Розділ 4. Трансформатори з регулюванням вторинної напруги

 

В експлуатації трансформаторів досить часто виникає необхідність регулювання вторинної напруги.

При регулюванні розрізняють два основні випадки.

1. Стабілізація вторинної напруги при незначному (на 5 ¸ 10 %) зміненні первинної напруги, яке виникає звичайно у зв’язку зі спадом напруги в лінії.

2. Регулювання вторинної напруги у зв’язку з особливостями технологічного процесу в широких межах при незмінній або мало змінній первинній напрузі.

В обох випадках вторинна напруга регулюється зміною коефіцієнта трансформації.

У першому випадку з малими змінами первинної напруги можливо регулювати числа витків первинної або вторинної обмоток. Наприклад, зі зниженням первинної напруги відповідно зменшують число витків первинної обмотки так, щоб ЕРС витка залишилась незмінною. Оскільки число витків вторинної обмотки не змінюється, незмінною залишиться й ЕРС вторинної обмотки. При зростанні первинної напруги відповідно збільшують число витків первинної обмотки.

У другому випадку, коли потрібно регулювати вторинну напругу з незмінною первинною, змінюють число витків вторинної обмотки, тобто регулювання виконується ступінчасто.

Плавне регулювання напруги трансформаторів здійснюється трудніше, ніж ступінчасте, й тому такі трансформатори виконують на відносно менші потужності, переважно для спеціального використання. Плавне регулювання напруги досягається різними способами. Наприклад, переміщенням ярма відносно однієї з обмоток або обох; за допомогою реактора з рухомим сталевим осердям; переміщеннями однієї обмотки відносно іншої й магнітопроводу. У 1927 р. в СРСР В. А. Андроновим було взято перший патент на конструкцію регульованого автотрансформатора, після чого аналогічні конструкції з’явились і в інших країнах. Обмотка автотрансформатора намотується на його осердя в один шар і звичайно виконується з неізольованого дроту. По обмотці ковзають щітки спеціальної конструкції. Ширина щітки повинна бути такою, щоб перехід з витка на виток відбувався без розриву робочого ланцюга. Для обмеження струму короткого замкнення, який при цьому виникає у витках, які коротко замикаються щіткою, остання може виконуватись із низки контактів, які з’єднуються між собою активними опорами, або може бути вугільною з таким розрахунком, щоб поперечний опір щітки був достатнім для обмеження струму короткого замкнення, а подовжній опір не викликав би надмірного спаду напруги при проходженні струму навантаження. Число витків обмотки вибирається таким чином, щоб на виток припадало 0.5 ¸ 1 В, тобто, щоб регулювання напруги відбувалось практично плавно.

У 1948 р. Московський електромеханічний завод “ Гостеасвет” почав серійно продукувати такі автотрансформатори однофазного та трифазного виконань.

При ступінчастому регулюванні змінювати число витків первинної обмотки в цьому разі не можна, оскільки це призведе до зміни магнітного потоку трансформатора й до перегріву або погіршення використання. Крім того, одержати малу вихідну напругу

 

з незмінним числом витків вторинної обмотки практично не можливо, оскільки при цьому потрібно мати велику кількість регулювальних витків. При дуже великих потужностях іноді застосовують регулювання на високовольтній обмотці, щоб не застосовувати регулювальної апаратури на великі струми. При цьому використовують спеціальні автотрансформаторні схеми.

Перемикання відгалужень обмоток w₁ та w₂ може здійснюватись у вимкненому від первинної та вторинної мереж трансформаторі (перемикання без збудження) або з навантаженням (регулювання з навантаженням). Існують також трансформатори з плавним регулюванням напруги зміною числа витків w₂ або магнітного потоку Ф₂.

 

 

4.1 Трансформатори з перемиканням відгалужень обмоток без збудження

 

Регулювання напруги цим способом застосовують у масляних та сухих силових трансформаторах загальнопромислового призначення, а також в трансформаторах, призначених для вентильних перетворювачів. Напругу регулюють на ± 5% від U_ном ступенями по 2.5%, тобто трансформатор має п’ять ступенів регулювання напруги. В трансформаторах порівняно не великої потужності використовують три ступеня регулювання напруги (+ 5;0; - 5%). В силових трансформаторах великої потужності звичайно напругу регулюють з боку ВН. Це дозволяє спростити конструкцію перемикача відгалужень, оскільки струми в обмотці ВН менші, ніж в обмотці НН. Крім того, число витків обмотки ВН більше, ніж в обмотці НН. Тому зміну числа витків на 1.25 ¸ 2.5 % можливо здійснювати точніше. В трансформаторах для вентильних перетворювачів звичайно напругу регулюють з боку НН. При цьому перемикаючу апаратуру виконують на великі струми, що сильно ускладнює її конструкцію.

При регулюванні напруги вимикають частину витків тільки однієї обмотки (первинної або вторинної), що порушує рівномірність розподілу МРС по висоті обмотки. Це призводить до спотворення магнітного поля розсіювання та виникнення поперечної складової потоку розсіювання, яка взаємодіє зі струмом і створює електромагнітні сили, що діють на обмотку в осьовому напрямі. При аварійних режимах (коротке замкнення) ці сили можуть досягати великих значень і викликати руйнування обмотки. Тому намагаються рівномірно розподілити витки обмотки, які вимикаються, по висоті або розташувати їх за можливістю в середині висоти обмотки симетрично відносно обох ярм.

У масляних трансформаторах перемикання відгалужень здійснюється контактним перемикачем, який убудований в трансформатор, рукоятка якого виведена з баку. В сухих трансформаторах відгалуження виводять на контактну панель і перемикання виконують перестановкою контактної пластини на різні вивідні шпильки.

а) б) в)

Рис. 4.1. Трифазний перемикач відгалужень (а) та схема розташування його контактних елементів (б, в): 1-привод; 2-фланець ковпака; 3-кришка бака трансформатора; 4-паперово-бакелітовий циліндр; 5-паперово-бакелітова ізоляція валу; 6-колінчастий вал; 7-рухомі контакти; 8-нерухомі контакти

 

Контактний перемикач (рис. 4.1, а) має систему нерухомих контактів, з’єднаних з відгалуженнями обмотки, і систему рухомих контактів, які замикаються з нерухомими та забезпечують потрібну схему з’єднання між собою обмоток окремих фаз. При виконанні відгалужень Х₁ – Х₅, Y₁ – Y₅, Z₁ – Z₅ біля нульової точки можливо застосувати спільний перемикач для всіх трьох фаз (рис. 4.1, б), оскільки робоча напруга між окремими частинами перемикача не перевищує 10% від лінійної напруги трансформатора.

Якщо відгалуження А₁ - А₅, В₁ - В₅, С₁ - С₅ розташовані в середині обмотки, то кожна фаза повинна мати перемикач (рис. 4.1, в), оскільки між відгалуженнями різних фаз діє напруга, яка приблизно дорівнює 0,5U_ном.

 

4.2. Трансформатори з перемиканням відгалужень обмоток з навантаженням

 

Для підвищення гнучкості та зручності керування крупними електричними мережами й системами велике значення має можливість регулювання напруги трансформаторів без розриву навантаження. Потреба в таких трансформаторах швидко зростає.

При використанні цього способу регулювання необхідні такі заходи.

1. Забезпечити перехід з одного відгалуження на інше без розриву струму, для чого в деякий проміжок часу повинні бути увімкненні два сусідні відгалуження.

2. Обмежити струм короткого замикання у частині обмотки трансформатора, розташованій між цими відгалуженнями при одночасному їхньому вмиканні.

Рис. 4.2. Послідовність етапів перемикання пристрою зі струмообмежуючим реактором

 

Для цього застосовують перемикаючі пристрої з дистанційним керуванням та зі струмообмежуючими реакторами, а в трансформаторах, призначених для вентильних перетворювачів, - пристрої з вентильним переходом.

На рис.4.2 наведена схема перемикаючого пристрою зі струмообмежуючим реактором у трьох положеннях його перемикаючих елементів. Пристрій складається з реактора Р, двох контакторів К₁ та К₂, призначених для розриву струму, який проходить двома паралельними гілками реактора, та двох перемикачів П₁, П₂, які здійснюють перемикання цих гілок при відсутності струму.

Перемикаючий пристрій діє таким чином. У першому робочому положенні І, коли перемикаючий пристрій увімкнений до відгалуження Х₁, контакти К₁, К₂ замкнені й струм проходить паралельними гілками реактора в різних напрямах, не намагнічуючи реактор. Тому його індуктивний опір малий. При переході з відгалуження Х₁ на відгалуження Х₂ спочатку вимикається контакт К₁, але ланцюг струму не переривається, оскільки він проходить через контакт К₂ (проміжне положення II). Потім перемикач П2 без струму переводиться на відгалуження Х₂, після чого знову вмикається контакт К₁ (проміжне положення III). В цьому положенні через обидві половини реактора проходить струм одного напряму, його індуктивний опір різко зростає й він ефективно обмежує струм І_к в замкненому контурі, створеному частиною обмотки трансформатора, яка розташована між відгалуженнями Х₁ та Х₂. Після цього розмикається контакт К₂, перемикач П1 переводиться без струму на відгалуження Х₂ й знову замикається контактор К₂, тобто на цьому закінчується перехід у друге робоче положення IV, в якому перемикаючий пристрій увімкнений до відгалуження Х₂.

Реактор та перемикачі розміщують всередині масляного бака трансформатора, а контактори – у спеціальному баці, розташованому на боковій стінці основного баку. Масло, яке є в ньому, забруднюється при розриві струму контактами й тому не з’єднується з маслом основного бака.

а) б)

Рис. 4.3. Схеми перемикаючого пристрою зі струмообмежуючими активними опорами (а) та з вентильним переходом (б)

 

У перемикаючому пристрої зі струмообмежуючими резисторами (рис. 4.3, а) є три перемикача – П1, П2, П3. При роботі трансформатора на відгалуженні Х₂ перемикачі П2, П3 знаходяться в положенні, наведеному на рис. 4.3, а. Для переходу на сусіднє відгалуження Х₁ спочатку на нього переводять без струму перемикач П1. Потім швидкодіючий перемикач П3 швидко перемикається за годинниковою стрілкою в положення, в якому він замикає контакти 1,2.

Процес розмикання контактів 3, 4 та замикання 1, 2 відбувається таким чином, що ланцюг стуму не переривається, а в проміжному положенні, коли перемикач П3 замикає одночасно контакти 1, 4, струм у частині обмотки трансформатора, яка розташована між відгалуженнями Х₁, Х₂, обмежується резисторами R₁, R₂. Для запобігання перегрівові цих резисторів перемикач П3 переводиться з одного робочого положення в інше за соті частки секунди.

Якщо від трансформатора живляться перетворювальні пристрої, то для перемикання відгалужень на вторинній обмотці, до якої вмикаються вентилі перетворювача, широко використовують схему вентильного переходу (рис. 4.3, б). У цій схемі послідовно з непарними контакторами К₁, К₃,К₅ увімкнено вентиль V1, а послідовно з парними контакторами К₂, К₄, - вентиль V2. При переході, наприклад, з відгалуження Х₁ на відгалуження Х₂ вони дозволяють замкнути контакт К₂ до вимикання К₁, оскільки вентилі V1 та V2 усувають виникнення струму короткого замкнення у частині обмотки між Х₁ та Х₂ при одночасному вмиканні обох контакторів. У подальшому контактор К₁ може бути вимкнений, оскільки ланцюг струму буде замкнений через контакт К₂.

 

4.3. Плавне міжступеневе регулювання напруги на виході трансформатора

 

У різних роботах, наприклад, [17, 18 і інш.] розглянуті схеми, які суміщують роботу перемикаючих пристроїв трансформаторів та двох бівентилів (бівентиль – це зустрічно-паралельне вмикання вентилів: тиристорів, силових транзисторів і т. і.). У найпростішому випадку (при наявності тільки двох відгалужень обмотки) два бівентиля VS₁, VS₃ та VS₂, VS₄ можуть не перемикатись на інші відгалуження (рис. 4.4, а). При такому регулюванні форма напруги на виході трансформатора наведена на рис. 4.4, б, тобто форма напруги при регулюванні між ступенями не синусоїдна. При цьому для того, щоб не виникало підмагнічування осердя трансформатора, повинно бути . Якщо відгалужень обмотки багато, то за допомогою контактних перемикачів один бівентиль без струму перемикається на те відгалуження, до якого потрібно перейти, а інший в цей же час працює на попередньому відгалуженні.

 

Рис. 4.4. Регулювання напруги на вторинній обмотці трансформатора за допомогою тиристорів: схема (а); діаграма вихідної напруги при активному навантаженні (б)

 

Принцип регулювання в цьому випадку полягає в тому, що при переході з одного відгалуження на інше у кожному півперіоді живлячої напруги комутатор (відповідний тиристор або транзистор) працює з кутом природної комутації на відпайці трансформатора, яка дає меншу вихідну напругу, а на протязі іншої частини півперіоду працює зустрічно увімкнений тиристор на відпайці, яка дає більшу напругу. Змінюючи кут , можливо плавно регулювати напругу між ступенями. Основні переваги цього методу: без- струмова комутація, високий коефіцієнт потужності та ККД, можливість зменшення числа відгалужень від обмотки трансформатора, велика швидкодія з практичною безінерційністю, збільшення терміну служби і т. д. Але сумісне використання безконтактних пристроїв з контактними перемикачами знижує надійність пристрою, підвищує експлуатаційні витрати.

Застосовуючи кілька бівентилів, можливо повністю відмовитись від контактних перемикачів. Кількість бівентилів залежить від глибини регулювання та допустимої величини вищих гармонік струму [19, 20]. Для усунення підмагнічування магнітного ланцюга трансформатора виникаючою при постійною складовою магнітного потоку несиметрія кутів керування не повинна перевищувати 0,5 ¸ 1 електричний градус [20], що досягається відповідною системою керування зі зворотним зв’язком за постійною складовою магнітного потоку або силового струму.