Трансформаторы для выпрямительных установок
В цепи вторичных обмоток трансформаторов, работающих на выпрямительные установки, включены электрические вентили, пропускающие ток только в одном направлении.
Работа трансформатора совместно с вентильными устройствами имеет свои особенности:
1) форма кривых токов в обмотках несинусоидальная,
2) при некоторых схемах выпрямления имеет место дополнительное подмагничивание сердечника трансформатора,
Возникновение высших гармонических в кривых токов происходит по следующим причинам:
1) вентили, включенные в цепи отдельных фаз вторичной обмотки, пропускают ток только в течение части периода,
2) на стороне постоянного тока преобразователя обычно включают сглаживающий дроссель значительной индуктивности, при котором токи в обмотках трансформатора имеют форму, близкую к прямоугольной.
Высшие гармонические токов вызывают дополнительные потери в обмотках и магнитопроводе, поэтому во избежание перегрева вынуждены увеличивать габаритные размеры и массу трансформаторов в схемах выпрямления.
Дополнительное подмагничивание сердечника трансформатора имеет место при использовании однополупериодных схем выпрямления.
В однофазной однополупериодной схеме выпрямления ток вторичной обмотки i 2 пульсирующий и имеет две составляющие: постоянную i д и переменную i пер:
Постоянная составляющая зависит от значений выпрямленного напряжения U д и нагрузки Zn .
Действующее значение ее определяется из выражения:
Таким образом, уравнение равновесия магнитодвижущих сил можно записать в следующем виде:
i1W1 + i д W 2 + i пер W2 = i0W1
В этом выражении все составляющие являются переменными величинами кроме i д W 2. А это означает, что последняя не может трансформироваться в первичную обмотку (трансформатор на постоянном токе не работает) и, следовательно, не может быть уравновешена. Поэтому МДС i д W 2 создает в магнитопроводе дополнительный магнитный поток, который называют потоком вынужденного намагничивания . Для того чтобы этот поток не вызвал недопустимого насыщения магнитной системы, увеличивают размеры магнитопровода.
Для компенсации вынужденного намагничивания в однополупериодных схемах выпрямления используют схему соединения обмоток Y / Z н или компенсационные обмотки. Принцип компенсации потоков вынужденного намагничивания аналогичен компенсации потоков нулевой последовательности.
Следует отметить, что в двухполупериодных схемах выпрямления, когда ток во вторичной цепи создается в течение обоих полупериодов, дополнительного потока вынужденного намагничивания не возникает.
Таким образом, из-за наличия высших гармонических токов и потока вынужденного намагничивания трансформаторы в выпрямительных установках имеют размеры большие, чем обычные трансформаторы, и, следовательно, большую стоимость. В связи с тем, что первичный и вторичный токи трансформатора неодинаковы, неодинаковы и расчетные мощности обмоток. Поэтому вводится понятие типовой мощности S тип:
где S1 н и S2 н — номинальные мощности первичной и вторичной обмоток, кВ-А.
Так как выходная мощность Рд: Рд = U д I д не равна типовой, использование трансформатора характеризуется также коэффициентом типовой мощности Ктип:
Типовая мощность трансформатора всегда больше его выходной I 2 > I д и U 2 > U д
Отношение U 2 /U д = К u называется коэффициентом выпрямления. При выборе схемы выпрямления необходимо знать значения Ки и Ктип. В таблице приведены их значения для наиболее распространенных схем выпрямления.
| Схемы выпрямления | Ku | Ктип |
| Однофазная однополупериодная | 2,22 | 3,09 |
| Однофазная двухполупериодная мостовая | 1,11 | 1,23 |
| Однофазная двухполупериодная с нулевым выводом | 1,11 | 1,48 |
| Трехфазная однополупериодная | 0,855 | 1,345 |
| Трехфазная двухполупериодная | 0,427 | 1,05 |
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
Трансформаторы для выпрямительных установок
Во вторичные обмотки этих трансформаторов включены вентили — устройства, обладающие односторонней проводимостью.
Рассмотрим работу однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления (рис. 5.3, а). Ток во вторичной обмотке этого трансформатора i2 является пульсирующим, так как он создается только положительными полуволнами вторичного напряжения U2 (рис. 5.3, б). Этот пульсирующий ток имеет две составляющие: постоянную
(5.2)
(5.3)
Пренебрегая током х.х. и учитывая (5.3), уравнение МДС рассматриваемого трансформатора можно записать в виде
(5.4)
Рис. 5.3. Трансформатор в схеме выпрямления
В первичную обмотку трансформируется лишь переменная составляющая вторичного тока (5.3), поэтому МДС Idw2 остается неуравновешенной и создает в магнитопроводе трансформатора постоянный магнитный поток Фd, называемый потоком вынужденного намагничивания. Этот поток вызывает дополнительное магнитное насыщение элементов магнитопровода; для того чтобы это насыщение не превышало допустимого значения, необходимо увеличить сечение сердечников и ярм. Эта мера приводит к увеличению расхода стали и меди, т. е. ведет к повышению габаритов, веса и стоимости трансформатора. Этот недостаток однофазной однополупериодной схемы распространяется и на трехфазную однополупериодную схему при соединении вторичной обмотки трансформатора по схеме «звезда—звезда с нулевым выводом» (рис. 5.3, в). В этом случае магнитный поток вынужденного намагничивания Фd значительно меньше, так как, действуя одновременно во всех трех стержнях магнитопровода, он замыкается вне магнитопровода — через медь, воздух, стенки бака — аналогично третьим гармоникам основного магнитного потока (см. рис. 1.26). Однофазную однополупериодную схему применяют лишь для маломощных выпрямителей, что объясняется не только недостатком, вызванным наличием потока Фd, но и значительными пульсациями выпрямленного тока. Трехфазная однополупериодная схема соединения вторичной обмотки в звезду с нулевым выводом также ограничивается выпрямителями небольшой мощности. Если же вторичную обмотку соединить в равноплечий зигзаг с нулевым выводом (см. рис. 1.22), то недостатки однополупериодной схемы выпрямления, обусловленные возникновением потока Фd, устраняются. Объясняется это тем, что при соединении в равноплечий зигзаг (см. § 1.8) на каждом стержне оказываются две вторичные катушки со встречным соединением. При трехфазной однополупериодной схеме ток Id проходя по всем фазам вторичной обмотки, создает в каждом стержне два потока Фd/2, но так как эти потоки направлены в разные стороны, то они взаимно уравновешиваются. Это достоинство схемы соединения обмоток в зигзаг позволяет применять трехфазную однополупериодную схему при значительных мощностях.
В двухполупериодных схемах, когда ток во вторичной цепи трансформатора создается в течение обоих полупериодов, условия работы трансформатора оказываются намного лучше и неуравновешенной МДС не возникает.
Другим обстоятельством, нежелательно влияющим на работу трансформаторов в схемах выпрямления, является несинусоидальная форма токов в обмотках. В результате в первичной и вторичной обмотках появляются токи высших гармоник, ухудшающие эксплуатационные показатели трансформатора, в частности снижающие его КПД.
Количественно влияние различных причин на работу трансформаторов в схемах выпрямления зависит от ряда факторов: схем выпрямления, наличия сглаживающего фильтра, характера нагрузки.
В связи с тем что первичный и вторичный токи трансформаторов имеют разные действующие значения (из-за их несинусоидальности), расчетные мощности первичной и вторичной обмоток одного и того же трансформатора неодинаковы (S1ном ≠ S2ном). Поэтому для оценки мощности трансформатора, работающего в выпрямительной схеме, вводятся понятия типовой мощности
(5.5)
и коэффициента типовой мощности
(5.6)
где выходная мощность, т. е. мощность, поступающая в потребитель постоянного тока,
(5.7)‘
в номинальном режиме (при номинальных напряжениях Udном и токе Id ном).
Типовая мощность трансформатора всегда больше его выходной мощности, т.е. kт>1. Объясняется это тем, что при любой схеме выпрямления U2 > Ud и I2>Id
Из этого следует, что габариты и вес трансформаторов для выпрямителей всегда больше, чем у трансформаторов такой же выходной мощности, но при синусоидальных токах в обмотках. Это объясняется тем, что в трансформаторах, работающих в выпрямительных схемах, полезная мощность определяется постоянной составляющей вторичного тока Id а нагрев обмоток — полным вторичным I2 и первичным I1 токами, содержащими высшие гармонические.
При выборе трансформатора для выпрямительной установки или же при его проектировании необходимо знать значение коэффициента kТ.
Значение переменного напряжения на выходе вторичной обмотки трансформатора, необходимого для получения заданного номинального значения постоянного напряжения Udном, определяется выражением
(5.8)
где kU— коэффициент напряжения.
Значения коэффициентов напряжения ku и типовой мощности kт для некоторых наиболее распространенных схем выпрямления приведены ниже.
| Схемы выпрямляния | kU | kT |
| Однофазная однополупериодная Однофазная двухполупериодная мостовая Однофазная двухполупериодная с нулевым выводом Трехфазная с нулевым выводом Трехфазная мостовая | 2,22 1,11 1,11 0,855 0,427 | 3,09 1,23 1,48 1,345 1,05 |
Сравнение различных схем выпрямления показывает, что лучшее использование трансформатора обеспечивается в мостовых схемах выпрямления, для которых коэффициент kT имеет минимальные значения.
Источник
Эксплуатация электропитающих установок связи — Трансформаторы выпрямительных устройств
Содержание материала
УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА
Трансформатор представляет собой электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию переменного тока, имеющую другие параметры.
Любое выпрямительное устройство имеет трансформатор (силовой и вспомогательные), основное назначение которого — преобразование переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины. Вспомогательные трансформаторы выпрямительных устройств предназначены для питания цепей зашиты, автоматики и сигнализации.
Трансформаторы делятся на две основные группы: однофазные, питающиеся от сети однофазного переменного тока, н трехфазные, питающиеся от сети трехфазного переменного тока. Устройство однофазного трансформатора показано на рис. 1.8а, а трехфазного — на рис. 1.8б.
Рис. 1.8. Устройство трансформатора: а — однофазного; б— трехфазного.
Трансформаторы очень различны по своей конструкции. Основными элементами трансформатора являются: замкнутый стальной сердечник (магнитопровод); обмотки и детали, служащие для крепления магнитопровода и катушек с обмотками и установки трансформатора в выпрямительное устройство. Магнитопровод предназначен для создания замкнутого пути для магнитного потока. Части магнитопровода, на которых размещены обмотки, называются стержнями, а части, на которых отсутствуют обмотки и которые служат для замыкания магнитного потока в магнитопроводе — ярмом (см. рис. 1.8). Материалом для магнитопровода трансформатора служит листовая электротехническая сталь, (трансформаторная сталь). Эта сталь бывает различных марок, толщины, горячей и холодной прокатки. Холоднокатаная сталь отличается от горячекатаной меньшими потерями и более высокой магнитной проницаемостью.
У холоднокатаной стали в зависимости от направления проката магнитная проницаемость различна. По направлению проката (вдоль) холоднокатаная сталь имеет значительно большую магнитную проницаемость, чем горячекатаная сталь. В направлении, перпендикулярном направлению проката, магнитная проницаемость холоднокатаной стали низкая. В связи с этим магнитопроводы из холоднокатаной трансформаторной стали выполняют так, чтобы магнитный поток замыкался вдоль проката.
Магнитопроводы трансформаторов в зависимости от технологии изготовления бывают пластинчатыми и ленточными. Пластинчатые магнитопроводы собирают из отдельных штампованных пластин. Каждая пластина изолирована с одной стороны лаком или оксидной пленкой для уменьшения потерь на вихревые токи. Ленточные магнитопроводы изготовляют из ленты, выполненной из холоднокатаной стали, предварительно покрытой специальными изолирующими и склеивающими составами. Они имеют более высокую магнитную проницаемость, т. е. работают на более высокой индукции, что уменьшает массу трансформатора и снижает его стоимость. В зависимости от типа исполнения магнитопровода трансформаторы бывают стержневые, броневые и кольцевые (рис. 1.9). 
Рис. 1.9. Конструкция трансформаторов: а — стержневого пластинчатого; б — броневого пластинчатого; в — кольцевого пластинчатого; г — стержневого ленточного; д — броневого ленточного; е — кольцевого ленточного
Стержневые пластинчатые магнитопроводы, называемые еще и П-образными (рис. 1.9а), собирают из прямоугольных пластин. Пластины магнитопровода собирают в перекрышку, т. е. чередуют так, чтобы места стыков перекрывались пластинами следующего ряда. При такой сборке получаются меньшие зазоры между стержнями и ярмами, уменьшаются магнитное сопротивление магнитопровода и ток холостого хода трансформатора. Такая сборка трудоемка, при такой сборке затрудняется демонтаж трансформатора.
Броневые пластинчатые магнитопроводы (рис. 1.9б), называемые еще и Ш-образными, собирают также в перекрышку, при этом в каждом ряду помещают пластины двух типов — одну Ш-образную и одну прямоугольную.
Кольцевые пластинчатые магнитопроводы (рис. 1.9в), называемые еще и О-образными, собирают из отдельных штампованных колец.
Стержневые и броневые ленточные магнитопроводы (рис. 1.9г, д) собирают встык нз отдельных сердечников подковообразной формы. Для получения возможно меньшего магнитного сопротивления в местах стыка сердечников их торцевые поверхности шлифуют. При сборке встык легко осуществить монтаж и демонтаж трансформатора. Кольцевые ленточные магнитопроводы (рис. 1.9е) изготавливают путем навивки ленты определенной ширины на отправку. Эти магнитопроводы не разрезают, для намотки обмотки применяют специальные намоточные станки челночного типа.
Каждый трансформатор имеет не менее двух обмоток — первичную и вторичную. Первичной называется обмотка, к которой подводится электрическая энергия, вторичной — к которой подключается потребитель. Конструктивно обмотки трансформатора выполняют так, чтобы на каждом стержне в зависимости от типа трансформатора размешалась вся или половина первичной и вторичной обмоток.
Рис. 1.10. Формы сечений стержней:
а — прямоугольная; б — двухступенчатая; в — трехступенчатая
В качестве обмоток трансформаторов используют провода круглого или прямоугольного сечении из меди или алюминия, покрытые изоляцией. У трансформаторов малой мощности провода наматывают на каркас, у трансформаторов большой мощности катушку выполняют без каркаса, намотку производят . на гильзе из электрокартона. Каркасы трансформаторов выполняют из изоляционного материала путем штамповки, склеивания и прессования.
Трансформаторы большой мощности обычно выполняются стержневыми. Форма поперечного сечения стержней бывает прямоугольной либо ступенчатой (рис. 1.10). На каждом стержне помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмоток, соединенных между собой последовательно так, чтобы намагничивающие силы этих половин совпадали по направлениям, а напряжения на этих полуобмотках складывались.
К достоинствам стержневого трансформатора относятся: большая поверхность охлаждения обмоток, небольшая индуктивность рассеяния, так как на каждой катушке размещена половина витков и тем самым уменьшена толщина намотки, меньший расход обмоточной меди, так как с уменьшением толщины намотки уменьшена и средняя длина витка.
Трансформаторы малой мощности обычно выполняют броневыми. В трансформаторе такого типа первичная и вторичная обмотки помещаются на среднем стержне, т. е. в этом трансформаторе обмотки охватываются (бронируются) ярмом. Магнитный поток при этом разветвляется на правую и левую части. Магнитный поток любой из фаз замыкается через стержни, на которых расположены обмотки двух других фаз.
В трансформаторе со связанной магнитной системой всегда имеется асимметрия токов холостого хода, так как длина магнитного потока через крайние стержни больше длины магнитного потока через средние стержни, т. е. намагничивающие токи, необходимые для создания магнитных потоков в крайних стержнях, будут больше намагничивающего тока среднего стержня. Магнитопровод трехфазного трансформатора имеет меньшую массу н меньшие габаритные размеры, чем имели бы магнитопроводы трех однофазных трансформаторов.
Первичные и вторичные обмотки трехфазного трансформатора могут быть соединены в звезду или треугольник (рис. 1.11). Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов в звезду или треугольник соответственно обозначаются знаками λ и Δ.
Источник
