Трансформаторы для выпрямительных установок

Трансформаторы для выпрямительных установок
Во вторичные обмотки трансформаторов для выпрямительных установок включены вентили — устройства, обладающие односторонней проводимостью.
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.

Работа однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления
Рассмотрим работу однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления. Ток во вторичной обмотке этого трансформатора i2 является пульсирующим, так как он создается только положительными полуволнами вторичного напряжения U2
Этот пульсирующий ток имеет две составляющие:
постоянную Id =(√2/π)(U2/Rн)
и переменную iпер = i2 - Id

Работа однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления
Пренебрегая током холостого хода и учитывая формулу iпер = i2 – Id, уравнение МДС рассматриваемого трансформатора можно записать в виде:
I1w1 + iперw2 + idw2 = 0

Работа однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления
В первичную обмотку трансформируется лишь переменная составляющая вторичного тока в соответствии с формулой
iпер = i2 – Id, 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 такое насыщение не превышало допустимого значения, необходимо увеличить сечение сердечника и ярма. Эта мера приводит к увеличению расхода стали и меди, т. е. к повышению габаритов, веса и стоимости трансформатора.

Работа однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления
Этот недостаток однофазной однополупериодной схемы распространяется и на трехфазную однополупериодную схему при соединении вторичной обмотки трансформатора по схеме «звезда — звезда с нулевым выводом». В указанном 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.

Работа однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления
Однофазную однополупериодную схему применяют только для маломощных выпрямителей, что объясняется не только недостатком, вызванным наличием потока Фd, но и значительными пульсациями выпрямленного тока.
Трехфазная однополупериодная схема соединения вторичной обмотки «звездой» с нулевым выводом также ограничивается выпрямителями небольшой мощности.

Работа однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления
Если же вторичную обмотку соединить в равноплечий зигзаг с нулевым выводом, то недостатки однополупериодной схемы выпрямления, обусловленные возникновением потока Фd, устраняются. Объясняется это тем, что при соединении в равноплечий зигзаг 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.

Работа однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления
В двухполупериодных схемах, когда ток во вторичной цепи трансформатора создается в течение обоих полупериодов, условия работы трансформатора 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.

Трансформаторы для выпрямительных установок
Количественно влияние различных причин на работу трансформаторов в схемах выпрямления зависит от ряда факторов: схем выпрямления, наличия сглаживающего фильтра, характера нагрузки.

Трансформаторы для выпрямительных установок
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:
Sт = 0,5(S1ном + S2ном) = 0,5(I1номU1ном + I2номU2ном) и коэффициента типовой мощности:
kт=Sт/Pd ном, где выходная мощность, т. е. мощность, поступающая в потребитель постоянного тока: Pd ном = Ud ном Id ном, в номинальном режиме.

Трансформаторы для выпрямительных установок
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 масса трансформаторов для выпрямителей всегда больше, чем 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 составляющие.

Значения коэффициентов напряжения и типовой мощности
При выборе трансформатора для выпрямительной установки или при его проектировании необходимо знать значение коэффициента кт.
Значение переменного напряжения на выходе вторичной обмотки трансформатора, необходимого для получения заданного номинального значения постоянного напряжения Ud ном, определяется выражением
U2ном = kUUd ном , где kU — коэффициент напряжения.

Значения коэффициентов напряжения и типовой мощности
Значения коэффициентов напряжения ки и типовой мощности kт для некоторых наиболее распространенных схем выпрямления приведены в таблице:
Сравнение различных схем выпрямления показывает, что оптимальное использование трансформатора обеспечивается в мостовых схемах выпрямления, для которых коэффициент kт имеет минимальные значения.

Контрольные вопросы по трансформаторам для выпрямительных установок
1) Назовите особенности работы трансформатора совместно с вентильными устройствами.
2) Почему при работе однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления, ток во вторичной обмотке i2 является пульсирующим?
3) Что нужно сделать для того, чтобы дополнительное магнитное насыщение элементов магнитопровода не превышало допустимого значения?
4) Почему однофазную однополупериодную схему применяют только для маломощных выпрямителей?
5) Почему при двухполупериодных схемах не возникает неуравновешенной МДС?
6) Назовите факторы, от которых количественно зависит влияние различных причин на работу трансформаторов в схемах выпрямления.