Трансформаторы для вентильных преобразователей

При использовании трансформаторов в вентильных преобразовательных установках в цепи их вторичных обмоток включают электрические вентили, пропускающие ток только в одном направлении. Характерной особенностью таких трансформаторов является неодновременная нагрузка отдельных фаз, связанная с поочередным отпиранием вентилей, включенных в соответствующие фазы. Это обстоятельство вызывает ряд неблагоприятных последствий, основные из которых – наличие в кривых первичного I ₁ и вторичного I ₂ токов значительных высших гармоник и дополнительное подмагничивание сердечника при некоторых схемах выпрямления.

В рассматриваемых трансформаторах различают сетевую обмотку, подключенную к питающей сети, и вентильную обмотку, к которой подключают вентили преобразователя.

Обычно сетевые обмотки трехфазных трансформаторов соединяют Y или Δ. Вентильные обмотки соединяют так, чтобы обеспечить преобразование одно- и трехфазного тока в многофазный с числом фаз, необходимым для соответствующей схемы преобразователя. При увеличении числа фаз преобразователя резко уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения.

В трансформаторах, предназначенных для вентильных преобразователей, по первичной и вторичной обмоткам протекают несинусоидальные токи, содержащие ряд высших гармоник. Происходит это потому, что:

- вентили, включенные в цепи отдельных фаз вторичной обмотки, пропускают ток только в течение части периода;

- 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 I₁ и I₂ имеют разные действующие значения, вследствие чего расчетные мощности первичной S_{1 ном} и вторичной  S_{2 ном} обмоток неодинаковы. Поэтому вводится понятие типовой мощности трансформатора вентильного преобразователя S_T = 0,5(S_{1 ном} + S_{2 ном}), а коэффициент типовой мощности

К_т= S_T/ P_{d ном},

где P_{d ном} =U_dном I_dном – мощность, потребляемая на стороне постоянного тока преобразователя (выходная мощность). Здесь I_dном и U_dном – номинальные значения тока и напряжения на стороне постоянного тока.

Типовая мощность вентильного трансформатора S_T больше его выходной мощности P_{d ном} при номинальной нагрузке. Поэтому габаритные размеры и масса таких трансформаторов всегда больше, чем у трансформаторов той же номинальной мощности S_ном= m U_2ном I_2ном, но работающих при синусоидальном токе. Физически это объясняется тем, что нагрев обмоток трансформатора определяют действующие значения токов I₁ и I_2, 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 массой.

Каждой схеме включения вентилей и характеру нагрузки (активная, активно-индуктивная), определяющему форму выпрямленного тока, соответствует свое значение типовой мощности S_T.

Например, для однофазной схемы выпрямления с нулевым выводом трансформатора при идеализированных условиях работы преобразователя (т.е. полностью сглаженном выпрямленном токе I_d, мгновенном переходе тока с одного вентиля на другой, отсутствии индуктивностей х₁ и х₂ трансформатора и потерь энергии в нем) типовая мощность S_T = 1.34 P_{d ном}, а коэффициент типовой мощности к_т=1,34.

 А при однофазной  мостовой схеме выпрямления типовая мощность трансформатора S_T = 1.11 P_{d ном}, а коэффициент типовой мощности к_т=1,11.

Следовательно, при мостовой схеме выпрямления трансформатор используют чаще, чем при схеме с нулевым проводом (таблица для идеальных условий).

При работе преобразователя на чисто активную нагрузку, токи вентильной и сетевой обмоток будут иметь кусочно-синусоидальную форму (т.е. представлять собой части синусоиды), следовательно, при одинаковом значении тока I_d их действующие значения будут бОльшими, чем при идеально сглаженном выпрямленном токе. В результате типовая мощность трансформатора будет также бОльшей.

При использовании в преобразователе управляемых вентилей типовая мощность трансформатора может возрасти, если номинальное выпрямленное напряжение U_dном соответствует некоторому заданному значению угла регулирования вентилей α_ном, отличному от нуля.

Это может иметь место в случае, когда необходимо обеспечить стабильное значение U_d = U_{d ном} при уменьшении напряжения U₁ в питающей сети (когда необходимо иметь некоторый запас по напряжению U₂). При этом коэффициент типовой мощности       K_T = k_{T . O .} / Cos α _ном, где k_T.O – значение коэффициента типовой мощности для соответствующей схемы включения вентилей при отсутствии регулирования.

Подмагничивание сердечника трансформатора.

При нулевых схемах выпрямления (одно-, трех- и шестифазной) нарушается равновесие МДС в фазах сетевой и вентильной обмоток, расположенных на общем стержне трансформатора, вследствие чего происходит полное подмагничивание его магнитной системы. Эти схемы называют однотактными, так как при работе преобразователя ток по каждой фазе вентильной обмотки проходит только в одном направлении.

Дополнительное подмагничивание магнитопровода трансформатора возникает также и при применении однополупериодной схемы выпрямления.