряжении, % Напряжение КЗ одной группы вентильной обмотки, отнесённое к её мощности

10,9 4,3

10,9 4,3

11,1 4,3

11 4,3

У трансформаторов агрегатов с выпрямленным напряжением 850, 600, 450 и 300В напряжение вентильной обмотки регулируется в трёх диапазонах. В первом диапазоне сетевая обмотка соединяется в треугольник, во втором – в звезду с параллельным соединением её частей, в третьем – в звезду с последовательным соединением её частей. Переход с одного диапазона на другой осуществляется переключателем диапазонов с помощью ручного привода при отключённом от сети трансформаторе (ПБВ).

У трансформаторов с мостовой схемой выпрямления в линейных выводах каждой группы вентильных обмоток встроено по одному трансформатору типа ТВ-40/13Ю5-6000/5 для включения реле защиты от междуфазных замыканий на стороне низкого напряжения трансформатора. Трансформаторы выпрямительных агрегатов пригодны для внутренней и наружной установки. Температура окружающего воздуха должна быть не выше 40°С и не ниже -45°С. Трансформаторы допускают поперечное и продольное передвижение, колея 1524´1524 мм, каретки поворотные, катки с ребордами. Для плавного регулирования выпрямленного напряжения агрегаты укомплектовывают дросселями насыщения.

Трансформаторы выпрямительных агрегатов с мостовой схемой выпрямления, имеющие две или четыре группы вторичных обмоток, обеспечивают 12-фазный режим выпрямления для каждого агрегата, при котором в питающей сети переменного тока отсутствуют высшие гармонические ниже 11-го порядка. Для обеспечения такого режима при мостовой схеме первая половина групп вентильных обмоток соединена в треугольник, а вторая – в звезду. Линейные напряжения вентильных обмоток, соединённых в звезду и треугольник, не равны. Для обеспечения равномерной загрузки в цепях обмоток, имеющих более высокие напряже-

Таблица 4.5.3

Дроссели насыщения

Тип	Значение регу­лиро­ва­ния вы­прям­лен­ного на­пряжения, В	Номиналь­ный ток выпря­митель­ного блока, А	Номиналь­ный ток силовой обмотки дросселя, А	Ток управ­ления, А не боле	Рас­чет­ные потери, кВт	Напряже­ние вы­прями­тельного блока, В
ДН-6300/20УХЛ4 ДН-6300/26УХЛ4 ДН-6300/34УХЛ4 ДН-6300/46УХЛ4	20 26 34 46	6300 6300 6300 6300	3620 3620 3620 3620	4 4 5 5	4 5,2 5,7 7,6	300 450 600 850

ния, устанавливаются уравнивающие дроссели с обмотками управления. Значение регулирования выпрямленного напряжения уравновешивающих дросселей на прямоугольном участке характеристики должно составить 4,5В для агрегатов с выпрямленным напряжением 300 и 450В и 8,5В для агрегатов с выпрямленным напряжением 600 и 850В.

При напряжении электролизных установок 75, 115 и 150В применяют выпрямительные агрегаты типа ТПВ, основные характеристики которых приведены в таблице 4.5.4

Таблица 4.5.4

Выпрямительные агрегаты на напряжение 75, 115 и 150В, на ток 12500…50000А

Тип агрегата	Тип транс­форматора	Тип пре­образо­ватель­ной сек­ции	Но­ми­наль­ный вы­прям­лен­ный ток, А	Номи­наль­ное вы­прям­ленное напря­жение, В	КПД, %	Коэф­фици­ент мощ­но­сти
ТПВУХЛ4 ТПВУХЛ4 ТПВУХЛ4 ТПВУХЛ4 ТПВУХЛ4 ТПВУХЛ4	ТМНЛУ-4000/10 ТМНЛУ-8000/10 ТМНЛУ-12500/10 ТМНЛУ-12500/10 ТМНЛУ-12500/10 ТМНЛУ-25000/10	6ЕИ 6ЕИ 6ЕИ 6ЕИ 6ЕИ 6ЕИ	12500 25000 25000 25000 37500 50000	75 75 115 150 75 150	92,5 93,6 93,6 93,8 93,5 93,5	0,87 0,88 0,88 0,89 0,87 0,88

Вентильные обмотки трансформаторов агрегатов имеют схему две обратные звезды с уравнительным реактором. Трансформаторы снабжены РПН для ступенчатого регулирования напряжения под нагрузкой. При использовании двух или более агрегатов на одном объекте, необходимо применить трансформаторы с различными схемами сетевых обмоток (звезда или треугольник) для создания эквивалентного двенадцатифазного режима воздействия на сеть.

Кроме упомянутых выше для электролизных установок выпускаются выпрямительные агрегаты на 50000А, 450 и 300В, а также агрегаты на 63000А, 850В (табл. 4.5.5),имеющие совмещённую конструкцию (выпрямительные блоки у них расположены вблизи трансформатора в одной с ним камере).

Таблица 4.5.5

Технические данные выпрямительных агрегатов совмещённой конструкции.

Тип агрегата	Тип трансформатора	Напряжение питающей сети, кВ	Номинальный выпрямленный ток, А	Номинальное выпрямленное напряжение, В	КПД, %	Коэффициент мощности
ДВ1-50000/300Т-IVУХЛ4 ДВ1-50000/450Т-IVУХЛ4 ДВ1-50000/450Т-2УХЛ4 ДВ1-50000/850Т-УХЛ4	ТЦНП-25000/10УХЛ4 ТЦНП-40000/10УХЛ4 ТЦНП-40000/35УХЛ4 ТЦНП-80000/20УХЛ4	10,5 10 35 20	50000 50000 50000 63000	300 450 450 850	97 978 97,8 98,5	0,93 0,92 0,92 0,95

Трансформаторы агрегатов совмещённой конструкции имеют РПН для переключения ступеней напряжения под нагрузкой и ПБВ для переключения диапазонов регулирования при отключённом от сети трансформаторе. У трансформаторов ТЦНП-25000 и ТЦНП-20000 имеются три диапазона регулирования, а у трансформатора ТЦНП-40000 – шесть. Во всех случаях пределы регулирования напряжения равны 20…100% номинального. Трансформаторы с типовой мощностью 25000 и 40000кВА имеют трёхфазное РПН, а трансформатор ТЦНП-80000 имеет пофазное регулирование, благодаря чему общее количество ступеней утраивается.

4.6 Трансформаторы выпрямительных агрегатов для электропечей и цеховых сетей постоянного тока.

Питание дуговых вакуумных печей постоянного тока осуществляется от выпрямительных агрегатов на напряжение 75В и токи 12500, 25000 и 37500А (табл. 4.5.4) с трансформаторами типов ТМНЛУ и ТДНПУ. Для получения крутопадающих или вертикальных вольтамперных характеристик источников питания дуговых печей используются параметрические источники тока (ПИТ), главным признаком которых является постоянство тока нагрузки при изменяющемся её сопротивлении.

Таблица 4.6.1

Комплектация параметрических источников тока для вакуумных дуговых печей.

Тип источника	Напряжение питающей сети, кВ	Комплектующее оборудование
Трансформа­тор	Резо­нансный реактор	Конденса­торная установка при 10кВ	Выпрями­тель
ПИТ-12500/75 ПИТ-25000/75 ПИТ-37500/75 ПИТ-50000/75 ПИТ-25000/115 ПИТ-50000/115 ПИТ-50000/150	6,10 6,10 6,10 6,10 6,10 6,10 6,10	ТМНПУ-4000/10ППУ3 ТМНПУ-8000/10ППУ3 ТДНПУ-12500/10ППУ3 ТДНПУ-12500/10ППУ3 ТДНПУ-16000/10ППУ3 ТДНПУ-20000/10ППУ3 ТДНПУ-25000/10ППУ3	РТМ-1000/1042 РТМ-2000/1042 РТМ-3200/1042 РТМ-3200/1042 РТМ-4000/1042 РТМ-6300/1042 РТМ-8000/1042	УКТ-11,7-1350У3 УКО-11,3-900У3 УКО-11,2-1350У3 УКО-11,2-1350У3 УКО-11,7-1800У3 УКО-11,5-2480У3 УКОУ3	12500А, 75В 25000А, 75В 37500А, 75В 50000А, 75В 25000А, 115В 50000А, 115В 50000А, 150В

Параметрический источник тока содержит трансформатор (табл. 4.6.1), резонансный реактор, конденсаторную установку, выпрямитель и вспомогательные устройства. Сетевая обмотка трансформатора через реакторы РН1 и РН2 (рис. 4.6.1) присоединяется одним выводом к фазе А питающей сети, а другим через индуктивность L и ёмкость С – к двум другим фазам этой сети. Неуправляемый выпрямитель подключён к вентильным обмоткам трансформатора и питает постоянным током нагрузку R­Н (дуговую печь). Индуктивное и емкостное сопротивление элементов L и C настраиваются в резонанс

wL=1/wC (4.6.1)

VD

 

Ступенчатое регулирование выпрямленного тока в диапазоне 5…10% обеспечивается переключением отпаек сетевой обмотки преобразовательного трансформатора, причём для уменьшения тока следует уменьшить число витков этой обмотки. Плавное регулирование в пределах ступени достигается изменением тока подмагничивания реакторов насыщения РН1 и РН2, включенных параллельно дополнительной секции сетевой обмотки трансформатора. Основным условием регулирования является соблюдение соотношения (4.6.1). В этом случае ток ПИТ не меняется с вариацией сопротивления нагрузки, вызванный изменением длины дуги и условий горения и определяется выражением

I1=Uл/X (4.6.2)

где Uл- линейное напряжение питающей сети, В; Х=wL=1/wС - реактивное сопротивление резонансных элементов схемы, Ом.

Таблица 4.6.2

Технические данные преобразовательных трансформаторов КВПП

Параметры	Тип трансформатора
ТНЗПУ-1000/10-76У3(ТЗ)	ТНЗПУ-2000/10-77У3(ТЗ)	ТСЗПУ-1000/10У4	ТСЗПУ-2000/10У4
Номинальное напря­жение сетевой об­мотки, кВ Номинальное напря­жение преобразова­теля, В Номинальное напря­жение вентильных обмоток, В Номинальный ток преобразователя, А Номинальная мощ­ность сетевых об­моток, кВА Потери КЗ, Вт Потери ХХ, Вт Напряжение КЗ, % Ток ХХ, % Схема соединения обмоток Способ и диапазон регулирования на­пряжения на сто­роне ВН Масса (полная), кг	6;6,3;10;10,5 230 213 2000(1600) 522(417) 8000 2300 5 3	6;6,3;10;10,5 230 213 4000(3200) 1043(840) 13600 3550 6,3 2	6;10 230 215 2000 527 9825 2400 6 2	6;10 230 215 4000 1054 15270 3400 6,8 2
Звезда-две обратные звезды с уравнительным реактором
ПБ±12´2,5%
6000	9000	5050	8030

Ток вентильной обмотки

I2=I1×W1/W2 (4.6.3)

Напряжение вентильной обмотки

U2=I2×RН (4.6.4)

где RН - эквивалентное сопротивление нагрузки (дуговой печи), Ом.

В комплектных выпрямительных полупроводниковых подстанциях (КВПП) применяются преобразовательные трансформаторы типа ТСЗПУ (табл. 4.6.2). Их сетевые обмотки соединяются звездой, а вентильные – в две обратные звезды с уравнительным реактором. Трансформаторы ТСЗПУ выполняются двух типов: с номинальной мощностью 520кВА и 1054кВА и подключаются к электрической сети 6 и 10кВ.

4.7 Трансформаторы для сварочных агрегатов.

4.7.1 Общие сведения

Основным узлом современных сварочных агрегатов является специальный трансформатор той или иной конструкции. Трансформатор разделяет сварочную цепь и силовую сеть, понижает напряжение сети до необходимого для сварки значения, обеспечивает самостоятельно или в комплекте с дополнительными устройствами формирование требуемых статических внешних характеристик и регулирование сварочного тока.

Конструкции сварочных трансформаторов весьма разнообразны. В зависимости от способа регулирования тока их можно подразделить на две группы – с механическим и электрическим регулированием. В первую группу входят устройства, связанные с применением подвижных обмоток и секций магнитопроводов, во вторую – устройства, связанные с подмагничиванием магнитопроводов постоянным током и тиристорным регулированием.

При ручной дуговой сварке используются в основном трансформаторы с механическим регулированием. Диапазон номинальных токов трансформаторов для ручной дуговой сварки 125…500А. Для сварки под флюсом используются только трансформаторы с электрическим регулированием, позволяющим обеспечить стабилизацию режима при колебаниях напряжения сети и простое дистанционное регулирование. Диапазон номинальных токов трансформаторов для сварки под флюсом 1000…2000А.

Внешние характеристики сварочных трансформаторов могут быть крутопадающими (ПВХ) и пологопадающими, или «жёсткими» (ЖВХ). При ПВХ трансформатор в выпрямительной установке работает в режиме регулятора сварочного тока и имеет повышенную индуктивность рассеяния. Последняя изменяется за счёт регулирования расстояния между катушками его первичной и вторичной обмоток. По технологическим и экономическим соображениям часто используют плавно-ступенчатое регулирование, когда две (или более) ступени регулирования сочетаются с плавным регулированием внутри каждой ступени. При ЖВХ сварочный трансформатор работает как регулятор напряжения. Рабочее напряжение регулируется в заданных пределах от минимального до максимального значения в строгом соответствии с заданным диапазоном сварочного тока.

4.7.2 Трансформаторы с подвижными обмотками

Трансформаторы такого рода могут выполняться с магнитопроводами броневого (рис. 4.7.2.1,а, б,в) и стержневого (рис. 4.7.2.1,г, д) типов. Обмотки броневого трансформатора бывают цилиндрическими или дисковыми, обмотки стержневого трансформатора, как правило, только дисковые. Развитое магнитное рассеяние трансформаторов достигается за счёт развитой проводимости между стержнями магнитной системы и расположением первичной 1 и вторичной 2 обмоток вдоль стержней 3 магнитопровода на некотором расстоянии друг от друга (рис. 4.7.2.1). Одна из обмоток трансформатора, обычно сетевая, выполняется неподвижной, другая – подвижной. Перемещение подвижной обмотки осуществляется ходовым винтом. При сближении обмоток индуктивность рассеяния уменьшается, что приводит к увеличению сварочного тока. На таком принципе построено большинство выпускаемых в настоящее время сварочных трансформаторов (типов ТС на токи от 120 до 500А, ТКС и ТД на токи 300 и 500А).

Установлено, что все известные модификации трансформаторов броневого типа уступают по удельным расходам активных материалов и по КПД трансформаторам стержневого типа. Поэтому трансформаторы стержневой конструкции (рис. 4.7.2.1,г) получили наибольшее распространение в сварочных агрегатах. Следует отметить, что сварочный ток изменяется примерно в обратной зависимости от расстояния между обмотками и при большом их раздвижении эффективность регулирования тока снижается.

Для расширения пределов изменения тока применяется плавно-ступенчатое регулирование (рис. 4.7.2.2) путём одновременного переключения числа витков сетевой и вентильной обмоток. Трансформаторы типов ТД-303 и ТД-504 с таким регулированием имеют переключатель диапазонов, при помощи которого катушки обеих обмоток переключаются с параллельного соединения на последовательное (рис 4.7.2.2,а), что даёт два диапазона изменения сварочного тока. Например, трансформатор ТД-504 позволяет регулировать сварочный ток от 240 до 750А, и от 75 до 240А. Номинальное вторичное напряжение равно 30В, номинальный ток 500А. Регулировочные характеристики трансформатора для двух ступеней регулирования приведены на рисунке 4.7.2.2,г (кривые 1 и 2). Для уменьшения высоты магнитопровода, массы и габаритов трансформатора используется также схема (рис. 4.7.2.2,б) с частичным отключением витков катушки первичной обмотки при переходе с параллельного их соединения на последовательное. Напряжение холостого хода в диапазоне малых токов повышается, что благоприятно сказывается на стабильности горения дуги. Регулировочные характеристики 1 и 3 (рис. 4.7.2.2,г) соответствуют схеме трансформатора с частичным отключением витков.

На рисунке 4.7.2.2,в приведена схема трансформатора, в котором катушки сетевой обмотки включены последовательно. Катушки вентильной обмотки на ступени больших токов включены параллельно, а при переходе на ступень малых токов одна катушка вентильной обмотки отключается. При этом индуктивное сопротивление трансформатора изменяется примерно в два раза.

Для расширения пределов регулирования тока в отдельных конструкциях трансформаторов наряду с подвижной обмоткой используются магнитные шунты 4,5 (рис. 4.7.2.1,б).

При уменьшении зазора между шунтами сварочный ток понижается. На этом принципе устроены трансформаторы типа СТШ на токи 250, 300 и 500А, предназначенные для дуговой ручной сварки и автоматической сварки под флюсом.

Трансформаторы с магнитным шунтом, подмагничиваемым постоянным током (рис. 4.7.2.3) имеют между основной 2 и дополнительной 3 частями вентильных обмоток магнитный шунт 6 с подмагничивающей обмоткой управления 5. Сетевая обмотка 4 расположена у верхнего ярма 1.

Изменяя ток в обмотке 5, можно регулировать индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора. Подобную конструкцию имеют трансформаторы ТДФЯ-1001 и ТДФ-1601 (соответственно на токи 1000 и 1600А при ПВном=100%) для автоматической сварки под флюсом. Для плавного изменения тока подмагничивания обмотка 5 питается от однофазного тиристорного выпрямителя.

4.7.3 Элементы расчёта сварочного трансформатора

Исходными данными при расчёте являются мощность трансформатора, продолжительность нагрузки, номинальный ток и пределы его регулирования, номинальное рабочее напряжение, напряжение холостого хода и тепловой режим, на который рассчитывается трансформатор (класс изоляции обмоток). Машинные методики расчёта оптимальной геометрии трансформатора с учётом его регулировочных свойств ещё не совершенны, т. к. не учитывают особенности теплового режима для всех просчитываемых вариантов. Поэтому до настоящего времени находит применение расчёт методом последовательных приближений. Предварительно определяются основные геометрические размеры трансформатора, а потом производится поверочный расчёт всех заданных величин, и в первую очередь индуктивного сопротивления; затем уточняются геометрические размеры и т. д.

Расчёт выполняется в следующем порядке:

1.  Минимальное и максимальное индуктивные сопротивления, обеспечивающие заданные пределы регулирования

, (4.7.3.1)

где I22 и I21 – максимальный и минимальный ток нагрузки, U22 и U21 – рабочие напряжения, соответствующие токам нагрузки I22 и I21, определяемые, например, по формуле

U­2=20+0,04I2 (4.7.3.2)

в вольтах.

2.  Количество витков обмоток. Для выбора числа витков сетевой и вентильной обмоток W1 и W2 рекомендуется пользоваться эмпирической зависимостью параметра еW (в вольтах на виток) от расчётной мощности трансформатора (в киловольт-амперах), приведённой к длительному по нагреву току трансформатора

eW=0,55+0,095Sтип. дл. (4.7.3.3)

Мощность в киловольт-амперах

(4.7.3.4)

где ПН – продолжительность нагрузки, %. Количество витков обмоток

(4.7.3.5)

3.  Количество витков катушек. При параллельном соединении катушек W1K=W1; W2K=W2.

4.  Номинальный ток сетевой обмотки в амперах

(4.7.3.6)

где кm=1,05…1,1 – коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформатора; кТР – коэффициент трансформации.

5. Сечение стали сердечника трансформатора в квадратных сантиметрах

(4.7.3.7)

где ВМ - индукция в сердечнике, Тл. Для холоднокатаной стали индукция может быть принята равной ВМ=1,6…1,7Тл.

6. Конструктивные размеры трансформатора. Расчёт конструктивных размеров ведётся для стержневой конструкции, эскиз которой дан на рисунке 4.7.3.1. Далее все линейные размеры в миллиметрах, сечения – в квадратных миллиметрах.

6.1. Ширина пластины стержня а и ширина окна Сок магнитопровода

(4.7.3.8)

где р1=в/а=1,8…2,2; р2=1,0…1,2; кс=0,95…0,97 – коэффициент, заполнения стали; в – высота набора магнитопровода. Указанные значения коэффициентов р1, р2 рекомендуются для трансформаторов на токи 200…500А.

6.2. Сечения обмоточных проводов (для параллельного соединения катушек)

(4.7.3.9)

Для трансформаторов на токи до 500А класса изоляции Н для ручной дуговой сварки, изготовленных из алюминиевого провода могут быть рекомендованы следующие значения плотностей тока: j1=2,4…2,8А/мм2, j2=2,1…2,3А/мм2. Нижние значения j1 и j2 соответствуют трансформаторам большей мощности. Для сетевой обмотки обычно используется провод марки АПСД, для вентильной – голая шина марки АДО.

6.3. Размеры провода, выбираемые исходя из требуемого сечения по таблицам стандартов или технических условий: а1п, в1п – ширина и высота провода сетевой обмотки; а2п, в2п – тоже для вторичной обмотки; а/1п, в/1п, а/2п, в/2п – то же в изоляции.

Высоту провода следует выбирать как можно меньшей, так как добавочные потери в обмотках от токов магнитного рассеяния трансформатора пропорциональны четвёртой степени высоты провода.

6.4. Констуктивно-крепёжные размеры (4.7.3.1):

изоляционные расстояния катушек в окне от магнитопровода d1=5…10; верхнее значение соответствует подвижной обмотке; ширина вентиляционных каналов в обмотках d2=10…13; ширина прокладки между катушками сетевой обмотки d3=1,5…2,0; размеры крепёжных изоляционных деталей первичной обмотки d4=d5=10.

6.5 Размеры катушки первичной обмотки:

ширина катушки

, (4.7.3.10)

число слоёв в катушке

, (4.7.3.11)

где к­И=0,15мм – толщина межслоевой изоляции; кУ=1,1 – коэффициент, учитывающий неплотность укладки проводов;

число витков в слое

, (4.7.3.12)

высота сетевой катушки

, (4.7.3.13)

если трансформатор изготавливается по схеме рис. 4.7.2.2,б, то между основной частью первичной катушки и отключённой частью необходимо проложить усиленную изоляцию – поставить три прокладки по 0,15мм.

6.6. Размеры катушки вентильной обмотки. Вентильная обмотка наматывается «на ребро» голой алюминиевой шиной марки АДО. Выбор размера шины и внутреннего радиуса намотки «на ребро» производится из условия, что относительное удлинение волокон шины по наружному радиусу должно быть не более 30%, в противном случае могут появиться разрывы шины при намотке.

Высота катушки

h1=W2кв/2пкУ, (4.7.3.14)

6.7. Высота окна магнитопровода

(4.7.3.15)

Величина xмакс определяется в процессе поверочного расчёта индуктивного сопротивления трансформатора.

7. Полный тепловой расчёт трансформатора может быть выполнен по известным методикам расчёта силовых трансформаторов.

Контрольные вопросы.

1.  Что понимают под номинальной и типовой мощностью преобразовательных трансформаторов.

2.  Какие методы применяются для устранения вынужденного намагничивания трансформатора.

3.  Объяснить, почему в мощных выпрямительных агрегатов одну половину вентильных обмоток трансформаторов соединяют в звезду, а вторую – в треугольник.

4.  Что даёт управление выпрямителем со стороны вентильных обмоток трансформатора.

5.  Пояснить конструкции сварочных трансформаторв.