4. Преобразовательный трансформатор

4.1. Номинальная и типовая мощность

Номинальной мощностью преобразовательного трансформатора называется потребляемая им кажущаяся мощность при номинальном выпрямленном токе:

, (4.1)

где m₁ – число фаз сетевой обмотки. Расход активных материалов и размеры трансформатора определяются типовой мощностью S_Т, равной полусумме расчётных мощностей сетевой и вентильной обмотки (2.2). При шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 2.3е), часто используемой в выпрямительных агрегатах, номинальная мощность при отсутствии РПН (регулирование под нагрузкой)

, (4.2)

где U_0хх – выпрямленное напряжение в режиме хх, - условная мощность на стороне постоянного тока выпрямителя. Мощность вентильных обмоток трансформатора

. (4.3)

Типовая мощность трансформатора без учёта уравнительного реактора и РПН

. (4.4)

При трёхфазной мостовой схеме выпрямления (рис. 2.3д) типовая мощность трансформатора

. (4.5)

С увеличением числа фаз выпрямления типовая мощность трансформатора обычно возрастает (формулы (4.4), (4.5)), а конструкция усложняется. Поэтому трансформаторы с числом фаз m₂ вентильной обмотки более шести изготавливаются редко. Типовая мощность трансформаторов с РПН, задаваемая заводом изготовителем, значительно превышает значения, полученные из приведённых выражений, т.к. учитывает наличие переключающего устройства (и связанного с этим увеличения мощности сетевой обмотки), встроенных трансформаторов тока и других устройств, усложняющих конструкцию трансформатора.

Типовая мощность трансформатора при трёхфазной нулевой схеме выпрямления (рис. 2.3г) и соединении сетевой и вентильной обмоток в звезду

(4.6)

Существенное возрастание мощности у трансформатора в трёхфазной нулевой схеме объясняется спецификой его работы в однотактных выпрямителях.

4.2. Особенности работы трансформаторов в выпрямительных агрегатах

Работа трансформатора, питающего выпрямитель, отличается от работы силового трансформатора на токе промышленной частоты. Причина этого – несинусоидальная форма токов вентильных обмоток, а в определённых случаях - знакопостоянный характер этих токов. Так, в трёхфазном нулевом выпрямителе выходной ток i₀ (рис. 2.7а) получается суммированием токов всех трёх вентилей i_V1, i_V2, i_V3. Токи вентилей, в свою очередь, равны токам вентильных обмоток трансформатора:

i_2a=i_V1, i_2b=i_V2, i_2c=i_V3 (4.7)

и имеют две составляющие: постоянную и переменную. Постоянная составляющая тока вентильной обмотки равна среднему значению тока вентиля:

I_cp.V=I₀/3, (4.8)

где I₀ – среднее значение выпрямленного тока, и не трансформируется в сетевую обмотку. Переменная составяющая тока вентильной обмотки

i_2пр=i₂-I₀/3. (4.9)

Постоянная составляющая тока создаёт в стержнях магнитопровода поток Ф₀ одного направления, значение которого равно 20…25 % основного магнитного потока Ф_В трансформатора и который замыкается частично по сердечнику, частично по воздуху и стальной арматуре, окружающей сердечник (например, через стальной кожух масляного трансформатора). Наличие однонаправленного

потока Ф₀ вынужденного намагничивания приводит к росту тока холостого хода и насыщению магнитопровода трансформатора, значительному возрастанию потерь напряжений в обмотках, уменьшению выпрямленного напряжения и ухудшению внешней характеристики выпрямителя (2.42). Для устранения этих явлений приходится либо увеличивать сечение магнитопровода, а значит, и типовую мощность трансформатора, либо уменьшать амплитуду основного магнитного потока Ф_В. Последнее означает (при заданной мощности трансформатора) рост размеров магнитной системы, приводящий к повышению не только массы стали, но и массы меди трансформатора, поскольку с повышением периметра сечения магнитопровода растёт и средняя длина витка у обмоток.

Поток вынужденного подмагничивания может быть в принципе исключён введением в трансформатор дополнительных вентильных обмоток, соединённых в зигзаг. При такой схеме соединения (рис. 4.1а) ток вентиля обтекает одновременно две полуобмотки, расположенные на соседних стержнях, но только в разных направлениях. Благодаря этому полностью компенсируются магнитодвижущие силы сетевой и вентильной обмоток, и поток Ф₀ вынужденного намагничивания не возникает. Однако коэффициент использования вентильных обмоток К_2Т (2.4) при этом ухудшается. Последнее объясняется тем, что масса меди двух связанных между собой обмоток увеличивается вдвое, а результирующее напряжение u_2a, u_2b, u_2с каждой фазы – только в раз (рис. 4.1б), т.к. оно определяется геометрической суммой напряжений полуобмоток, расположенных на разных стержнях и сдвинутых по фазе на 120 эл. градусов. Таким образом, фазное напряжениеU_2зиг при соединении обмоток в зигзаг уменьшается в сравнении с аналогичным напряжением U_2зв при соединении их в звезду:

. (4.10)

И чтобы получить то же значение выпрямленного напряжения, приходится увеличивать число витков вентильных полуобмоток на 13 %. В результате возрастает типовая мощность до значения 1,46Р₀’.

В трёхфазной мостовой схеме (рис. 2.3д) через каждую фазу на стороне выпрямителя протекает ток как катодной группы вентилей, так и анодной (рис. 2.7б). Таким образом, постоянная составляющая потока и ток подмагничивания отсутствуют. В шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 2.3е) на каждом стержне намотаны две обмотки, по которым протекают токи в противоположных направлениях, что также предотвращает вынужденное подмагничивание.