Zagryadtskiy_elektr_mashiny_1

короткое замыкание, то вторичный ток трансформатора I22 0 , поэтому через реле Р будет протекать ток и оно отключит поврежденный участок.

Вопросы для самоконтроля

1.Что является нагрузкой трансформатора напряжения? Трансформатора тока?

2.Что называется погрешностью напряжения в трансформаторе напряжения? Номинальной токовой погрешностью трансформатора тока?

3.Что называется угловой погрешностью трансформаторов напряжения и тока?

4.Почему в трансформаторе тока имеет место малая величина тока холостого хода?

5.Объясните принцип дифференциальной защиты при использовании трансформаторов тока.

3.5. Трансформаторы для преобразовательных установок

Трансформаторы для преобразовательных установок или преоб-

разовательные трансформаторы предназначены для работы в выпрямительных, инверторных и других установках, преобразующих систему переменных токов в систему постоянного тока и наоборот.

В разнообразных системах тиристорных электроприводов, электротехнологических установках получили широкое распространение однофазные и трехфазные схемы выпрямления с использованием выпрямительных трансформаторов.

Работа трансформатора на нагрузку через выпрямитель отличается от работы трансформатора без выпрямителя. Отличительной особенностью преобразовательного трансформатора является то, что условия работы его первичной и вторичной обмоток неодинаковы.

При увеличении мощности выпрямительной установки свыше нескольких киловатт, используются схемы, питающиеся от трехфазной сети и обеспечивающие режим трехфазного, рис. 3.12, или шестифазного выпрямления. Рассмотрим особенности работы данных схем.

121

В трехфазной схеме с нулевым выводом вторичная обмотка соединена в звезду, а первичная в треугольник. На рис. 3.12, а показаны мгновенные направления токов фаз первичной обмотки I A , I B , IC . В

этот момент вторая и третья фаза вторичной обмотки не работают, однако токи в соответствующих фазах первичной обмотки протекают. Вследствие этого на втором и третьем стержнях трансформатора возникают неуравновешенные (избыточные) МДС. Легко убедиться, что и в первом стержне возникает неуравновешенная МДС. Неуравновешенные МДС создают в стержнях магниторовода трансформатора магнитные потоки вынужденного намагничивания, направленные в одну сторону, которые замыкаются через воздух и стенки бака (наподобие третьих гармонических магнитных потоков в трехфазных трансформаторах). Это приводит к необходимости увеличивать сечение стержней. Вынужденное намагничивание ухудшает условия работы трансформатора: увеличивается ток намагничивания и нагрев первичной обмотки, растут потери в магнитопроводе. Вынужденное намагничивание в трехфазном трансформаторе можно устранить путем соединения вторичной обмотки в зигзаг. Каждый вентиль в такой схеме питается от последовательно соединенных двух половин фазных обмоток, расположенных на различных стержнях трансформатора. Поэтому МДС на каждом стержне уравновешены.

Временные диаграммы напряжения на нагрузке, имеющий индуктивный характер, и токов в вентилях приведены на рис. 3.13.

Действующее значение ЭДС вентильной обмотки равно

Ed 1,17E2ф

Действующее значение тока вентильной обмотки

I2 Id / 3

где I d – среднее значение выпрямленного тока. Действующее значение тока первичной обмотки

I1 2Id / 3k ·

где k – коэффициент трансформации.

В трехфазной мостовой схеме, рис. 3.12, б, вентили 1, 3, 5 подключенные к фазам трансформатора анодами и имеющие общую катодную точку, образуют катодную группу вентилей. Вентили 2, 4, 6 имеют общую анодную точку и образуют анодную группу вентилей. Схема обеспечивает режим шестифазного выпрямления.

122

Мгновенные значения вторичных напряжений трансформатора ua ,uв ,uc показаны на рис. 3.14, а. В каждый момент времени работает

диод первой группы, у которого потенциал анода положителен и диод другой группы, у которого потенциал катода максимальный, но отрицательный.

Рассмотрим момент времени t1, в этом случае положителен потенциал анода диода 1 и максимально отрицателен потенциал катода диода 4. В этот момент включаются оба этих диода, через диод 1 протекает ток i1 , а через диод 4 – ток i4 . В следующий момент времени t2 потенциал анода 1 останется положительным, а потенциал катода диода 6 – отрицательным. Диод 1 останется включенным, теперь включается диод 6, а диод 4 – выключается.

Работу выпрямителя в другие моменты времени характеризуют кривые токов, рис. 3.14, б .

В отрицательный полупериод напряжения U a , т.е. в момент времени t5 к катоду диода 2 приложено максимальное отрицательное напряжение, а к аноду диода 5 – положительное.

Из рис. 3.14, г следует, что ток в фазе а меняет свое направление на противоположное. Следовательно, в фазах вторичной, а также первичной обмоток протекает несинусоидальный ток. Наличие значительных по величине высших гармоник в первичной и вторичной

123

обмотках трансформатора является его отличительной особенностью. Вынужденное намагничивание трансформатора отсутствует.

Рис. 3.14. Мгновенные значения:

а– вторичных напряжений;

б– токов в вентилях;

в– выпрямленных напряжений и токов;

г– токов во вторичных обмотках

трансформатора

Действующее значение токов первичной и вторичной обмоток:

где k – коэффициент трансформации.

124

Типовая (расчетная) мощность S трансформатора

S 1,045Pd

где Pd – мощность выпрямленного тока,

U d и I d – средние значения выпрямленного напряжения и тока.

Шестифазные схемы выпрямления применяются в выпрямителях большой мощности при активно-индуктивной нагрузке. Их преиму-

группы присоединены к фазам одной звезды, а вентили 7,8,9 к фазам другой звезды. Нулевые точки звезд О1 и О2 связаны между собой через однофазный уравнительный реактор с ферромагнитным сердечником. Средняя точка обмотки реактора О является отрицательным полюсом цепи нагрузки, точка р – положительным. Назначение реактора сводится к выравниванию мгновенных значений напряжений, подаваемых на аноды выпрямителей, подключенных к обмоткам 2 и 3.

Расчетные мощности сетевой и вентильной обмоток равны:

125

Расчетная мощность уравнительного реактора

S y 0,071Pd ·

Схему с уравнительным реактором применяют в преобразовательных агрегатах с относительно низким выпрямленным напряжением и большим током, поскольку ток нагрузки протекает через два вентиля параллельно.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему в трехфазных трансформаторах, предназначенных для выпрямления переменного тока в постоянный ток, первичные и вторичные токи несинусоидальные?

3.6. Трансформаторы повышенной и высокой частот

Частота промышленного переменного тока – один из главных параметров электрической энергии, радикально влияющий на техникоэкономические показатели, габариты, массу, стоимость элементов электрооборудования. В настоящее время, наряду с промышленной частой 50 – 60 Гц находят широкое применение электроприемники на повышенную частоту 100 – 10000 Гц и более высокую, вплоть до сотен килогерц. Это вызвано необходимостью получения существенно более высоких скоростей в электроприводах переменного тока: для металлообрабатывающих станков 12 – 20 тыс. об/мин, для центрифуг и веретен – 6 – 9 тыс. об/мин, для разнообразного ручного инструмента – до 12000 об/мин и т.д.

Применение силовых трансформаторов повышенной и высокой частот позволяет согласовать параметры потребителей и питающей сети.

Выясним, какие процессы проходят в однофазном трансформаторе при питании его напряжением более высокой частоты, чем общепромышленная частота 50 – 60 Гц. Запишем уравнение напряжения для первичной обмотки трансформатора

U1 4,44 W1 f B S 4,44 W1 f Ф .

126

При неизменном напряжении U1 при увеличении частоты f уменьшается число витков W1 и магнитный поток Ф . Если считать, что магнитная индукция В остается примерно постоянной, то при уменьшении магнитного потока уменьшается сечение S стержней магнитопровода, на которых располагаются обмотки. По закону полного тока средняя длина магнитной силовой линии равна

l I W1 / H

Если величина B остается постоянной, то и напряженность H остается постоянной. При уменьшении числа витков W1 средняя длина магнитной силовой линии l уменьшается. Уменьшение S и l приводит к уменьшению размеров магнитопровода а, следовательно, и его массы. Снижение поперечного сечения приводит к уменьшению длины витка обмотки, и как следствие, – к снижению массы обмоточного провода. Все это сопровождается уменьшением массы и габаритов трансформатора. Так масса активных материалов трансформатора, выполненного на 100 Гц по сравнению с исполнением на 50 Гц, приходящихся на единицу мощности, уменьшается на 48 %, намагничивающая мощность и индуктивное сопротивлении рассеяния снижается в 1,5 раза, искажение кривой напряжения также уменьшается. При повышении частоты тока с 50 до 400 Гц и практически равных или близких температурах в магнитопроводе и на поверхности бака мощность трансформаторов до 100 кВА в заданном объеме увеличилась в

2,5 раза.

В электротермии используются более высокие частоты – до 15000 Гц. Поэтому трансформаторы, используемые в этой области, должны отвечать ряду требований, отличающихся от требований, предъявляемых к общепромышленным трансформаторам на частоту 50 Гц. Прежде всего необходимо учесть «кольцевой» эффект и эффект близости. В первом случае, если проводники обмотки согнуты в кольцо или в спираль, токи повышенной частоты не распределяются по всему поверхностному слою, а проходят преимущественно по внутренней части кольца. Во втором случае токи, протекающие по близко расположенным проводникам навстречу друг другу, сосредотачиваются больше в сторонах, обращенных друг к другу.

Токи высокой частоты вызывают сильный нагрев магнитопровода, поэтому шихтовка является недостаточной мерой по устранению

127

нагрева. Необходимо принимать меры к дополнительному охлаждению трансформатора, например, используя непрерывное водяное охлаждение.

С целью снижения потерь на вихревые токи и гистерезис для высокочастотных трансформаторов разработана электротехническая сталь толщиной 0,08 мм с уменьшенными потерями 0,15 Вт/кг.

Используя такие и подобные материалы, отечественной промышленностью разработаны новые конструкции малогабаритных трансформаторов на частоту 800 кГц, напряжением 15 кВ, мощностью

15 кВА.

Вопросы для самоконтроля

1.К чему приводит повышение частоты для электрооборудования, в частности, для трансформаторов?

2.Почему возрастают потери в сердечнике трансформаторов повышенной и высокой частоты?

3.7. Трансформаторы для преобразования частоты

Трансформаторы могут служить для преобразования частоты переменного тока. Они, по сравнению с другими преобразователями частоты, применительно к нерегулируемому или ступенчаторегулируемому электроприводу, обладают рядом существенных преимуществ. Это – практически синусоидальное симметричное трехфазное напряжение на выходе, независимость частоты от нагрузки, весьма высокая надежность, способность выдерживать значительные перегрузки по току и т.д.

В основу принципа электрического умножения частоты переменного тока положено явление генерации высших временных гармонических ЭДС (за счет высших гармонических индукции), которое имеет место в трансформаторах, содержащих насыщенные ферромагнитные сердечники.

Рассмотрим различные виды умножителей частоты.

Однофазный утроитель частоты. Одна из простейших схем ут-

роителя приведена на рис. 3.16. Он состоит из трансформатора 1 с насыщенным магнитопроводом и трансформатора 2 с ненасыщенным магнитным сердечником, например с воздушным зазором. Их пер-

128

вичные обмотки 3 и 4 соединены последовательно и согласно, вторичные обмотки 5 и 6 – последовательно и встречно. При протекании тока в первичной обмотке в первом трансформаторе образуется магнитный поток, который содержит сильно выраженную третью гармонику. При холостом ходе в объединенной вторичной обмотке индуктируются одинаковые по величине ЭДС частоты f1 , которые находятся в противофазе и взаимно уничтожаются. Во вторичной обмотке остается в основном ЭДС тройной частоты, т.е. 3 f1 , и других высших гармоник, которые по сравнению с третьей гармоникой малы. При нагрузке во вторичной обмотке имеет место незначительная по величине ЭДС основной частоты, так как ЭДС частоты f1 в обмотках 5 и 6 не полностью компенсируют друг друга.

Однофазный удвоитель частоты. Принципиальным отличием удвоителя частоты от утроителя является подмагничивание стержней постоянным током. В результате совместного действия МДС обмотки постоянного тока и МДС первичной обмотки в магнитном поле сердечника, наряду с нечетными гармониками, возникают четные гармоники.

На рис. 3.17 приведена схема одного из возможных удвоителей частоты. Он состоит из двух одинаковых однофазных трехобмоточных трансформаторов 1 и 2. Первичная обмотка состоит из двух полуобмоток 3 и 4,соединенных последовательно и согласно; вторичная обмотка состоит из полуобмоток 5 и 6, обмотка подмагничивания

– из полуобмоток 7 и 8. Полуобмотки обмотки подмагничивания и вторичной обмотки соединены последовательно и встречно.

1 – трансформатор с насыщенным магнитопроводом;

2 – ненасыщенный трансформатор

129