§ 8.8. Расчет трансформаторов для питания ртутных выпрямителей

В отдельных отраслях техники и народного хозяйства электроснабжение должно осуществляться постоянным током, так как переменный ток по некоторым причинам оказывается непригодным. Постоянный ток необходим на транспорте — для питания тяговых электродвигателей, требующих регулирования числа оборотов, для разного рода электрохимических процессов — электролизные ванны, зарядка аккумуляторов и т. д.

Постоянный ток для промышленных целей получают при помощи выпрямления переменного тока, применяя ртутные выпрямители, в которых используется вентильное свойство электрической дуги, горящей в вакууме. Для получения вентильного свойства дуги создают особые условия для ее горения. В последнее время получили распространение также твердые кремниевые полупроводниковые выпрямители.

Таким образом, для получения постоянного тока прибегают к преобразованию трехфазного переменного тока в так называемый выпрямленный, т. е. постоянный пульсирующий ток, который в дальнейшем при помощи фильтров может быть превращен в почти идеальный постоянный ток.

Благодаря вентильному действию ртутного выпрямителя ток в какой-либо фазе вторичной обмотки течет лишь в течение части периода (через тот анод выпрямителя, напряжение на котором в данный момент выше), поэтому условия работы первичной и вторичной обмоток выпрямительного трансформатора и их расчетные мощности неодинаковы. Типовая мощность Рт выпрямительного трансформатора определяется как полусумма мощностей Р1 и Р2 первичной и вторичной обмоток, т. е.

Р_т=(Р₁+Р₂)/2.

Между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора существуют определенные соотношения, которые зависят от числа фаз и схемы включения выпрямителя.

§ 8.9. Одно- и многофазные схемы выпрямления переменного тока при помощи ртутного выпрямителя и питающего его трансформатора

Однофазная двухполупериодная схема. Вторичная обмотка трансформатора имеет выведенную среднюю точку, являющуюся минусом выпрямленного напряжения Цв. Концы вторичной обмотки подведены

к анодам выпрямителя, катод которого является плюсом выпрямленного напряжения (рис. 8.9, а).

Рис. 8.9. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления переменного тока:

а — принципиальная схема; 6 — графики напряжений

В этой схеме обе половины вторичной обмотки работают по очереди, по одному полупериоду каждая. Это легко проверить по схеме, учитывая, что в выпрямителе ток может идти только от анода к катоду. Если, например, в какой-то момент напряжение вторичной обмотки направлено вверх, то ток пойдет лишь через правый анод выпрямителя и далее через цепь нагрузки вернется в обмотку. Тока в нижней половине обмотки не будет, так как цепь будет заперта левым анодом. В следующий полупериод картина изменится на обратную. Ток будет идти только по нижней половине обмотки.

В результате во внешней нагрузочной цепи будет течь ток только одного направления, т. е. будет иметь место выпрямленный или постоянный пульсирующий ток (рис. 8.9, б).

Трехфазная схема выпрямления при соединении обмоток трансформатора треугольник — звезда с выведенной нулевой точкой.

Рис. 8.10. Трёхфазная схема выпрямления переменного тока:

а — принципиальная схема; 6 — графики напряжений

В трёх фазной схеме выпрямления линейные вводы вторичной обмотки подведены к трем анодам выпрямителя, а нулевая точка является минусом выпрямленного напряжения (рис. 8.10, а).

В этой схеме, как и в прочих многофазных схемах, дуга в выпрямителе горит только у анода, имеющего наибольший положительный потенциал, и таким образом каждые 1/3 периода дуга, а следовательно, и ток переходят с одного анода на другой. Благодаря этому аноды, а также и фазы вторичной обмотки трансформатора работают по очереди.

Отсюда вытекает требование, чтобы схема трансформатора допускала однофазную нагрузку. Этому требованию удовлетворяют схемы ; ; .

Кривая выпрямленного напряжения при трехфазной схеме имеет меньшую пульсацию, чем при двухполупериодной схеме. Если при двухполупериодной схеме напряжение периодически падает до нуля, то в трехфазной схеме минимальное значение выпрямленного напряжения составляет 0,5 от его амплитуды (см. рис. 8.10, б). Следовательно, трехфазная схема выпрямления дает более ровную кривую выпрямленного напряжения.

Таким образом можно уже прийти к выводу, что дальнейшее увеличение числа фаз на вторичной стороне трансформатора даст еще более благоприятную кривую выпрямленного напряжения. Поэтому большое распространение получили шестифазные схемы выпрямления.

Рис. 8.11. Шестифазная схема выпрямления переменного тока «звезда—двойной зигзаг с выведенной нулевой точкой»:

а — принципиальная схема; б — кривая выпрямленного напряжения

Шестифазная схема выпрямления звезда — двойной зигзаг с выведенной нулевой точкой. В трехфазном трансформаторе можно получить на вторичной стороне шестифазную обмотку. Одной из таких схем для вторичной обмотки является схема двойной зигзаг, изображенная на рис. 8.11, а.

На каждом стержне магнитопровода трехфазного трансформатора, на стороне вторичного напряжения, расположены три катушки. Все катушки имеют одинаковое число витков (равноплечий зигзаг). Катушки, составляющие по схеме внутреннюю звезду, имеют относительно катушек внешних ветвей в раз большее сечение провода. Это объясняется разной длительностью прохождения вторичного тока по катушкам: по ветвям внутренней звезды ток идет в течение 1/3 периода, а по внешним ветвям — только 1/6 периода.

Буквенная часть обозначения концов обмоток соответствует фазе трансформатора, т. е. стержню магнитопровода, на котором располо жена обмотка, а цифровой индекс соответствует порядковому номеру анода согласно чередности их работы.

На рис. 8.11, б изображена кривая выпрямленного напряжения при шестифазной схеме.

С первичной стороны допустимы схемы как звезда, так и треугольник, так как в любой момент со вторичной стороны нагружены две какие-либо фазы, и поэтому перекос фаз не возникает.

Шестифазная схема выпрямления треугольник — две обратные звезды с выведенными нулевыми точками.

Рис. 8.12. Шестифазная схема выпрямления переменного тока треугольник – две обратные звезды с выведенными нулевыми точками:

а-принципиальная схема, б-векторная диаграмма

Другой шестифазной схемой вторичной обмотки является схема две обратные звезды (рис. 8.12, а). На каждом стержне (фазе) магнитопровода расположены две одинаковые вторичные обмотки, причем одна из них входит в схему прямой звезды, а другая — в схему обратной, т. е. повернутой относительно прямой звезды на 180°, или на 6 условных угловых единиц. Это достигается или разным направлением намотки вторичных обмоток или изменением маркировки концов одной из них.

Таким образом, как это можно видеть на векторной диаграмме (рис. 8.12, б), совмещением двух вторичных обмоток, соединенных по схеме двух обратных звезд, можно получить шестифазную схему

Так как в любой момент при работе выпрямителя нагружена лишь одна какая-либо фаза, то первичная обмотка должна быть соединена в треугольник во избежание перекоса фаз и повышения вследствие этого реактивного падения напряжения.

Шестифазная схема с двумя обратными звездами обычно имеет еще уравнительный реактор, включенный между нулевыми точками

Рис. 8.13. Включение уравнительного реактора между нулевыми точками двух вторичных обмоток

обеих звезд (рис. 8.13). Назначение уравнительного реактора — получить некоторое перекрытие анодов, что дает более благоприятную кривую выпрямленного тока и увеличение мощности установки. Наличие индуктивности в цепи анода задерживает затухание дуги в момент ее перехода на следующий анод, а ток падает до нуля постепенно. Таким образом, в течение некоторого времени горят два анода.

Шестифазная схема с двумя обратными звездами и уравнительным реактором является наиболее употребительной для мощных выпрямителей.