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, S т – 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 U 1 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 Ф д, 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 Ф д 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 Ф д 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».