Электрооборудование промышленности (стр. 8 )

 

4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

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

, (4.1)

где m1- число фаз сетевой обмотки. Расход активных материалов и размеры трансформатора определяются типовой мощностью SТ, равной полусумме расчётных мощностей сетевой и вентильной обмотки (2.2). При шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 2.3 е), часто используемой в выпрямительных агрегатах, номинальная мощность при отсутствии РПН (регулирование под нагрузкой)

(4.2)

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

(4.3)

Типовая мощность трансформатора без учёта уравнительного реактора и РПН

(4.4)

При трёхфазной мостовой схеме выпрямления (рис. 2.3 д) типовая мощность трансформатора

(4.5)

С увеличением числа фаз выпрямления типовая мощность трансформатора обычно возрастает (4.4, 4.5), а конструкция усложняется. Поэтому трансформаторы с числом фаз m2 вентильной обмотки более шести изготавливаются редко. Типовая мощность трансформаторов с РПН, задаваемая заводом изготови-

телем, 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. 2.3 г) и соединении сетевой и вентильной обмоток в звезду

(4.6)

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

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. 2.7 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, (4.7)

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

Icp.V=I0/3 (4.8)

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

i2пр=i2-I0/3 (4.9)

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.4.1 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 (2.4) 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. 4.1 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

(4.10)

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. 2.3 д) через каждую фазу на стороне выпрямителя протекает ток как катодной группы вентилей, так и анодной (рис. 2.7 б). Таким образом, постоянная составляющая потока и ток подмагничивания отсутствуют. В шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 2.3 е) на каждом стержне намотаны две обмотки, по которым протекают токи в противоположных направлениях, что также предотвращает вынужденное подмагничивание.

Вследствие несинусоидальности тока вентилей первичный ток у трансформаторов выпрямительных агрегатов также несинусоидален (рис. 4.2). 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 (3.14), лишь нагревают обмотки трансформатора. Порядок высших гармонических составляющих в токе сетевой обмотки

n=k×p×m2±1 (4.11)

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 4.1

Таблица 4.1

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.

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. 4.3), 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. 4.3), 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 (4.12)

симметричного режима работы, при котором магнитопровод трансформатора перемагничивается по симметричному относительно начала координат циклу гистерезиса. При несимметричном режиме, когда разность (4.12) 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.

Агрегаты такого рода, например ВАКД и ВАКВ, состоят из преобразовательного трансформатора (табл. 4.2 и 4.3), 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. 4.2) снабжены переключающим устройством для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Устройства РПН допускают ручное дистанционное и автоматическое управление.

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.

Таблица 4.2

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

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 напряжения, 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.

Таблица 4.3

Основные параметры трансформаторов выпрямительных агрегатов для электролизных установок

Параметры	ТДНП-40000/10	ТДНП-32000/10	ТДНП-25000/10	ТДНП-16000/10
иповая 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
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

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.