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.