Базылев О. В. Перевод. Проектирование и обозрение возможностей трансформаторов, используемых для электронных силовых преобразователей.
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.