§ 2.23. ТРАНСФОРМАТОРЫ ДЛЯ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

При использовании трансформаторов в вентильных преобразователях в цепи их вторичных обмоток 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. Это обстоятельство вызывает ряд неблагоприятных последствий, основные из которых — наличие в кривых первичного I1 и вторичного I2 токов значительных высших гармонических и дополнительное подмагничивание сердечника при некоторых схемах выпрямления.

Схемы соединения обмоток. В рассматриваемых трансформаторах различают сетевую обмотку, подключаемую к питающей сети, и вентильную обмотку, к которой подключают вентили преобразователя.

Обычно сетевые обмотки трехфазных трансформаторов соединяют по схеме У или Д. Вентильные обмотки соединяют так, чтобы обеспечить преобразование одно- или трехфазного тока в многофазный с числом фаз, необходимым для соответствующей схемы преобразователя. При увеличении числа фаз преобразователя резко уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения.

Таблица 2.11

№ схемы	Схема	Схема соединения вентильной обмотки в векторном изображении	Степень сглаживания тока	Ud0/U20	I2/Id	I1/Id	ST/Pdном
1	Однофазная нулевая		Идеально сглаженный Несгла-женный	0,9	0,707 0,785	1,0 1,11	1,34 1,48
2	Однофазная мостовая		Идеально сглаженный Несгла-женный	0,9	1,0 1,11	1,0 1,11	1,11 1,23
3	Трехфазная нулевая ("трехфазный зигзаг")		Идеально сглаженный Несгла-женный	1,17	0,577 0,587	0,471 0,481	1,34/1,46** 1,37/1,48**
4	Трехфазная мостовая		Идеально сглаженный	2,34* 1,35	0,816* 0,471	0,816* 0,471	1,05
5	Две обратные звезды с уравнительным реактором		То же	1,17	0,289	0,408	1,26
6	Двенадцати-фазная мостовая		То же	4,68	0,816*** 0,471	1,57	1,02

---

* В числителе - при соединении вентильной обмотки по схеме У, в знаменателе - при соединении ее по схеме Д.

** В числителе - при соединении вентильной обмотки по схеме Ун, в знаменателе - при соединении ее по схеме ZH.

*** В числителе - для вентильной обмотки, соединенной У, в знаменателе — для обмотки, соединенной Д

---

В табл. 2.11 приведены схемы соединения вентильных обмоток в векторном изображении при различных схемах включения вентилей. Так, например, в схеме № 1 вентильная обмотка имеет три вывода: от начал 1 и 2 и от средней точки 0 (нулевой вывод). Поэтому она преобразует однофазный ток в двухфазный со сдвигом по фазе между вторичными напряжениями, равный 180°. В схеме № 5 вентильная обмотка подразделена на две обратные звезды (1-3-5 и 2-4-6) и преобразует трехфазный ток в шестифазный со сдвигом по фазе между вторичными напряжениями, рав­ный 60°. Уравнительный реактор, включенный между нуле­выми точками двух звезд вентильной обмотки, обеспечивает возможность параллельной работы двух соседних фаз этой обмотки, при сдвиге индуцируемых в них ЭДС на 60°. Этим достигается лучшее использование трансформатора. В схеме № 6 трехфазный ток также преобразуется в шестифазный, но если к двум частям вентильной обмотки 1-3-5 и 2-4-6 под­ключить два трехфазных вентильных моста и соединить их последовательно, то выпрямленное напряжение по кратности пульсаций будет соответствовать 12-фазной системе вторичных напряжений. В этой схеме фазное напряжение обмотки, соединенной по схеме Д, должно быть в √3 раз больше, чем у обмотки, соединенной по схеме У.

В табл. 2.11 указаны также основные соотношения электрических параметров для приведенных схем; при этом приняты следующие обозначения: Ud0 — среднее значение напряжения между положительным и отрицательным выводами преобразователя при холостом ходе без учета падения напряжения в выпрямителе и тока холостого хода в схеме с уравнительным реактором; U20 — действующее значение напряжения в фазе вентильной обмотки при холостом ходе; I2 и I1 — действующие значения тока в фазах вентильной и сетевой обмоток (значение тока I1 указано при коэффициенте трансформации k = 1); Id — среднее значение тока на стороне постоянного тока преобразователя; ST — типовая мощность, трансформатора; Pdном — номинальная мощность на стороне постоянного тока преобразователя.

Типовая мощность трансформатора. В трансформаторах, предназначенных для вентильных преобразователей, по первичной и вторичной обмоткам проходят несинусоидальные токи, содержащие ряд высших гармонических. Это происходит 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 I1 и I2 имеют разные действующие значения, вследствие чего расчетные мощности первичной S1 ном и вторичной S2 ном обмоток неодинаковы. Поэтому вводится понятие типовой мощности трансформатора вентильного преобразователя

Sт = 0,5(S1ном + S2ном)                                          (2.116)

и коэффициент типовой мощности

kт= Sт/Pdном,                                                   (2.117)

где Pdном = Udном Idном - мощность, потребляемая на стороне постоянного тока преобразователя (выходная мощность). Здесь Idном и Udном - номинальные значения тока и напряжения на стороне постоянного тока.

Типовая мощность вентильного трансформатора Sт больше его выходной мощности Pdном при номинальной нагрузке. Поэтому габаритные размеры и масса таких трансформаторов всегда больше, чем у трансформаторов той же номинальной мощности Sном = тU2номI2ном, но работающих при синусоидальном токе. Физически это объясняется тем, что нагрев обмоток трансформатора определяют действующие значения токов I1 и I2, которые в данном случае содержат ряд высших гармонических. При работе трансформатора в цепи синусоидального тока высших гармонических нет, нагрев трансформатора при той же выходной мощности меньше, а поэтому его можно выполнить с меньшими габаритными размерами и массой.

Каждой схеме включения вентилей и характеру нагрузки (активная, активноиндуктивная), определяющему форму выпрямленного тока, соответствует определенное значение типовой мощности Sт. Для примера определим величину Sт для однофазной схемы выпрямления с нулевым выводом трансформатора (рис. 2.74) при идеализированных условиях работы преобразователя (полностью сглаженном выпрямленном токе Id, мгновенном переходе тока с одного вентиля на другой, отсутствии индуктивностей X1 и Х2 трансформатора и потерь энергии в нем). Полные мощности вторичной и первичной обмоток равны:

S1ном =U1номI1ном = [π/(2√2)]kUdном Idном/k= 1,11Pdном;

S2ном = 2U2ном I2ном = [2π/(2√2)] Udном Idном/√2= 1,57Pdном,

где соотношения Ud /U2 = Ud /U20, I2/Id и I1/Id берутся из табл. 2.11.

Рис. 2.74. Однофазная нулевая схема выпрямления (с) и графики изменения токов в сетевой и вентильной обмотках трансформатора (б)

Таким образом, типовая мощность трансформатора

St = 0,5(S1ном  + S2ном ) = 0,5(1,11 + 1,57)Pdном= l,34Pdном,            (2.118)

а коэффициент типовой мощности kт= 1,34.

При однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 2.75) имеем:

S1ном = U1ном I1ном =[π/(2√2)] kUdном (Idном/k) = 1,11Pdном

S2ном = U2ном I2ном =[π/(2√2)] Udном 1dном = 1,11Pdном

В результате типовая мощность трансформатора Sт = 1,11Pdном, a коэффициент типовой мощности kт = 1,11.

Следовательно, при мостовой схеме выпрямления трансформатор используется лучше, чем при схеме с нулевым выводом.

Аналогично можно определить коэффициенты типовой мощности трансформаторов для других схем выпрямления. Их значения для указанных идеализированных условий приведены в табл. 2.11.

Рис. 2.75. Однофазная мостовая схема выпрямления (о) и графики изменения токов в сетевой и вентильной обмотках трансформатора (б)

 

При работе преобразователя на чисто активную нагрузку токи вентильной и сетевой обмоток имеют кусочно-синусоидальную форму (т. е. представляют собой части синусоиды), вследствие чего при одинаковом значении тока 1d их действующие значения больше, чем при идеально сглаженном выпрямленном токе. В результате типовая мощность трансформатора также больше.

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

kт = kт.о/cos αном,

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

Подмагничивание сердечника трансформатора. При нулевых схемах выпрямления (одно-, трех- и шестифазной) нарушается равновесие МДС в фазах сетевой и вентильной обмоток, расположенных на общем стержне трансформатора, вследствие чего происходит дополнительное подмагничивание его магнитной системы. Эти схемы называют однотактными, так как при работе преобразователя ток по каждой фазе вентильной обмотки проходит только в одном направлении. Дополнительное подмагничивание магнитопровода трансформатора возникает также и при применении однополупериодной схемы выпрямления.

Рассмотрим более подробно это явление на примере трехфазной нулевой схемы (рис. 2.76, а), работающей при указанных идеализированных условиях. В этом случае через три фазы вентильной обмотки трансформатора в течение каждой трети периода поочередно проходят токи i2a, i2b и i2c прямоугольной формы (рис. 2.76,6), мгновенное значение которых равно Id. По первичной обмотке трансформатора также проходят токи ilA, ilBи ilC прямоугольной формы. Однако распределение этих токов по отдельным фазам неравномерно.

Рис. 2.76. Трехфазная нулевая схема выпрямления (в) и графики изменения токов в сетевой и вентильной обмотках (б)

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 можно определить, исходя из первого закона Кирхгофа для электрических цепей:

ilA + ilB + ilC = 0,                                                  (2.119)

а также из условий равновесия МДС для замкнутых магнитных контуров, один из которых охватывает стержни 1, 2 трансформатора:

ilAw1 - i2Aw2 - ilBw1 = 0,                                        (2.120)

а другой — стержни 2 и 3:

ilBw1 - ilCw1 = 0.                                                    (2.121)

Решая совместно полученные уравнения, получаем для первой трети периода:

i1A = (2/3)i2aw2/w1 = (2/3)Id/k; i1B = - (1/3)i2aw2/w1 = -(1/3)Id/k; i1C = -(1/3)i2aw2/w1 = -(1/3)Id/k.

}

(2.122)

Следовательно, в каждом стержне трансформатора в указанный период времени действует нескомпенсированная МДС, равная i1w1 - i2w2 = - (1/3)Idw2, которая создает дополнительный магнитный поток Фd накладьшающийся на основной поток Ф. Из диаграммы распределения токов по обмоткам (рис. 2.76,6) видно, что в следующие две трети, когда работают вентили В2 и В3, направление и величина потока Фd не изменяются, поскольку относительное распределение тока между первичными и вторичными обмотками сохраняется.

Дополнительный поток Фd называют потоком вынужденного намагничивания. Он проходит через каждый стержень трансформатора и замыкается через воздух и кожух так же, как и третьи гармонические основного потока (см. рис. 2.42). Для того чтобы поток Фd не вызвал недопустимого насыщения магнитной системы, увеличивают общее сечение стержней, что приводит к увеличению массы, габаритных размеров и стоимости трансформатора. Поэтому трехфазную пулевую схему выпрямления применяют лишь в выпрямителях сравнительно небольшой мощности. Обычно в выпрямителях используют только такие схемы включения вентилей, которые обеспечивают нормальное намагничивание сердечника трансформатора и равновесие МДС на каждом стержне. К числу их относятся: мостовые одно- и трехфазная, так как при использовании их ток в каждой фазе вентильной обмотки дважды за период изменяет свое направление. Не возникает потока вынужденного подмагничивания и при соединении вентильной обмотки по схеме «две обратные звезды с уравнительным реактором». При нулевых схемах выпрямления для устранения явления вынужденного подмагничивания вентильную обмотку соединяют по схеме ZH. В этом случае в соединенных в ZH двух частях вентильной обмотки появляются постоянные составляющие МДС, но они в любой момент времени направлены встречно и взаимно компенсируются. Для обеспечения более полной компенсации применяют также симметричное расположение обмоток на стержнях и их транспозицию, в частности, при однофазной нулевой схеме выпрямления.

Регулирование напряжения. В преобразовательных устройствах при регулировании выпрямленного напряжения путем изменения угла регулирования α управляемых вентилей (тиристоров) резко уменьшается коэффициент мощности преобразователя. Поэтому для плавного изменения выпрямленного напряжения обычно применяют комбинированный способ регулирования. При этом осуществляют ступенчатое изменение напряжения, подаваемого на преобразователь от трансформатора, а в пределах каждой ступени плавно изменяют выпрямленное напряжение тиристорами. Применяют два метода плавного регулирования напряжения — регулирование с вентильным переходом и бесконтактное регулирование с несколькими выпрямительными мостами, подключенными к секциям трансформатора.

При регулировании с вентильным переходом напряжение, подаваемое на вентили преобразователя, изменяют путем подключения их к различным выводам вторичной обмотки трансформатора переключателями П1, П2, П3, П4 (рис. 2.77, а); при этом тиристоры служат для плавного регулирования напряжения между ступенями и обеспечивают вентильный переход, т. е. размыкание контактов переключателей без разрыва тока. Для этой цели два плеча выпрямителя, собранного, например, по мостовой схеме, расщеплены и снабжены тиристорами В1, В2, В3, В4.

Регулирование напряжения начинается с включения переклю­чателя П1 при закрытых тиристорах В1 и В3. Напряжение Ud на нагрузке RH равно нулю. Постепенно открывая тиристоры В1 и В3, увеличивают среднее выпрямленное напряже­ние Ud1 на нагрузке, подавая на нее все большую и большую часть напряжения Uc с первой секции трансформатора. Форма выпрямленного напряжения в процессе такого регулирования при некотором значении угла α1 изображена на рис. 2.77,6 в виде заштрихованных площадок. После полного открытия тиристоров В1 и В3 выпрямленное напряжение достигает значения Ud max, соответствующего углу регулирования α1 = 0. Затем включают переключатель П2 и постепенно; открывают тиристоры В2 и В4.

Рис. 2.77. Схемы плавного регулирования напряжения на выходе вентильного преобразователя и кривые изменения этого напряжения в процессе регулирования

В моменты, когда тиристоры В2 и В4 открыты, на выпрямительный мост подается напряжение 2Uc, снимаемое с первых двух секций вторичной обмотки трансформатора, а в моменты, когда эти тиристоры закрыты,— напряжение Uc,снимаемое только с первой секции. При этом к напряжению Ud max добавляется часть напряжения Uc второй секции трансформатора, определяемая углом α2 открытия тиристоров В2 и В4. Выпрямленное напряжение на нагрузке имеет в этом случае форму, показанную в виде заштрихованных площадок на рис. 2.77,в. Так как по мере уменьшения угла α2 возрастает заштрихованная площадь в кривой выпрямленного напряжения, то соответственно увеличивается и среднее выпрямленное напряжение Ud2.

При полном открытии тиристоров В2 и В4 выпрямленное напряжение достигает Ud2max, весь ток проходит через переключатель П2. Далее закрываются тиристоры В1 и В3, размыкается переключатель П1 и замыкается переключатель П3, после чего регулирование производится плавным открытием тиристоров В1 и В3. В моменты, когда открыты тиристоры В1 и В3, на выпрямительный мост подается напряжение 3Uс, снимаемое с первых трех секций трансформатора, а когда они закрыты — напряжение 2Uс, снимаемое с первых двух секций. Форма выпрямленного напряжения при этом имеет вид заштрихованных площадок (рис. 2.77, г). Среднее выпрямленное напряжение Ud3 > Ud2 возрастает по мере умень­шения угла α3.

При бесконтактном регулировании с несколькими выпрямительными мостами к секциям вторичной обмотки трансформатора подключают ряд последовательно соединенных выпрямительных мостов — M1, M2 и М3 (рис. 2.77, д), у которых в двух плечах включены неуправляемые вентили, а в двух других плечах — тиристоры. Для повышения напряжения на нагрузке RН сначала постепенно открывают тиристоры В2 и В3 моста M1 путем плавного изменения их угла регулиро­вания α1. Выпрямленное напряжение Udl при этом изменяется так, как показано на рис. 2.77,6. Ток нагрузки Id проходит от положительного вывода моста M1 (рис. 2.77, д) через неуправляемые вентили В8 и В5 моста М2, вентили В12 и В9 моста М3, нагрузку RH к отрицательному выводу моста M1. После полного открытия тиристоров В2 и В3 моста M1 дальнейшее повышение напряжения на нагрузке RH осуществляется путем изменения угла регулирования α2 тиристоров В6 и В7 моста М2 (рис. 2.77, в). Затем таким же образом постепенно открываются тиристоры В10 и В11 моста М3 (рис. 2.77, д), что приводит к дальнейшему повышению выпрямленного напряжения (рис. 2.77, г). При таком способе регулирования напряжения отпадает необходимость в какойлибо переключающей аппаратуре, что облегчает конструкцию и повышает надежность работы выпрямительной установки.