Специальные трансформаторы

Глава одиннадцатая

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

11.1. Трансформаторы для дуговых электрических печей

Трансформаторы, предназначенные для питания дуго­вых электрических печей, во многом сходны с силовыми трансформаторами общего назначения. Их конструктивные отличия обусловлены особенностями работы электрических печей. Печь питается от отдельного трансформатора. Мощ­ность печных трансформаторов достигает 25 MB∙А. Для обеспечения нормального горения дуги вторичная обмотка трансформатора должна иметь сравнительно низкое на­пряжение (около 100 В), при этом ток вторичной обмотки может достигать нескольких десятков килоампер. Столь значительный ток может быть получен при разделении об­мотки и отводов от нее на большое число параллельных ветвей.

При плавке металла в печи происходят частые толчки нагрузки, короткие замыкания и обрыв тока в обмотке НН. Для снижения тока короткого замыкания трансфор­маторы должны выполняться с повышенным напряжением короткого замыкания или снабжаться токоограничивающим реактором, включаемым последовательно с первич­ной обмоткой. Реактор обычно монтируется в одном баке с трансформатором. В установке с печным трансформа­тором ток короткого замыкания не должен превышать но­минальный более чем в 2,5—4 раза.

Механическое крепление обмоток имеет повышенную прочность и рассчитывается, исходя из указанных значе­ний тока. В целях улучшения управления процессом плав­ки металла в печи требуется регулирование вторичного напряжения трансформатора в широких пределах. Для этого первичная обмотка выполняется с ответвлениями и для регулирования напряжения производится переклю­чение этих ответвлений с помощью соответствующего пе­реключателя. Для увеличения числа ступеней напряжения предусматривается пересоединение обмотки ВН с тре­угольника в звезду.

Переключение ступеней производится с перерывом пи­тания нагрузки и отключением трансформатора от сети. В мощных печных трансформаторах применяется переклю­чение без перерыва нагрузки.

11.2. Трансформаторы для дуговой электросварки

Особенностью работы трансформатора для дуговой электросварки является прерывистый режим работы с рез­ким переходом от холостого хода к короткому замыканию и обратно. Для устойчивого и непрерывного горения дуги требуется, чтобы при колебаниях сопротивления внешней цепи сварочный ток изменялся незначительно, т. е. внеш­няя характеристика (зависимость напряжения дуги от то­ка) была резко падающей. Для той же цели индуктив­ность в сварочной цепи должна быть значительной. Кроме того, необходимо ограничивать ток короткого замыкания.

Выполнение этих требований возможно путем увеличе­ния потока рассеяния в трансформаторе и включения во вторичную цепь индуктивной катушки со стальным сердеч­ником (рис. 11.1, а).

Для увеличения потока рассеяния первичная и вторич­ная обмотки трансформатора располагаются на разных стержнях или в различных местах по высоте стержня. С увеличением потока рассеяния возрастают индуктивное сопротивление короткого замыкания хК и напряжение ко­роткого замыкания uК.

Для регулирования сварочного тока индуктивная ка­тушка выполняется с воздушным зазором в магнитной цепи. При уменьшении с помощью соответствующего уст­ройства зазора 8 индуктивность катушки возрастает, а ток в сварочной цепи уменьшается. На рис. 11.1, б показаны две внешние характеристики: при малом зазоре (кривая 1) и при большем зазоре (кривая 2)

Для ручной сварки используются трансформаторы, на­пряжение обмотки НН которых при холостом ходе равно 60-75В. При номинальной нагрузке UHH=30…40В.

Рис. 11.1. Трансформа­тор для дуговой элект­росварки (а) и его внешние характеристи­ки (б)

11.3. Трансформаторы для преобразования числа фаз переменного тока

Преобразование числа фаз системы переменных токов можно осуществить при помощи трансформаторов, вклю­ченных по специальным схемам. Преобразование трехфаз­ной системы токов в двухфазную производится посредст­вом двух однофазных трансформаторов с разными коэф­фициентами трансформации, включенных по схеме рис. 11.2.

Первичная обмотка трансформатора Тα включается между двумя фазами трехфазной сети (на рис. 11.2 между фазами В и С). У трансформатора Тβ первичная обмотка подключена к третьей фазе А сети и средней точке первич­ной обмотки трансформатора Тα. При таком включении напряжение U0A будет сдвинуто по фазе на угол π/2 по отношению к напряжению UBC (рис. 11.3). На

такой же угол будут сдвинуты напряжения вторичных обмоток

Рис. 11.2 Схема преобразова­теля трехфазного тока в двух­фазный

Рис. 11.3. Векторная ди­аграмма преобразовате­ля тока в двухфазный

трансформаторов Тα и Тβ. Из векторной диаграммы сле­дует, что . Если принять, что витки вто­ричных обмоток трансформаторов одинаковы, то для то­го чтобы получить одинаковые напряжения этих обмоток, необходимо число витков первичной обмотки трансформа­тора Tβ уменьшить в раз по сравнению с витками первичной обмотки трансформатора Tα.

Преобразование трехфазной системы токов в шестифазную можно осуществить включением вторичной обмот­ки в шестифазную звезду (рис. 11.4). На рис. 11.5 показана векторная диаграмма ЭДС для этой схемы.

Трансформаторы с увеличенным числом фаз находят применение в схемах преобразования переменного тока в постоянный.

11.4. Трансформаторы для преобразования частоты

С использованием трансформаторов практическое при­менение находят схемы для удвоения и утроения частоты питающего напряжения.

Удвоение частоты производится при использовании трансформатора, магнитная система которого состоит из двух независимых магнитопроводов α и β (рис. 11.6). Первичная обмотка с числом витков ω1 включается в сеть с частотой f1 и охватывает оба магнитопровода. При помо­щи обмотки О сердечники подмагничиваются постоянным током в противоположных направлениях. В каждом магнитопроводе МДС, создаваемая этой обмоткой, равна F0. В правом квадранте рис. 11.7 построены магнитные харак­теристики и сердечников с учетом действия МДС F0. На этом же рисунке показана зависи­мость суммарного потока от тока первичной обмотки i1. Поток сцеплен с первичной обмот­кой и наводит в ней ЭДС .

Рис. 11.4. Схема транс­форматора для преобра­зования трехфазного то­ка в шестифазный

Рис. 11.5. Векторная ди­аграмма вторичных ЭДС трансформатора по рис. 11.4.

Вторичная обмотка состоит из двух частей, располага­емых на разных магнитопроводах. Эти части обмотки включены встречно, поэтому результирующее потокосцепление вторичной обмотки будет пропорционально разнос­ти потоков . Зависимость также показана на рис. 11.7.

Если приложить к первичной обмотке синусоидальное напряжение U1 то магнитный поток Ф=Фα+Фβ будет практически также синусоидальным и будет изменяться во времени с частотой f1 (левый квадрант на рис. 11.7). Изменение во времени потока, сцепленного со вторичной обмоткой (Фα—Фβ), можно получить построением по точкам 1-2-3-4. Эта зависимость имеет

 

Рис. 11.7. Построение формы вторичного напря­жения удвоителя частоты

 

Рис. 11.8. Схема утроителя частоты

пульсирующий харак­тер с частотой пульсаций, равной 2f1. Индуцируемая во вто­ричной обмотке ЭДС е2 будет пропорциональна перемен­ной составляющей зависимости Фα—Фβ = f(t) и иметь час­тоту 2f1.

При нагрузке для снижения падения напряжения в це­пи вторичной обмотки последовательно с ней включают конденсатор С, емкость которого компенсирует индуктив­ность обмотки. Регулирование напряжения производится изменением тока в подмагничивающей обмотке.

Утроение частоты с помощью трансформаторов можно осуществить по схеме, показанной на рис. 11.8. Первичные обмотки трех однофазных трансформаторов соединяются в звезду и подключаются к трехфазной сети с частотой f1. Вторичные обмотки этих трансформаторов соединяются между собой последовательно. Как показано в § 2.3, в трехфазной группе однофазных трансформаторов, пер­вичные обмотки которых соединены в звезду, при насыще­нии магнитной цепи в сердечнике каждой фазы возникают значительные составляющие потока 3-й гармоники. Эти потоки будут наводить во вторичных обмотках ЭДС трой­ной частоты Е3.

При последовательном соединении вторичных обмоток ЭДС тройной частоты будут арифметически складываться, а ЭДС основной частоты (от 1-й гармоники) в сумме бу­дут равны нулю. Таким образом, на выводах вторичной обмотки будет действовать напряжение с часто­той 3f1 Конденсатор С, включенный в цепь вторичной об­мотки, служит, как и в предыдущем случае, для уменьше­ния падения напряжения при нагрузке трансформатора.

11.5. Пик-трансформаторы

Пик-трансформаторы предназначены для преобразова­ния синусоидального напряжения, подводимого к первич­ной обмотке, в импульсы напряжения пикообразной фор­мы, получаемые во вторичной обмотке. Пик-трансформа­торы применяются в электронной технике для управления тиристорами, тиратронами и пр.

Для того чтобы во вторичной обмотке получить ЭДС пикообразной формы, необходимо, чтобы поток, сцеплен­ный с этой обмоткой, имел уплощенную форму (см. §2.3). Уплощение кривой потока происходит при насыщении сер­дечника.

На рис. 11.9 даны два возможных исполнения таких трансформаторов. В первом исполнении (рис. 11.9, а) трансформатор имеет сильно насыщенный магнитопровод и его первичная обмотка подключается на синусоидальное напряжение U1 через резистор с большим активным со­противлением RД.

 

Рис. 11.9. Схемы пик-трансформаторов

Сопротивление RД необходимо для ограничения тока в обмотке. При холостом ходе ток i1 будет синусоидальным, а поток Ф магнитопровода будет иметь сильно уплощенную форму. Формы кривых тока, потока и напряжения вторичной обмотки показаны на рис. 11.9, б.

Во втором исполнении (рис. 11.9, б) вторичная обмот­ка трансформатора располагается на относительно тонком стержне, параллельно которому устанавливается магнит­ный шунт с почти линейной характеристикой. При синусо­идальной форме потока Ф1 (рис. 11.9, г) составляющие потока ФШ и Ф2 будут несинусоидальны. Уплощенная фор­ма кривой Ф2=f(t) обеспечивает пикообразную форму кривой напряжения U2.

11.6. Трансформаторы для вентильных устройств

Вентильные устройства предназначаются для преобра­зования переменного тока в постоянный, а иногда наобо­рот — постоянного в переменный. Эти устройства содер­жат вентили — приборы, которые проводят электрический ток только в одном направлении.

В ряде случаев эти устройства подключаются ко вто­ричной обмотке трансформатора последовательно с на­грузкой. Трансформатор вводится для того, чтобы полу­чить на его вторичной обмотке такое переменное напря­жение, при котором выпрямленное выходное напряжение имело бы заданное, обычно стандартное значение. Соот­ношение между выпрямленным напряжением и перемен­ным напряжением вторичной обмотки трансформатора за­висит от схемы вентильного устройства. Иногда с помо­щью трансформатора увеличивают число фаз вторичного напряжения (см. § 11.3), что способствует резкому сниже­нию пульсаций выпрямленного тока и напряжения.

Работа трансформатора совместно с вентильным устройством имеет свои особенности. Первая особенность со­стоит в том, что в соответствии с поочередным отпиранием вентилей ток в фазах вторичной обмотки будет протекать не одновременно и только в течение части периода. По этой причине токи вторичной и первичной обмоток имеют несинусоидальную форму и содержат высшие гармоники, которые увеличивают потери и снижают КПД трансфор­матора.

Кривые тока в первичной и вторичной обмотках могут иметь неодинаковую форму, вследствие чего действующие значения этих токов будут отличаться друг от друга не только за счет коэффициента трансформации, но и за счет несовпадения форм кривых. Тогда расчетные мощно­сти первичной SP1 и вторичной SP2 обмоток, пропорцио­нальные произведению действующих значений соответст­вующих номинальных токов и напряжений, также могут быть различными. В этом случае расчетная мощность трансформатора, называемая типовой мощностью, будет равна полусумме расчетных мощностей обмоток:

Мощность постоянного тока, потребляемая нагрузкой, включенной на выходе вентильного устройства, равна:

где — номинальные напряжение и ток на вы­ходе вентильного устройства (на стороне постоянного то­ка).

Отношение называется коэффициентом типо­вой мощности kТИП. Типовая мощность трансформатора всегда больше его выходной мощности. Коэффициент kТИП >1. Он зависит от схемы вентильного устройства. От­сюда следует, что при одной и той же выходной мощности габариты и масса трансформатора для вентильных уст­ройств всегда больше габаритов и массы трансформатора, работающего при синусоидальных токах в его обмотках.

Вторая особенность работы трансформатора с вентиль­ным устройством состоит в том, что при некоторых схемах этих устройств нарушается равновесие МДС первичной и вторичной обмоток, расположенных на одном стержне. Вследствие этого в трансформаторе создается постоянный магнитный поток, подмагничивающий магнитопровод в не­изменном направлении и увеличивающий его насыщение. Во избежание сильного насыщения сечение магнитопровода приходится увеличивать, что приводит к увеличению массы трансформатора.

Описанные особенности работы трансформатора рас­смотрим на примере простейшей однополупериодной схемы выпрямления (рис. 11.10). В схеме рис. 11.10 при чисто ак­тивной нагрузке ток во вторичной обмотке трансформато­ра протекает в течение одного полупериода (рис. 11.11, а) и имеет пульсирующий характер. Этот ток можно предста­вить в виде двух составляющих: постоянной Id и перемен­ной i=(i2—Id). В первичную обмотку трансформируется только переменная составляющая тока вторичной обмот­ки (рис. 11.11, б):

Вследствие этого сумма МДС первичной и вторичной обмоток не будет равна нулю:

Рис. 11.10. Схема выпрямительно­го однополупериодного устройства с однофазным трансформатором

Ток Id является постоянным и будет создавать неиз­менный во времени дополнительный поток, подмагничива­ющий сердечник трансформатора. Такой недостаток при­сущ и другим схемам с однополупериодным выпрямле­нием.

Среднее значение выпрямленного напряжения в рас­сматриваемой схеме

где , откуда

Среднее значение выпрямленного тока

 

Рис. 11.11. График изменения тока в обмотках однофазного трансфор­матора в выпрямительном устройстве: о — во вторичной обмотке; б — в первичной обмотке

Действующие значения токов вторичной и первичной обмоток

Расчетные мощности обмоток

Типовая мощность

Выходная мощность

Коэффициент типовой мощности

Присущие однополупериодным схемам выпрямления недостатки — появление дополнительного подмагничивающего потока, плохое использование трансформатора, а для однофазной схемы, кроме того, и повышенные пульсации выпрямленного напряжения — ограничивают их примене­ние. Они используются главным образом в выпрямителях небольшой мощности.

Лучшие условия работы трансформатора наблюдаются в двухполупериодных схемах выпрямления, когда ток в его вторичной обмотке протекает в течение обоих полуперио­дов. В этих схемах неуравновешенные МДС не возникают.

Улучшить работу трехфазной однополупериодной схе­мы выпрямления можно путем применения для вторичной обмотки трансформатора схемы соединения зигзаг с вы­веденной нулевой точкой. Так как в этой схеме на каждом стержне располагаются две встречно включенные катуш­ки, то их потоки, возникающие при прохождении по ним постоянного тока Id, будут взаимно компенсироваться. Вследствие этого не будет происходить подмагничивания магнитопровода дополнительным потоком.

Контрольные вопросы

1. Как работает и как устроен трансформатор?

2. Какие применяются схемы и группы соединения для обмоток трехфазного трансформатора. Что характеризует группа соединения?

3. Как зависят возникающие при намагничивании трехфазного тран­сформатора ток и магнитный поток 3-й гармоники от схемы соединения его обмоток?

4. Какой вид имеет схема замещения трансформатора и ее назна­чение. Какой физический смысл имеют ее параметры?

5. Почему в трансформаторе при изменении тока вторичной обмотки происходит изменение и тока в первичной обмотке?

6. При каком cosφ2 напряжение вторичной обмотки будет оста­ваться постоянным при изменении тока в этой обмотке?

7. Как можно регулировать напряжение вторичной обмотки транс­форматора?

8. Какие условия и почему необходимо их выполнять при включе­нии трансформаторов на параллельную работу?

9. Какие преимущества и недостатки имеет автотрансформатор по сравнению с трансформатором?

10. Когда возникают магнитные потоки нулевой последовательно­сти? Какое влияние они оказывают на работу трансформатора?