Преобразовательные трансформаторы для выпрямительных и инверторных установок

Назначение

Использование силовой электроники различного назначения постоянно увеличивается. В этой связи есть потребность в специальных трансформаторах, работающих с выпрямительными и инверторными установками. Преобразовательные трансформаторы осуществляют передачу энергии между сетью переменного тока и цепями постоянного тока.

Область применения таких трансформаторов — это мощные привода промышленных предприятий (например, прокатные станы), привода мощных двигателей, частотно-регулируемые привода, устройства плавного пуска, системы возбуждения, установки электролиза и др. Также преобразовательные трансформаторы востребованы в схемах выдачи мощности возобновляемых источников энергии, таких как ветрогенераторы и солнечные батареи.

Помимо задачи передачи энергии между различными электрическими системами (переменного и выпрямленного тока) преобразовательные трансформаторы должны решать следующие задачи:

  • Обеспечивать гальваническую развязку между цепями переменного и постоянного (выпрямленного тока);
  • Увеличивать реактивное сопротивление сети переменного тока как источника мощности. Это необходимо для уменьшения токов КЗ на стороне постоянного тока и для сглаживания токовых фронтов на полупроводниковых ключах.
  • Обеспечивать регулировку напряжения посредством отпаек.

Трансформатор для выпрямительной установки это трансформатор, к вторичной обмотке которого подключены полупроводниковые ключи обладающие односторонней проводимостью (вентили — тиристоры, IGBT-транзисторы и др.), выполняющие преобразование переменного тока в постоянный (выпрямленный).

В зависимости от схемы работы выпрямителя, схемы сглаживающего фильтра и особенностей нагрузки постоянного тока условия работы такого трансформатора могут существенно изменяться. Простые схемы выпрямления являются трехфазными (трехфазная с нейтральной точкой, трехфазная мостовая), более сложные и современные схемы являются многофазными (6-ти и 12-ти фазными), что требует специальной конструкции трансформатора. При использовании шестифазной схемы с уравнительным реактором трансформатор и реактор могут быть выполнены в виде единого аппарата на общем основании — трансформатора с уравнительным реактором.

Инверторные установки имеют схожие схемы соединения, как и выпрямительные, но с обратным включением: полупроводниковые ключи осуществляют обратное преобразование (постоянного тока в переменный). Формируемый на выходе инверторной схемы ток является несинусоидальным. Степень несинусоидальности может быть различной: от почти прямоугольных импульсов переменной скважности (в случае фазового управления тиристорами) до ступенчатой кривой (в случае многоуровнего преобразования). Хотя схемы инверторных установок предусматривают сглаживающие фильтры, тем не менее условия работы трансформаторов в инверторных схемах схожи с выпрямительными.

Особенность конструкции

Одна из обмоток трансформатора может выполняться многофазной или расщеплённой, для использования в сложных схемах выпрямителей. Как указывалось выше, возможно изготовление  на общем основании преобразовательного трансформатора с уравнительной обмоткой.

К преобразовательным трансформаторам предъявляются повышенные требования в части уровня электрической изоляции (в связи с наличием на одной из обмоток постоянного напряжения), а также в части перегрузочной способности. Последнее обусловлено тем, что нагрев обмоток на стороне выпрямленного напряжения оказывается выше, чем на обмотке синусоидального тока промышленной частоты той же мощности. Также, обмотки на стороне полупроводниковых вентилей должны иметь повышенную механическую прочность. К характерным особенностям цепей выпрямленного тока относятся: пульсации тока, неравномерная нагрузка по фазам, несинусоидальные токи, содержащие ряд высших гармоник, смещение нуля (что вызывает вынужденное насыщение сердечника).

В силу особенностей конструкции воздушно-барьерный монолит хорошо адаптирован к ряду указанных воздействий. В частности, трансформаторы изготовленные по этой технологии имеют повышенную механическую прочность обмоток, хорошие нагрузочные характеристики (способность к перегрузке). Адаптация к остальным факторам включает усиление изоляции между обмотками, и усиление изоляции магнитопровода, увеличение сечения магнитопровода и ярма.

Преобразовательные трансформаторы являются специальными электрическими машинами, поэтому их изготовление требует подробного согласования спецификаций.