Преобразовательный агрегат

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ АГРЕГАТ
Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к нреобразовательной технике и может найти применение в устройствах с большими выпрямленными токами, например, для питания серий электролиза в цветной металлургии и химической промышленности.
Известен преобразовательный агрегат, содержащий трехфазный преобразовательный трансформатор, электромагнитные устройства, каждое из которых содержит сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью и обмотку; вентильные секции, соединённые параллельно на стороне постоянного тока, причём, трёхфазный трансформатор содержит магнитопровод, сетевую и вентильную обмотки, расположенные концентрически на стержнях магнитопровода, при этом вентильная обмотка состоит из п частей, каждая из которых соединена со своей вентильной секцией, и, по меньшей мере, две части вентильной обмотки имеют разные схемы или группы соединения, электромагнитные устройства установлены в цепях, соединяюших, по меньшей мере, одну из частей вентильной обмотки с её вентильной секцией, магнитопровод трансформатора содержит промежуточные ярма, и все части вентильной обмотки расположены на разных этажах магнитопровода и отделены друг от друга промежуточными ярмами; обмотки электромагнитных устройств подсоединены к управляемым источникам питания постоянного тока Л. 1 .
В описанном в Л.1 преобразовательном агрегате может быть достигнута высокая фазность выпрямления и выравнены напряжения холостого хода всех частей вентильной обмотки и, соответственно, выравнено токораспределение между вентильными секциями.
200511
МПК HOIF29/02
пряжения короткого замыкания коммутации трансформатора, находящимися в обратной зависимости по отношению к высоте одной части вентильной обмотки трансформатора. Поскольку при значительных (более 30 - 40 мВА) мощностях агрегатов их трансформаторы ограничены по высоте транспортным габаритом, напряжение короткого замыкания коммутации такого трансформатора примерно в п раз превышает напряжение сквозного короткого замыкания, что приводит к резкому росту потребления реактивной мощности, снижению косинуса ф (cos 91) и, соответственно, коэффициента мощности.
Ещё одним недостатком описанного решения является невозможность получения различных схем частей вентильной обмотки с оптимальными числами витков (при больших токах и малых напряжениях). При таких соотношениях в параметрах для выполнения 12-фазного выпрямления были бы оптимальны варианты с минимальными числами витков, например, схемами соединения двух частей в «треугольник с продолженными сторонами при числе витков Для фазных токов, равном двум, а для линейных - равном единице. При таких соединениях и числах витков получаются две части с эквивалентным числом витков 3,605, но поскольку угол сдвига по фазе в каждой части составляет 13,9 , суммарный угол сдвига между частями составляет: 13,9 X 2  27,8 9 30° и условие по фазовому сдвигу для 12-фазной схемы выпрямления не выполняется.
Полезной моделью решается задача создания преобразовательного агрегата, характеризующегося высокой фазностью выпрямления, оптимальным выполнением трансформатора и улучшенными в результате этого массогабаритными и эксплуатационными показателями, в том числе по cos cpi и коэффициенту полезного действия.
Для решения поставленной задачи в преобразовательном агрегате, содержащем трёхфазный преобразовательный трансформатор, электромагнитные устройства, каждое из которых содержит сердечник из материала с вы / //// сокой магнитной проницаемостью и обмотку; вентильные секции, соединенные параллельно на стороне постоянного тока; причем трехфазный трансформатор содержит магнитопровод, сетевую и вентильную обмотки, расположенные концентрически на стержнях магнитопровода, при этом вентильная обмотка состоит из п частей, каждая из которых соединена со своей вентильной секцией, при этом, по меньшей мере, две части вентильной обмотки имеют разные схемы или группы соединения; электромагнитные устройства установлены в цепях, соединяющих, по крайней мере, одну из частей вентильной обмотки с её вентильной секцией, предложено, согласно настоящей полезной модели, по меньшей мере, две части вентильной обмотки с разными схемами или группами соединения расположить на одном концентре и переплести между собой по высоте, а обмотки электромагнитных устройств подсоединить, по меньшей мере, к одной из частей вентильной обмотки, где 2 .
Полезная модель поясняется на примере выполнения чертежами. На фиг. 1 представлена принципиальная схема одного из примеров выполнения преобразовательного агрегата, на фиг. 16 и фиг. 1в - векторные диаграммы напряжений частей вентильной обмотки трансформатора. На фиг. 2 представлена принципиальная схема другого примера выполнения преобразовательного агрегата, на фиг. 26 - схема расположения обмоток в трансформаторе. На фиг. 3 и 4 представлены векторные диаграммы вторичных напряжений преобразовательного агрегата, изображённого на фиг. 2.
Преобразовательный агрегат, изображённый на фиг. 1а, содержит трёхфазный преобразовательный трансформатор 1, электромагнитные устройства 2, 3, 4, 5, 6, 7, содержапще сердечники из материала с высокой магнитной приницаемостью, соответственно: 8, 9, 10,11, 12, 13 и обмотки соответственно: 14, 15, 16, 17,18,19. Он содержит также вентильные секции 20, 21, соединённые параллельно на стороне постоянного тока. Трёхфазный трансформатор 1 содержит магнитопровод 22, сетевую обмотку 23 и вентильную обмотку 24, расположенные концентрически на стержнях магнитопровода (для примера, изображенного на фиг. 1, не показано). Вентильная обмотка 24 состоит из двух частей 25 и 26, т.е. в данном случае я  2. Часть 25 соединена с вентильной секцией 20, а часть 26 - с вентильной секцией 21. Электромагнитные устройства 2, 3, 4, 5, 6, 7 установлены внутри трансформатора 1 на выходных шинах частей 25 и 26 вентильной обмотки 24. т.е. в цепях, соединяющих части вентильной обмотки с вентильными секциями.
Части 25 и 26 вентильной обмотки 24 расположены на одном концентре и переплетены между собой по высоте (для примера, изображенного на фиг. 1, не показано). Часть 25 имеет схему соединения «треугольник с продолженными сторонами левого исполнения, а часть 26 - такую же схему соединения, но правого исполнения.
Обмотки 14, 15,16, 17, 18, 19 подключаются либо к одной части вентильной обмотки, либо к другой, либо к обеим частям (конкретно не проиллюстрировано) таким образом, чтобы посредством указанных электромагнитных устройств осуществлялся дополнительный фазовый сдвиг напряжений частей 25 и 26 вентильной обмотки 24.
На фиг. 1а показано, что числа витков в секциях 25, 26 вентильной обмотки 24 равны соответственно двум виткам и одному витку. При этом эквивалентное число витков, согласно расчёту, равно 3,605, а угол сдвига по фазе составляет 13,9°, см. фиг. 16 и фиг. 1в.
Для выполнения условия 12-фазного выпрямления на базе двух шестифазных преобразователей необходим угол относительного сдвига систем линейных напряжений частей вентильной обмотки, равный 30°, т.е. каждая часть должна иметь угол фазового сдвига 15.
Добавка в (15° - 13,9°)  1,1° создается устройствами 2, 3, 4, 5, 6, 7, которые в данному случае выполняют роль фазосдвигающих трансформаторов. Как показывают расчёты, суммарная мощность указанных электромагнитных устройств в рассмотренном конкретном случае составляет около 2% от
МОЩНОСТИ трёхфазного трансформатора, что практически не сказывается на его массо-габаритных показателях. В то же время применение заявляемого технического решения в ряде  может быть очень эффективным. Например, для электродной промышленности в настоящее время выпускаются 12-фазные агрегаты с выпрямленными параметрами 50 кА; 300 В. Трансформатор типа ТЦНП- 25000/1ОУХЛ4 имеет вентильную обмотку с числами витков в частях, соединённых в «звезду и «треугольник, равными соответственно 4 и 7. При указанных выпрямленных параметрах такие числа витков очень далеки от оптимальных. Переход на эквивалентное число витков 3,6, как было представлено в рассмотренном выше примере, согласно приведённым расчётам, позволяет практически в 2 раза уменьшить массу трансформаторов и на 30% снизить его потери.
Следует заметить, что эффект был бы аналогичен в том случае, если бы схемы соединения частей вентильной обмотки были одинаковы, но группы соединения - разные, например, если бы в части 26 при той же схеме, что и в части 25 подключение части 26 к вентильной секции 21 было бы осуществлено с «переброской фаз, т.е. при изменении маркировки ввода фазы «а на «Ь и, наоборот, фазы «Ь - на «а.
В рассмотренном выше примере, проиллюстрированном фиг. 1а, электромагнитные устройства размещены внутри бака трёхфазного трансформатора, однако, они могут быть размещены и на вводах трансформатора вне его бака и вообще на удалении от трансформатора.
Преобразовательный агрегат, изображённый на фиг. 2а, содержит трёхфазный преобразовательный трансформатор 1, электромагнитные устройства 2, 3, 4, 5, 6, 7, содержащие сердечники из материала с высокой магнитной проницаемостью, соответственно: 8, 9, 10, 11, 12, 13 и обмотки соответственно: 14, 15, 16, 17, 18, 19. Он содержит также вентильные секции 20 и 21, соединенные параллельно на стороне постоянного тока. Трехфазный преобразовательный трансформатор 1 содержит магнитопровод 22, сетевую
обмотку 23 и вентильную обмотку 24, расположенные концентрнчески на стержнях магнитопровода 22, см. фиг. 26.
Вентильная обмотка 24 состоит из двух частей 25 и 26 (л  2). Часть 25 соединена с вентильной секцией 20, а часть 26 - с вентильной секцией 21. Электромагнитные устройства 2, 3, 4, 5, 6, 7 установлены внутри трехфазного преобразовательного трансформатора 1 на выходных шинах частей 25 и 26 вентильной обмотки 24, т.е. в цепях, соединяющих части вентильной обмотки с вентильными секциями.
Части 25 и 26 вентильной обмотки 24 расположены на одном концентре и переплетены между собой по высоте, см. фиг. 26. Часть 25 имеет схему соединения «треугольник, а часть 26 - схему соединения «звезда.
Обмотки 14, 15, 16, 17, 18, 19 подключаются либо к одной части вентильной обмотки, либо к другой, либо к обеим частям таким образом, чтобы посредством указанных электромагнитных устройств осуществлялся фазовый сдвиг напряжений, или вольтодобавка, или вольтоотбавка.
На фиг. За и 36 представлены векторные диаграммы напряжений частей 25 и 26 вентильной обмотки 24, в частности, на фиг. За - векторные диаграммы напряжений части 25, а на фиг. 36 - векторные диаграммы напряжений части 25 вентильной обмотки 24 трехфазного преобразовательного трансформатора 1.
В зависимости от конкретных схем подключения обмоток электромагнитных устройств 2, 3, 4, 5, 6, 7 к частям 25, 26 вентильной обмотки 24 как для части 25, так и для части 26, показано 12 вариантов изменений напряжений этих частей с учётом напряжений, создаваемых электромагнитными устройствами.
Таким образом, возможны сотни различных сочетаний. Среди них наиболее интересны следующие.
.
хода составляет 1%) для идеального равенства напряжений частей на холостом ходу без изменения угла сдвига по фазе напряжений частей, равного 30°, возможно применить следующие варианты:
однопроцентная вольтодобавка напряжения части, соединённой в «звезду - вариант 12А, 12В, 12С без изменения напряжений в части, соединённой в «треугольник (в этом случае электромагнитные устройства 2, 3, 4 отсутствуют) - см. векторную диаграмму на фиг. 4а;
однопроцентная вольтоотбавка напряжения части, соединённой в «треугольник - вариант 6А, 6В, 6С без изменения напряжений в части, соединённой в «звезду (в этом случае электромагнитные устройства 5, 6, 7 отсутствуют) - см. векторную диаграмму на фиг. 46;
полпроцентная вольтодобавка напряжения части, соединённой в «звезду и полпроцентная вольтоотбавка напряжения части,соединённой в «треугольник - вариант 12А, 12В, 12С и 6А, 6В, 6С - см. векторную диаграмму на фиг. 4в. Как показали проведённые расчёты, масса трансформатора в преобразовательном агрегате с выпрямленными параметрами 70 кА, 1ОООВ при применении решения, соответствующего рассмотренному выше примеру, может быть снижена  одновременным снижением потребления реактивной мощности преобразовательным агрегатом на 25 - 30%.
Ещё одним, представляющим интерес случаем, является сочетание чисел витков в частях, соединенных в «треугольник и «звезду, такое как 5 к 3. В этом случае, в сравнении с предыдущим, напряжение холостого хода части, соединенной в «звезду, на 4% превышает напряжение холостого хода части, соединенной в «треугольник. Для выравнивания напряжения холостого хода в этом случае нужно без изменения сдвига по фазе добавлять напряжения части, соединённой в «треугольник, и убавлять напряжение части, соединённой в «звезду
Поскольку в этом случае разница в напряжениях частей составляет 4%, что в 4 раза превышает разницу в напряжениях, рассмотренную в предыдущем случае (1%), в данном случае целесообразно применение электромагнитных устройств в каждой из частей, осуществив при этом двухпроцентную вольтоотбавку напряжения части, соединённой в «звезду, и двухпроцентную вольтодобавку напряжения части, соединённой в «треугольник - вариант 6А, 6В, 6С и 12А, 12В, 12С - см. векторнз ю диаграмму на фиг. 4г.
Согласно расчётам, переход на рассмотренное решение в преобразовательном агрегате с выпрямленными параметрами 63 кА, 450 В, позволяет снизить массу трансформатора на 25 - 30% и сократить потребление реактивной мощности на 20%.
Также, как и в примере, представленном на фиг. 1, электромагнитные устройства могут располагаться внутри трансформатора, на вводах трансформатора или в отдалении от трансформатора.
Рассмотренные варианты реализации, представленные на фиг. 2, 3, 4, относятся к вольтодобавочным и вольтоотбавочным вариантам без применения фазовых сдвигов в частях вентильной обмотки. Случаи изменения фазовых сдвигов частей вентильной обмотки могут быть целесообразны к применению при использовании преобразовательного агрегата в составе многофазной преобразовательной подстанции, когда есть необходимость выполнения дополнительных фазовых сдвигов напряжений частей вентильной обмотки на несколько электрических градусов.
Таким образом, на основании рассмотренных примеров использования заявляемого решения можно сделать вывод, что его использование в мощных преобразовательных агрегатах на большие токи позволит существенно в ряде случаев до двух раз уменьщить массу преобразовательного трансформатора и значительно (до двух и более раз) уменьшить потребление реактивной мощности преобразовательным агрегатом, повысив тем самым его cos
Эффективность заявляемого технического решения подтверждена результатами его аналитического моделирования.
Его использование планируется в мощных преобразовательных агрегатах на большие токи в алюминиевой, химической и электродной промышленности.
Литература:
1. Ofen - und Gleichrichtertransformatoren. H.Heindl, Sonderdruck aus ETS - A, Heft 3, 1977, s. 5, Bild 6.
/-//
9