Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок - Схемы регулирования напряжения и стабилизации тока

Изменение напряжения по заданному режиму осуществляется с помощью регулируемых трансформаторов и автотрансформаторов, различных устройств, позволяющих раздельно или совместно изменять значение и знак добавляемого напряжения, специальных схем с использованием нерегулируемых и регулируемых полупроводниковых выпрямителей.

 
Рис. 1.19. Изменение напряжения и тока при плавке металла в ДСП

Известные в настоящее время способы регулирования напряжения трансформаторов и автотрансформаторов можно разделить на следующие основные группы: а) ступенчатое изменение числа витков при отключении всех обмоток от сети, т. е. переключение без возбуждения — ПБВ; б) ступенчатое регулирование под нагрузкой— РПН; в) плавное, в том числе бесконтактное. РПН; г) комбинированное или плавно-ступенчатое РПН; д) пофазное РПН.
Применение регулирующих устройств связано с дополнительными затратами. Выбор типа регулирующего устройства, ступеней и диапазонов регулирования должен производиться на основе технико-экономического анализа. Для обеспечения требуемого режима регулирования напряжения ПТ и агрегаты снабжают устройствами автоматического управления. Так как ПТ может иметь несколько вентильных обмоток на большие токи, переключающие и регулирующие устройства в подавляющем большинстве случаев располагают на стороне сетевой обмотки. В устройствах, позволяющих раздельно или совместно изменять значение и знак добавляемого напряжения, регулирование напряжения осуществляется вольтодобавочными трансформаторами и автотрансформаторами со ступенчатым, плавным и комбинированным РПН. Регулирование напряжения может также осуществляться с помощью управляемых тиристорных преобразователей, а в схемах с неуправляемыми полупроводниковыми выпрямителями—с помощью управляемых реакторов, включаемых последовательно с полупроводниковыми вентилями.

Ступенчатое регулирование напряжения трансформаторов при отключении всех обмоток

Ступенчатое ПБВ осуществляют одним трехфазным переключателем, тремя однофазными переключателями или непосредственным подключением проводов питающей сети к выводам трансформатора, связанным с различными ответвлениями обмоток, и применяют в тех случаях, когда по условиям технологии производства допускается перерыв питания нагрузки. Переключатели ответвлений обмоток обычно встраивают в трансформатор, регулирование осуществляют выведенными из бака рукоятками или штурвалами управления (ручной привод). В отдельных случаях применяют электродвигательный привод. В трехфазных трансформаторах мощностью до 6300 кВ·А, а в отдельных случаях до 20 000 кВ·А, при номинальном напряжении до 38,5 кВ сетевые обмотки выполняют с тремя или пятью ответвлениями, из которых среднее соответствует номинальному напряжению, а другие имеют напряжения, отличающиеся от номинального на ±5%, или ±2x2,5%.

Ступенчатое РПН

При изменяющейся во времени нагрузке большое значение имеет возможность регулирования напряжения без перерыва питания и отключения обмоток от сети, что позволяет также автоматизировать процесс регулирования. По ГОСТ 16772-77 РПН предусматривается для трансформаторов с междуфазным напряжением 6 и 10 кВ при мощности сетевой обмотки 800 кВ А и более, 20 и 35 кВ при 4000 кВ·А и более. 110 кВ при 10 000 кВ А и более и 220 кВ при мощности сетевой обмотки 20 000 кВ · А и более. Во многих установках РПН осуществляется автотрансформаторами, включенными перед трансформаторами. Это значительно увеличивает мощность трансформаторного оборудования в преобразовательных установках. Более экономным является применение регулирования непосредственно на трансформаторе. Анализ показал, что для мостовой схемы выпрямления и схемы две обратные звезды с уравнительным реактором при глубине регулирования до 50% гиповая мощность трансформа гора со встроенным РПН меньше суммы гиповых мощностей регулировочного автотрансформатора и трансформатора без РПН. В трансформаторах с напряжением 6 и 10 кВ встроенное РПН выгоднее при мостовой схеме выпрямления до глубины регулирования 68%, а при схеме две обратные звезды с уравнительным реактором — до 73%.
Ступенчатое РПН трансформатора может осуществляться механическими переключателями ответвлений обмотки с токоограничивающим реактором (рис. 1.20, а), быстродействующими механическими переключателями ответвлений с токоограничивающим резистором (рис. 1.20,б), в том числе с использованием для разрыва цепи тока вакуумных дугогасительных камер (ВДК). механическими переключателями ответвлений с тиристорами, обеспечивающими бестоковую коммутацию переключателей (рис. 1.20. в), механическими переключателями ответвлений с управляемыми реакторами для обеспечения бестоковой коммутации (рис. 1.20, а). В отечественных ПТ применяют в основном два типа переключающих устройств: реакторные (РНТ) и быстродействующие с токоограничивающим резистором (ΡΗΤΑ).
Слабым звеном переключающего устройства РНТ являются контакторы, коммутирующие рабочий ток в масляной среде. Быстрый износ контактов требует частых ревизий и снижает надежность работы переключающего устройства. Переключатели РНТ имеют относительно небольшой срок службы и применяются обычно в тех случаях, когда нагрузка трансформатора изменяется по времени относительно медленно, как, например, это имеет место в силовых трансформаторах общего назначения.

Рис. 1.20. Схемы устройств ступенчатого регулирования напряжения трансформатора:
а- с переключателем реакторного типа; б - с быстродействующим переключи гелем с токοοграничивающим резистором; в- с тиристорным переключателем; г - с управляемыми реакторами

Установлено, что в таких производствах, как электролиз алюминия, необходимо производить 25 — 80 переключений в сутки, при электролизе меди и магния — 25 — 50, а цинка — до 50—100, поэтому требования к условиям работы с РПН во многих ПТ значительно жестче, и устройства РНТ оказываются неприемлемыми для таких целей. Поэтому в настоящее время устройства РНТ для новых ПТ не применяют, но старые ПТ еще эксплуатируются в значительных количествах. ПТ должны изготавливаться с устройствами для ступенчатого РПН. допускающими не менее 1 млн. переключений механизмов устройства и его контактов. не разрывающих ток, а также не менее 80—100 тыс. переключений контактов устройства РПН, разрывающих ток. В переключающих устройствах типа ΡΗΤΑ, удовлетворяющих перечисленным требованиям, для разрыва электрической дуги применены контакторы с ВДК, трансформаторное масло в качестве дугогасительной среды не используется и отпадает необходимость в смене масла и чистке контактов.
Трехфазное переключающее устройство ΡΗΤΑ (рис. 1.20, б) выполняется погружным, устанавливается непосредственно в баке трансформатора и состоит из быстродействующего контактора К, предызбирателя П и избирателя И. В одной фазе контактора имеются три контакта с ВДК — К2 —К4, шунтирующие контакты  К1 и К5, вспомогательные контакты К6 и Κ7. токоограничивающий резистор R. Избиратель имеет контакты 1—10. И1 и И2, а предызбиратель — контакты 20 и 21. Контактор выполнен по симметричной схеме. Принятая последовательность действия контактов исключает при переключении сложение токов в размыкающем контакте. Указанное на рис. 1.20.б положение контактов устройства ΡΗΤΑ соответствует рабочему состоянию. Напряжение сети через шунтирующий контакт К1 и подвижный контакт избирателя подводится к контакту 8. Если, например, нужно увеличить число витков сетевой обмотки на одну ступень (перейти на ответвление 7), переключатель с помощью приводного механизма выполняет следующие операции: замыкает контакт  К3 и размыкает контакт K1, отключает контакт К2 и включает контакт К4, размыкает вспомогательный контакт К6 и замыкает К7, замыкает шунтирующий контакт К5. В результате этих переключений схема переходит в новое рабочее состояние, напряжение питающей сети подводится к ответвлению 7. Следует отметить, что перед началом действия разрывных контактов К2 — К4 механизм контактора устанавливает вспомогательные контакты К6 и Κ7 в такое положение, чтобы ток, циркулирующий в контуре резистора R, и ток нагрузки трансформатора в цепи размыкающегося разрывного контакта были направлены встречно. Это всегда выполняется, если не меняется направление потока энергии в трансформаторе. Цикл одного переключения всего устройства (избирателя, предызбирателя  и контактора) составляет 3 с.

Схемы встроенного ступенчатого РПН для электролизных установок

Глубина регулирования напряжения в электролизных производствах как цветной металлургии, так и химической промышленности до 80 — 85% номинального выпрямленного напряжения осуществляется в ПТ в основном двумя способами: с помощью автотрансформатора, включенного перед преобразовательным трансформатором, или непосредственно преобразовательным трансформатором со встроенным РПН. Как указывалось выше, во многих случаях более экономичным является применение глубокого встроенного РПН непосредственно в сетевой обмотке ПТ.

Рис. 1.21. Схема встроенного устройства РПН с реверсом

Рис. 1.22. Схема встроенного устройства РПН с «грубой» ступенью
На рис. 1.21 и 1.22 приведены две возможные схемы встроенного регулирования напряжения: с реверсом Р и «грубой» ступенью ГС. И та и другая схема при использовании переключающего устройства с 19 или 23 ступенями обеспечивает при диапазоне регулирования напряжения 50% номинального значения ступени (в близких к номинальному режиму положениях) примерно 4,5 — 5%. Однако на практике чаще применяют схему с «грубой» ступенью, как обеспечивающую более высокий КПД в положениях, близких к номинальному.

Для электролизных установок применяют также схему с двумя «грубыми» ступенями (рис. 1.23), позволяющую снизить напряжение ступени до значения 2% номинального при сохранении общей глубины регулирования. Это достигается путем уменьшения числа витков в ступени при сохранении общего количества регулировочных витков за счет второй «грубой» ступени регулирования, включаемой в схему без нагрузки с помощью дополнительного переключателя диапазонов. Однако, обладая преимуществами в обеспечении достаточно малого значения напряжения ступени при относительно небольших дополнительных затратах по сравнению со схемой на рис. 1.22, она несколько усложняет эксплуатацию, в частности в, режимах пуска, так как имеет шесть диапазонов. Эти схемы регулирования применяют в трансформаторах для мостовой схемы выпрямления и для нулевой с уравнительным реактором. Двенадцатифазный режим для мостовых схем выпрямления обеспечивается соединением одной половины ВО в треугольник, а другой в звезду, в то время как СО всех трансформаторов, питающих серию электролиза, выполняют с одинаковыми схемами соединения обмоток (в треугольник). В преобразователях по схеме две обратные звезды с уравнительным реактором двенадцатифазный режим выпрямления обеспечивается соединением СО одной половины трансформаторов серии в треугольник, а второй половины в звезду.

Рис. 1.23. Схема встроенного устройства РПН с двумя «грубыми» ступенями
Рис. 1.24. Зависимость отношения                         от диапазона регулирования напряжения:
1- при соединении СО в треугольник; 2- при переключении СО с треугольника на звезду; 3- при дополнительном переключении частей СО с параллельного на последовательное соединение

Глубина регулирования напряжения увеличивается до значения 80 — 85% переключением сетевой обмотки с треугольника на звезду или параллельно-последовательным переключением ее частей. В табл. 1.6 приведены значения глубины регулирования напряжения в зависимости от числа витков регулировочной обмотки при переключениях сетевой обмотки и ее частей. Из рис. 1.24 видно, что такие переключения значительно уменьшают число регулировочных вит ков обмотки, необходимых для обеспечения заданной глубины регулирования. Чтобы избежать разрыва между диапазонами регулирования напряжения при переключении СО с треугольника на звезду, число витков регулировочной обмотки должно составлять 0,725wсо, а для согласования диапазона регулирования при параллельно-последовательном переключении число витков регулировочной обмотки должно быть равно числу витков сетевой обмотки wсо.
Таблица 1.6

В последнем случае достигается глубина регулирования вместо 50% в схеме без переключений СО. В преобразователях со схемой две образные звезды с уравнительным реактором, в которых двенадцатифазный режим выпрямления обеспечивается соединением каждой из половин в треугольник и в звезду, дополнительный диапазон регулирования напряжения можно получить только переключением частей СО.
В табл. 1.7 приведены значения глубины регулирования для различных схем соединения сетевой обмотки, секционированной на четыре части. Так, при переходе с параллельного соединения частей сетевой обмотки на параллельно-последовательное при числе витков регулировочной обмотки, равном числу витков сетевой обмотки, глубину регулирования напряжения можно увеличить соответственно до 66 и 80% вместо 50% без такого пересоединения. Для получения такой же глубины регулирования, что и в схеме-переключения сетевой обмотки с треугольника на звезду, как это принято в мостовой схеме, необходимо иметь дополнительный диапазон регулирования. Введение дополнительного диапазона еще больше усложняет конструкцию СО, гак как требует секционирования ее на более мелкие части и применения более сложного диапазонного переключателя. В устройствах с токоограничивающим реактором обычно применяют регулирование напряжения посредством 17 ступеней, а в устройствах с токоограничивающим резистором — посредством 19-23 ступеней. На рис. 1.25 показано групповое регулирование напряжения с помощью одного трансформатора.

Таблица 1.7