Преобразовательные трансформаторы со ступенчатым РПН имеют высокие КПД и коэффициент мощности. Однако, например, на электрифицированном на постоянном токе железнодорожном транспорте и в электрометаллургии, где требуется очень большое число переключений при автоматическом регулировании, а также для установок, где технология требует плавного регулирования напряжения, целесообразно создание трансформаторов с плавным бесконтактным РПН. Такие трансформаторные устройства повышают надежность работы установок, сокращают эксплуатационные расходы и облегчают автоматизацию производственных процессов.
Плавное РПН трансформатора может осуществляться следующими способами: скользящими по поверхности регулировочной обмотки контактами; перемещением подвижной вторичной обмотки; перемещением дополнительной короткозамкнутой обмотки; трансформаторами и автотрансформаторами с подмагничиваемыми шунтами; последовательно включенными трансформаторами и автотрансформаторами с подмагничиваемыми магнитопроводами; управляемыми реакторами, включенными последовательно с первичной или вторичной обмоткой трансформатора; управляемыми реакторами, включаемыми в два отвода регулировочной обмотки; встречно-параллельно соединенными тиристорами, включенными в ответвления СО трансформатора; специальными трансформаторно-тиристорными регуляторами-стабилизаторами напряжения. Плавное регулирование напряжения скользящими по поверхности регулировочной обмотки контактами применяется в электрических установках небольшой мощности и в лабораторных автотрансформаторах. Трансформаторы, в которых регулирование напряжения осуществляется перемещением подвижной вторичной или дополнительной короткозамкнутой обмотки, имеют сложную конструкцию, большую механическую инерцию, пониженную надежность и в преобразовательных агрегатах не применяются.
Рис. 1.25. Схема группового регулирования напряжения ПТ
Трансформаторы и автотрансформаторы с
Рис. 1.26. Однофазная схема последовательною включения обмоток двух трансформаторов с подмагничиваемыми магнитопроводами
Подмагничиваемыми шунтами или магнитопроводами обеспечивают плавное бесконтактное регулирование вторичного напряжения за счет перераспределений напряжения питающей сети между подвижными обмотками.
На рис. 1.26 показана однофазная схема последовательного включения обмоток двух трансформаторов с подмагничиваемыми магнитопроводами. Коэффициент трансформации такого устройства определяется из соотношения
(1-16)
где
— полные сопротивления взаимной индуктивности трансформаторов.
В (1.16) знак плюс соответствует схеме с согласным, а знак минус схеме со встречным включением обмоток трансформаторов.
В режиме XX вторичное напряжение трансформатора равно:
(1.17)
Диапазон регулирования напряжения при подмагничивании магнитопроводов трансформаторов зависит от пределов изменения σ, частичных коэффициентов трансформации согласного или встречного соединения обмоток трансформаторов. При нагрузке установка обладает дополнительным сопротивлением небаланса
(1.18)
Если в схеме на рис. 1.26 и формулах (1.16) — (1.18) принять n=0, т. е. С=0, то последовательно с трансформатором в СО будет включен управляемый постоянным током реактор (УпР).
Рис. 1.27. Внешние характеристики трансформаторов с бесконтактным регулированием напряжения
За счет подмагничивания УпР трансформаторная установка будет иметь внешние характеристики и регулировочную зону, изображенные на рис. 1.27, а. Подмагничивание УпР постоянным током позволяет уменьшить сопротивление небаланса (1.18) и регулирован, напряжение на нагрузке. При одном и том же диапазоне изменения отношения σ напряжение трансформатора в режиме холостого хода регулируется в меньших пределах, чем в режиме нагрузки. В режиме короткого замыкания УпР ограничивает ток. а к его силовой обмотке прикладывается полное напряжение сети. При включении УпР последовательно с ВО трансформатора напряжение в режиме XX не регулируется. При нагрузке регулирование осуществляется за счет изменения падения напряжения на УпР.
По условиям работы дуговых вакуумных печей в целях обеспечения заданного качества выплавляемого металла требуется стабилизировать ток нагрузки и ограничивать ток КЗ. возникающий при плавке. Поэтому трансформаторы с токоограничивающим реактором выполнялись с большим напряжением КЗ (до 27%), снабжались встроенными устройствами РПН, а также УпР, включенными в цепь ВО трансформатора для плавного регулирования напряжения в пределах одной ступени (рис. 1.28). Применение схемы с последовательным включением УпР обеспечило как плавное регулирование напряжения и стабилизацию тока, так и ограничение тока КЗ до заданного значения (рис. 1.27,б).
В случаях, когда диапазон регулирования напряжения не превышает 20—30% номинального, целесообразно применять схему бесконтактного регулирования управляемыми реакторами, включенными в ответвления обмотки трансформатора.
Рис. 1.28. Принципиальная схема комбинированного устройства РПН
На рис. 1.29, а приведена принципиальная однофазная схема бесконтактного регулирования напряжения управляемыми реакторами, включенными в два ответвления РО. Такое регулирование может осуществляться как со стороны ВО, так и со стороны СО. В процессе регулирования производят подмагничивание одного УпР и размагничивание другого. Если УпР1 полностью намагничен, а УпР2 размагничен, то напряжение питающей cent приложено к числу витков wа + wр первичной обмотки трансформатора и вторичное напряжение минимально. При размагничивании УпР1 и одновременном намагничивании УпР2 вторичное напряжение увеличивается. Это напряжение достигает наибольшего значения, когда УпР1 полностью размагничен, а УпР2 намагничен, так как в этом случае напряжение питающей сети прикладывается к наименьшему числу витков первичной обмотки wβ. Диапазон регулирования напряжения определяется напряжением ступени обмотки. Особенностью такого трансформатора является плавное и бесконтактное изменение коэффициента его трансформации по закону
(1.19)
где 
параметр, зависящий от режимов подмагничивания, УпР (в индексах — «ур»):
(1.24)
В (1.22) и (1.24) принято: Ζ1β —полное сопротивление нерегулируемой части СО; Ζ2 — полное сопротивление ВО.
Вторичное напряжение трансформатора при увеличении нагрузки определяется из соотношения
(1-25)
Применив схемы бесконтактной автоматики для управления процессом подмагничивания управляемых реакторов [1.18, 1.19], можно получить различные внешние характеристики трансформатора в пределах регулировочной зоны. Такой трансформатор обеспечивает также получение стабилизированных на различных уровнях (например, от 3,58 до 3,85 кВ) внешних характеристик (3—5 на рис. 1.30). При бесконтактном регулировании уровень напряжения XX создает благоприятные условия для применения рекуперации энергии, и трансформатор с таким регулированием используется для питания выпрямительно-инверторных агрегатов на тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог. В этом случае исключается необходимость в механических переключателях в анодной цепи и перевод преобразовательного агрегата из выпрямительного в инверторный режим осуществляется бесконтактно и автоматически. Применение бесконтактного способа РПН приводит к увеличению массы, габаритных размеров и стоимости преобразователей. Однако расчеты и опыт эксплуатации их на многих железных дорогах показали, что такие регулирующие устройства окупаются в нормированные сроки.
Рис. 1.30. Внешние характеристики шести- и двенадцатифазного тягового преобразователя для электрифицированных на постоянном токе железных дорог
При электрификации новых участков они позволяют за счет обеспечения высокого качества напряжения уменьшить число тяговых подстанций, уменьшить эксплуатационные расходы на тяговых подстанциях и окупить все расходы на создание и изготовление регулирующих устройств с управляемыми реакторами, при этом следует иметь в виду, что затраты на РПН существенно зависят от выбора диапазона регулирования. Для тяговых трансформаторов с бесконтактным регулированием оптимальным является диапазон изменения напряжения в режиме XX равный 20%. Расходы на регулирование при сохранении того же диапазона регулирования и практически тех же внешних характеристик уменьшаются, если в схеме на рис. 1.29, а один из управляемых реакторов заменить на неуправляемый, с индуктивным сопротивлением, ограничивающим циркулирующий в контуре ток при полностью подмагниченном управляемом реакторе.
В тяговом трансформаторе для двенадцатифазной схемы преобразования внешние характеристики становятся более жесткими (штриховые характеристики 2 и 6 на рис. 1.30) и для получения характеристик 3-5 диапазон регулировочной
обмотки можно уменьшить. Кривые 1, 7 на рис. 1.30 естественные внешние характеристики при шестифазной схеме преобразования. В табл. 1.8 приведены сравнительные данные трансформаторов с шести- и двенадцатифазным выпрямлением, а также регулятора, состоящего из двух управляемых реакторов (УпР-УпР), одного неуправляемого и одного управляемого реакторов (HP-УпР). Для некоторых преобразовательных трансформаторов целесообразно применять схему регулирования на рис. 1.29, б. В этой схеме УпР заменены встречно-параллельно включенными тиристорами. Автоматическое управление тиристорами позволяет осуществлять бесконтактное регулирование напряжения.
Таблица 1.8
