Проектирование и обозрение возможностей трансформаторов, используемых для электронных силовых преобразователей. Перевел: Базылев О. В.
Источник: GianMaria Foglia, Mario Ubaldini, “D.C. Component in Transformer: Physical Behavior and Design Features”, proceedings of ICEM’2004, International Conference on Electrical Machines, Krakow, Poland, 5-8 September 2004.
Реферат – Данная статья фокусируется на некоторых проблемах, возникающие при проектировании трансформаторов для статических электронных преобразователей, применяемых в установках малой и средней мощности (от нескольких кВА до 10-20 МВА); в статье предлагаются некоторые возможные решения этих проблем. Ключевые понятия – Проектирование трансформаторов для статических электронных преобразователей, трансформаторные потери, работа трансформаторов на несинусоидальном напряжении. I. ВВЕДЕНИЕ Производство трансформаторов для преобразования переменного/постоянного напряжения на заводах большой мощности (например, электролизные заводы с мощностью до 50 МВА) довольно хорошо налажено, поэтому проблемы, возникающие при этом, известны и разрешаются еще на стадии проектирования. На сегодняшний день широкое распространение статических электронных преобразователей в установках малой и средней мощности (от нескольких кВА до 10-20 МВА) принуждает производителей трансформаторов учитывать некоторые важные конструктивные особенности, игнорированные прежде. Данная статья фокусируется на некоторых важных проблемах, возникающих в вышеупомянутых установках, и предлагает несколько возможных путей разрешения этих проблем. II. ОСНОВНЫЕ КОНФИГУРАЦИИ С целью выбора правильных размеров трансформатора, необходимо знать в какой системе он будет работать. В качестве примера, тщательно рассмотрим с несколько преобразовательных систем, представленных на последующих рисунках. Показана схема источника питания, в частности, схема источника питающего напряжения для статического преобразователя переменного напряжения. Показана схема однофазного трансформатора для статического частотного преобразователя, используемого для железнодорожного транспорта. Показана типичная схема трехфазного трансформатора, используемого для многоуровневого трансформатора: на каждый уровень – одна первичная и шесть связанных вторичных обмоток. III. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ Производители трансформаторов, предназначенных для статических преобразователей энергии, должны уделять внимание некоторым аспектам, которые могут внести изменения в дизайн, разительно отличающиеся от общепринятых в традиционных машинах. В частности, существенными представляются две проблемы: 1) оценка потерь в магнитной цепи и в обмотках в случаях, когда напряжения и токи сильно искажены и 2) рассмотрение электромагнитной конструкции машины, что связано с требованиями подключаемого преобразователя. Что касается потерь, то для надлежащего выполнения проекта машины, производитель запрашивает у пользователя некоторую информацию, полученную из анализа системы, в которой будут работать трансформатор. Помимо номинальных значений мощности, напряжения, токов, частоты требуются следующие данные: - порядок амплитуд гармоник тока; - порядок амплитуд гармоник напряжения. Часто, пользователь устанавливает для производителя некоторые особенные характеристики, например, максимальное значения потерь в стали и/или в меди. IV. ДЖОУЛЕВЫ ПОТЕРИ В ОБМОТКАХ Оценка этих потерь одинакова для всех преобразовательных систем и не предполагает значительных трудностей. Зная содержание гармоник тока (амплитуду К-той гармоники для всех гармоник) и при помощи программы расчета методом конечных элементов оценивается величина дополнительного сопротивления Radk обмоток при данной частоте fk. Методика расчета представлена ниже через сопротивление RDC постоянному току и среднеквадратичному значению тока V. ПОТЕРИ В СТАЛИ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ Рассмотрим трансформатор в условиях холостого хода, питаемый несинусоидальным напряжением v(t) с периодом Т, частотой f=1/T, нулевым значением среднего напряжения и только нечетными гармониками. Полагаем также, что напряжение полупериода Т/2 не является обратным (и может быть нулевым, как это и бывает в инверторах). Зная величину рассеяния магнитного потока обмоток при нулевом среднем значении напряжения в установившимся режиме, поток меняет значения от отрицательного –Ф до положительного +Ф без ассиметричной гистерезисной петли. Отсюда, среднее значение напряжения можно выразить через максимальное значение магнитного потока: VII. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Трехфазные трансформаторы, предназначены для питания многоуровневых преобразователей, могут иметь большое количество вторичных обмоток, от 4 до более чем 20. Чтобы получить желаемый сдвиг фаз вторичных напряжений, вторичные обмотки не должны быть одинаковыми и иметь дополнительные обмотки сдвига. Показана схема трансформатора с шестью вторичными обмотками, соединенными по схеме расширенный «треугольник»: каждая основная обмотка соединена в треугольник и обмотка сдвига подключена к каждой стороне треугольника. При соответствующем числе витков обмоток (основных обмоток и обмоток сдвига), можно получить желаемый сдвиг фаз в условиях холостого хода: в примере получен сдвиг фаз в -25, -15, -5, 5, 15 и 25 электрических градуса. Однако на самом деле, под нагрузкой сдвиг фаз может сильно отличаться от сдвига при х.х. ; это возникает из-за разных значений сопротивлений утечки между первичной и вторичными обмотками или между двумя вторичными, что вызывает различные падения напряжения в фазах во время коммутации. Эта проблема обычно решается двумя способами, каждый из которых сильно влияет на конструкцию первичной обмотки. Первый способ заключается в разделении первичной фазной обмотки на столько частей, сколько предусмотрено вторичных обмоток (все части первичной обмотки соединяются параллельно); такой метод применяют, например, в 12-фазных преобразовательных системах с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединена треугольником, вторая - звездой. Теоретически, это довольно простой метод, однако с точки зрения конструирования и затрат, это маловероятно для большого числа вторичных обмоток. Второй способ заключается в использовании соответствующих систем контроля, действующих на регулятор, который увеличивает или снижает проводимости обмоток с целью скорректировать сдвиг фаз. Это самый дешевый способ (т.к. первичная обмотка сделана всего лишь из одной катушки), поэтому он наиболее применим. В некоторых случаях, вышеупомянутая система контроля может быть неэффективной: тогда принятый способ меняется, и первичная обмотка делиться на две параллельные катушки. Чтобы дать пример рассмотренных способов, обратимся к табл. 1, в которой показаны в тносительных единицах напряжения короткого замыкания трансформатора, для двух способов: первичная обмотка выполнена из одной катушки и из двух катушек, соединенных параллельно. Очевидно, что последний способ допускает значительное снижение напряжения короткого замыкания. Значения напряжений короткого замыкания были получены из анализа вышеупомянутых схем. Следует отметить, что из-за большого числа обмоток (13 для каждого ряда) невозможно применять бинарные сопротивления короткого замыкания в данной цепи. Поэтому, были рассчитаны собственные и взаимные реактивные сопротивления всех обмоток при помощи программы расчёта методом конечных элементов (Maxwell 2D) при постоянном значении магнитной проницаемости стали; затем была рассмотрена и рассчитана трехфазная эквивалентная сеть для каждого анализируемого случая короткого замыкания: например, для изучения короткого замыкания между одной первичной и вторичной обмоткой, сеть включала в себя 6 катушек (3 первичные и 3 вторичные), каждая из которых характеризовалась собственным реактивным сопротивлением и относительным взаимными сопротивлениями при питающей первичной обмотке и закороченной вторичной.