Сетевые и вентильные обмотки преобразовательных трансформаторов имеют различные схемы соединения. Сетевые обмотки трехфазных трансформаторов соединяют в звезду, реже в треугольник в зависимости от мощности и номинального напряжения; вторичные (вентильные) обмотки могут иметь соединения в звезду, в двойную звезду (прямая и обратная); в треугольник — звезду; в зигзаг; в двойной зигзаг; в дважды двойной зигзаг, в шестиугольник и др. Нейтрали двойных звезд соединяют между собой через уравнительный реактор. Выбор схемы обмоток трансформатора и параметров преобразовательного агрегата зависят от схемы соединения полупроводниковых вентилей, подключаемых к ним. Включение первичных обмоток преобразовательного трансформатора (агрегата) в сеть трехфазного переменного тока в зависимости от схемы соединения вентилей позволяет получить на их стороне трех-, шести- или двенадцатифазное выпрямление. При шести- и более фазном выпрямлении пульсация выпрямленного напряжения меньше и соответственно улучшена форма кривой первичного тока агрегата.
Рис. 1. Мостовая трехфазная схема выпрямления переменного тока: Тр — преобразовательный трехфазный трансформатор (звезда-звезда), CP— сглаживающий реактор, R — нагрузка, В1, ВЗ, В5 — первая группа вентилей, в2, В4, В6 — вторая группа вентилей (диодов)
Наиболее широкое применение на стороне вентилей получили мостовые трехфазные схемы со сглаживающим реактором CP (индуктивное сопротивление), служащим для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения и тока в цепи нагрузки R (рис. 1) и шестифазные (две обратные звезды) с уравнительным реактором УР (рис. 2, а). Обе схемы приблизительно равноценны по искажению формы кривой первичного тока и по пульсации выпрямленного напряжения, но по качеству выпрямленного напряжения предпочитают шестифазную мостовую схему. Шестифазную мостовую схему чаще применяют для преобразовательных агрегатов с относительно небольшим выпрямленным напряжением и большим током.
Рис. 2. Шестифазная схема выпрямления с уравнительным реактором: а — схема соединения обмоток трансформатора звезда — две обратные звезды (Y{YH—YH—0—6) с уравнительным реактором УР и вентилями, б — векторные диаграммы фазных эдс трансформатора (сплошными линиями изображены векторы эдс прямой звезды, пунктирным — обратной); Bl, В2, ВЗ, В4, В5, В6 — вентили; CP— сглаживающий реактор, R — нагрузка цепи постоянного тока
Преобразование трехфазной системы первичной стороны в шестифазную на вторичной стороне осуществляется благодаря тому, что вторичные фазные обмотки состоят из двух частей с разным направлением намотки (левая, правая) или из двух обмоток одинакового направления, у одной из которых перемаркированы начала и концы. Полуфазные обмотки соединены в звезды, нейтрали звезд 0\ и 02 — в общую нейтраль О через уравнительный реактор У Р. Таким образом на вторичной стороне получается шестифазная звезда.
Средняя точка О уравнительного реактора УР является отрицательным полюсом цепи нагрузки. Реактор имеет большое индуктивное сопротивление и ограничивает ток между точками 01 и 02 (рис. 2, а). В то же время индуктивное сопротивление каждой ветви реактора О—Ох и О—02 достаточно мало, так как магнитные потоки имеют встречное направление и почти полностью компенсируются.
Векторная диаграмма фазных эдс трансформатора изображена на рис. 2, б. Из нее видно, что в любой момент времени работают два вентиля четной и нечетной групп шестифазной системы. Через каждую треть периода, когда напряжение очередной фазы становится больше, чем предыдущей, в каждой из звезд происходит смена анодных токов.
Уравнительный реактор УР увеличивает продолжительность работы анодов и тем самым как бы выравнивает значения анодных напряжений, работающих в порядке чередования фазных эдс, указанных на векторной диаграмме. Этим обеспечивается одновременная параллельная работа вторичных обмоток, соединенных в звезду, расположенных на разных стержнях магнитной системы, чем достигается равновесие намагничивающих сил первичных и вторичных обмоток.
Если исключить из этой схемы реактор и гальванически соединить нейтрали звезд, то в стержнях магнитопровода сразу же появится магнитный поток вынужденного намагничивания, изменяющийся во времени с тройной частотой сети. При этом в обмотках трансформатора возникает значительная эдс, которая увеличит индуктивное падение напряжения и резко ухудшит работу преобразовательного агрегата. По этой причине схему обмоток трансформатора звезда — шестифазная звезда (без уравнительного реактора) для выпрямительных установок не применяют.
Шестифазные схемы выпрямления используют в основном в преобразовательных агрегатах мощностью 250—4000 кВт, при больших мощностях прибегают к двенадцатифазным схемам, при этом лучшим решением является соединение вентильных обмоток в двойной зигзаг, а сетевых (первичных) — в звезду.
В качестве силовых полупроводниковых вентилей в выпрямительных устройствах широко применяют кремниевые диоды и тиристоры на ток 200 и 500 А, напряжением 220—380 В. Для получения больших токов и требуемых напряжений диоды и тиристоры комплектуют в блоки, соединяя их либо последовательно, либо параллельно. Обычно полупроводниковые блоки размещают непосредственно в баке трансформатора вместе с активной частью, залитой трансформаторным маслом, образуя таким образом преобразовательный агрегат.
Конструктивные особенности преобразовательных трансформаторов. Остов и магнитная система преобразовательного трансформатора состоят из таких же конструктивных элементов, как и силового общего назначения, отличие состоит в основном в геометрических размерах. Конструкция остова уравнительного реактора аналогична реактору переключающего устройства РПН на индуктивных сопротивлениях. Поэтому технологические процессы их ремонта мало чем отличаются от трансформаторов общего назначения.
Обмотки преобразовательных трансформаторов должны иметь повышенную механическую прочность, так как на стороне вентильных обмоток часто происходят короткие замыкания.
Повышенная механическая прочность достигается установкой максимального количества прокладок между катушками обмоток, применением жестких бумажно-бакелитовых и стеклоэпоксидных цилиндров, прошивкой обмоток их наружными рейками, пропиткой лаком и запеканием их, надежной осевой прессовкой кольцами. В этом отношении особые требования предъявляются к вентильным обмоткам, несущим большие токовые нагрузки. Поэтому на стороне вентилей применяют, отличающуюся высокой механической прочностью обмотку непрерывной конструкции, разделенную на двойные катушки и затем соединенные между собой параллельно или параллельно-последовательно в группы так же, как и обмотки короткой сети электропечных трансформаторов.
На рис. 86, а показано па^раллельное соединение двойных (парных) катушек вентильной обмотки (одной фазы), применяемое в мостовых схемах въшрямления, а на рис. 3, б — параллельное соединение катушек полуфазных обмоток для получения шести-фазной вентильной обмотки со схемой звезда — обратная (перевернутая) звезда. При небольшом числе витков (больших токах) применяют также обмотки, .собранные из одинарных дисковых катушек, (присоединяемых параллельно к сборным шинам. При малых напряжениях и очень больших токах в преобразовательных трансформаторах, как и в электропечных, на стороне вентилей применяют также листовые и шинные обмотки. Для вентильных обмоток, соединяемых в двойной зигзаг, используют также одно-, двух и трехходовые винтовые обмотки. В преобразовательных трансформаторах, как и в электропечных и по тем же причинам, при напряжениях 35 кВ и ниже наружными по размещению на стержнях остова являются обмотки НН (вентильные), внутренними — ВН.
Рис. 3. Схемы соединения парных катушек вентильных обмоток: а — фазных, б — полуфазных
Конструкция отводов сетевых обмоток преобразовательных трансформаторов такая же, как и у отводов ВН трансформаторов общего назначения: отводы обычно изготовлены из проводов ПБОТ, соединения выполнены электропайкой медно-фосфористым припоем, крепления — из буковых планок. Отводы вентильных обмоток в отличие от сетевых представляют собой довольно сложную конструкцию, состоящую из большого количества массивных медных шин, компенсаторов и крепежных деталей: буковых, гетинаксовых или стеклотекстолитовых планок, стальных и текстолитовых шпилек, болтов и гаек.
Для взаимной компенсации магнитных полей, снижающей падение напряжения и потери в отводах, шины располагают рядом (параллельно) так, чтобы токи в них имели противоположное направление, и как можно ближе одна к другой, при этом узкая сторона шины (ребром) должна быть обращена к стенке бака для уменьшения ее нагревания.
В шестифазной схеме обмоток — звезда — обратная звезда с уравнительным реактором нейтрали звезд соединяют с реактором гальванически (электропайкой медно-фосфористым припоем), а концы обмоток реактора, имеющие отрицательную полярность выпрямленного напряжения, выводят из трансформатора наружу. Это необходимо для проверки мегаомметром качества изоляции между обметками «звезд» и обмоток реактора. Для соединения отводов с вводами применяют гибкие связи — компенсаторы, рассмотренные ранее.
Для регулирования напряжения в преобразовательных трансформаторах применяют переключающие устройства ПБВ и РПН: трехфазные в трансформаторах до 2500 кВ-А, однофазные — в больших мощностях и когда сетевая обмотка соединена в треугольник. Кроме того, на стороне сетевой обмотки дополнительно устанавливают диапазонный переключатель, предназначенный для переключения без нагрузки (ПБВ) сетевых обмоток со звезды в треугольник и обратно и для включения их параллельно или последовательно; эти переключения связаны с изменением режимов токовой нагрузки установок.
Диапазонное переключающее устройство обычно состоит из двух гетинаксовых плит, установленных параллельно и закрепленных на стальной раме; вала, вращающегося в подшипниках, вмонтированных в плиты; подвижных контактов ламельного вида, закрепленных на валу; гетинаксовых реек, прикрепленных к плитам и несущих на себе неподвижные контакты. Вал посредством зубчатых передач, шарнирных соединений и сальниковых уплотнений выведен через стенку бака трансформатора наружу и соединен с установленным на нем ручным приводом; переключатель закреплен на верхних ярмовых балках активной части.
Электролизные установки, установки электрометаллургии, электрифицированного железнодорожного транспорта и некоторые другие нуждаются в бесперебойном электроснабжении, по условиям технологического процесса, в частом и плавном регулировании напряжения. Питающие их трансформаторы с РПН должны производить от 25 до 100 переключений в сутки. По требованию стандарта такие преобразовательные трансформаторы должны иметь переключающие устройства РПН, допускающие 500 000 переключений контактов переключателя (не разрывающих ток) и не менее 80 000 переключений контактов разрывающих ток (контакторов). Такое жесткое требование не может быть удовлетворено применением реакторных и резисторных переключающих устройств, устанавливаемых в силовых трансформаторах общего назначения, так как их контактная система и механизмы передачи подвержены сравнительно быстрому износу, снижающему их надежность и срок службы. Указанным требованиям, хотя и не полностью, удовлетворяют переключающие устройства марки РНТВ, разрывающие цепь тока контакторами не в масле, а в вакуумных дугогасительных камерах. При их применении отпадает необходимость в частой чистке контактов и замене масла. Наиболее полно удовлетворяют этим требованиям переключающие устройства с плавным бесконтактным регулированием. Они подразделяются на: бесконтактные с подмагничиванием магнитной системы постоянным током последовательно включенных трансформаторов (основного и вспомогательного); бесконтактные с регулированием дросселем насыщения, включенным последовательно с обмоткой трансформатора; бесконтактные с регулированием дросселями насыщения, включенными в регулировочные ответвления обмотки трансформатора, и бесконтактные с плавным регулированием со встречно-параллельным включением тиристоров.
Рис. 4. Принципиальная схема регулирования напряжения с подмагничиванием дросселя насыщения: 1 — обмотки преобразовательного трансформатора, 11 — обмотка подмагничивания постоянным током, 111 — обмотка дросселя
Рис. 5. Принципиальные схемы РПН на тиристорах, включенных встречно-параллельно: а — ступенчатое регулирование с контактными переключателями П1 и П2, б — плавное бесконтактное регулирование; Т — тиристор, Отр — обмотка трансформатора, П1 и П2 — переключатели избирателя ступеней
На рис. 4 показана принципиальная схема бесконтактного устройства с плавным регулированием напряжения дросселем насыщения, включенным последовательно с первичной обмоткой трансформатора и подмагничиванием постоянным током. При подмагничивании или размагничивании дросселя насыщения изменением полярности постоянного тока на концах намагничивающей обмотки изменяется его насыщение — индуктивное сопротивление, следовательно, напряжение Uд на зажимах его обмотки и соответственно регулируемое напряжение трансформатора.
В схемах со встречно-параллельным включением тиристоров, (рис. 5, а) бесконтактное плавное регулирование напряжения достигается автоматическим управлением их работой, очередностью и плавным открытием и закрытием их.
На рис. 5, б показана принципиальная схема переключающего устройства с плавно-ступенчатым регулированием: она позволяет плавно изменять напряжение в пределах каждой ступени.
Для напряжений 35 кВ и ниже в преобразовательных трансформаторах применяют съемные (разборные) вводы с фарфоровым изолятором, при большем напряжении (на стороне ВН) — маслонаполненные.
При токах порядка 5—10 кА устанавливают специальные вводы с фарфоровым изолятором класса напряжения 3 кВ.
Для напряжений до 1000 В и больших токах на стороне вентильных обмоток применяют шинные и трубчатые вводы.
Бак, охладители, выхлопная труба, подъемно-транспортные приспособления и термосифонные фильтры, осушители воздуха, изготовляемые из стали методом сварки, а также устройства для защиты масла, арматура, контрольные приборы, газовое реле, реле контроля уровня масла, термометрические сигнализаторы и другие по конструкции и форме практически ничем не отличаются от применяемых для силовых трансформаторов общего назначения.
