Особенности работы трансформатора в режиме двойного питания

Существенной отличительной особенностью решения ТИН на рис.6-8 является режим двойного питания его трансформатора рис.6-9. Он несколько затрудняет физически обоснованное и ясное описание принципа работы ТИН. Для снятия неясных вопросов, которые возникали также и у нас, нами было проведено имитационное компьютерное моделирование ТИН по рис.6-8. Результаты его представлены на рис.6-10.

Режим двойного питания трансформатора не часто встречается на практике и фактически не описан в технической литературе. Поскольку в рассматриваемых вопросах нас интересует физическая суть рабочих процессов в трансформаторе, то не желая оставлять без ответа возможные (неизбежно возникающие у заинтересованного читателя) вопросы, мы рассматриваем здесь этот режим специально.

Проанализируем отдельно случай однофазного трансформатора с двойным питанием (рис.6-9). Возьмем числа витков (W₁ и W₂= kW₁) двух его первичных обмоток, различающимися в k раз и запитаем их (при одинаковой полярности) напряжениями синусоидальной формы, также (соответственно) различающимися по значению в k раз. Очевидно, что на первичных обмотках при этом будут напряжения, по значению равные значениям напряжений своих источников питания. Таким образом, напряжения на этих обмотках по значению будут различаться между собой также в k раз. Если бы мы рассматривали такую ситуацию во вторичных оботках, то такой вывод не вызывал бы у нас никаких сомнений. Однако для первичных обмоток, как нам представляется, он требует дополнительного прояснения.

Рис.6-9. Трансформатор напряжения с двумя первичными обмотками в режиме двойного питания.

Каждая из первичных обмоток создает свой магнитный поток. В данном случае эти потоки одинаковы. В магнитопроводе они суммируются, составляя единый поток. Их значения определяются из известной модели, связывающей напряжение, индукцию, частоту и сечение магнитопровода :

Если во втором канале коэффициент k у напряжении питания и у обмотки будут иметь разные значения, то равенства потоков обмоток не будет, в результате чего между обмотками возникают электромагнитные процессы их выравнивания.

Для дополнительной проверки полученного нами вывода о том, что каждая обмотка в магнитопроводе создает свою часть потока и, соответственно, имеет свой ток ХХ, получим ответ на следующий вопрос: «Как изменится ток ХХ, например, в 1-й обмотке, если цепь с другой первичной обмоткой разорвать?». При решении задачи принять одинаковыми напряжения питания обмоток и числа их витков.

Для удобства решения задачи на схеме по рис.6-9 соединим точки «а» и «б». Эта связь не нарушает суть физических процессов. Тогда вместо рассмотрения двух контуров можно рассмотреть только один контур, вкючающий в себя цепь из двух последовательно включенных одинаковых источников питания и двух одинаковых первичных обмоток. Таким образом, мы получили трансформатор с удвоенным напряжением питания и удвоенным числом витков первичной обмотки. В этой цепи будет протекать ток ХХ с некоторым значением – I_хх. Разорвем далее одну (нижнюю) цепь. Оставшаяся часть схемы представляет собой цепь из последовательно соединенных первичной обмотки трансформатора (с уменьшенным в 2 раза числом витков) и источника питания (с уменьшенным в 2 раза напряжением). Если пренебречь активным сопротивлением обмотки, то ее индуктивное сопротивление X_L пропорционально частоте ω и значению индуктивности L: X_L= ωL. Поскольку L W ², то уменьшение числа витков в 2 раза приводит к уменьшению индуктивности в 4 раза. Таким образом, в оставшейся схеме сопротивление обмотки уменьшилось в 4 раза, а напряжение питания уменшилось лишь в 2 раза. Следовательно, ток ХХ в этом случае возрастет в 2 раза, а значение потока в магнитопроводе останется тем же, что и в варианте с двойным питанием.

В ТИН по рис.6-8 коэффициент k= как у напряжения питания, так и у обмотки. Из этого следует, что факт разницы в раз значений напряжений на двух первичных обмотках не противоречит физической сущности процессов.

Выводы:

1) Режим (корректного) двойного питания трансформатора может характеризоваться разными значениями напряжений U ¹₁ и kU ¹¹₁ на его первичных обмотках W ¹₁ и kW ¹¹₁ лишь при выполнении условия, что магнитные потоки, создаваемые обмотками одинаковы. Это означает, что должно ыполняться равенство –

При не выполнении этого условия в обмотках возникают уравнительные токи, которые в практически значимых решениях недопустимы.

2) Вывод распространяется и на случай, когда напряжения, питающие обмотки, имеют несинусоидальную, но одинаковую форму.

3) В случае, если питающие напряжения имеют разные формы (разные мгновенные значения), но одинаковые значения основных гармоник напряжения, то без принятия специальных мер, в обмотках все равно возникают уравнительные токи, обусловленные разницей между мгновен-ными значениями питающих напряжений.

4) Основываясь на выводе 1), для большей ясности понимания целесообразно взять значение коэффициента k=1. На существо физических процессов это никак не влияет. Такой прием приводит нас к уже рассмотренному в предыдущем разделе случаю (рис.6-6, рис.6-7), что освобождает нас от необходимости повторять описание процессов в этой части.

Описание принципа работы 2ФК-ТИН+3-2TF_≈

С выхода А1¹ ТИН 1 на последовательно включенные фазные обмотку 3 трансфильтра 9 и обмотку 10 (А1¹) трансформатора 12 подается фазное напряжение с формой «пьедестал» с максимальным значение , а с выходов А1¹¹ и В1¹¹ ТИН 2 на последовательно включенные фазные обмотки 4, 6 трансфильтра 9 и обмотку 10 (А1¹¹) трансформатора 12 подается линейное напряжение с формой «квазимеандр с паузой π/3» с максимальным значением (см. рис.6-10).

Благодаря соответствующему включению обмоток трансфильтра с фазными обмотками трансформатора 14, одна часть разности мгновенных значений напряжений на одноименных по фазе обмотках трансформатора 14, например, для фазы «А», равная

вычитается из фазного напряжения 1-го канала, а другая, в раз большая часть и равная

 

Рис.6-10. Временные диаграммы рабочих процессов в TV-3ФК-ТИН+3-2TF≈ : а), б) – фазные напряжения и токи (фазы «А») в первичных обмотках трехфазного трансформатора напряжения в 1-ом и 2-ом каналах ТИН; в) – напряжение на обмотке трансфильтра (фазы «А») 1-го канала и ток через обмотку; г) – выходные напряжение и ток ТИН (при RL нагрузке с cosφ2(1)=0,707) ; д) – потребляемый инвертором ток.

добавляется к фазному напряжению 2-го канала. В результате фазные напряжения на первичных обмотках 2-х каналов ( , ) и на вторичной обмотке ( ) приобретают одну и ту же форму:

При этом значения напряжений на первичных обмотках каналов по-прежнему отличаются между собой в раз.

Свойство трансфильтров выравнивать потоки, создаваемые первичными обмотками трансформатора двух каналов сопровождается и свойством выравнивания в них токов. Это дополнительное достоинство данного решения, которое значительно снижает вероятность одностороннего замагничивания магнитопровода трансформаторов, обусловленное неидентичностью характеристик ключевых элементов инверторной части.

Комментарий к временным диаграммам на рис.6-10.

Модуляция потребляемого ТИН тока частотой, равной выходной частоте ТИН, объясняется продолжающимся, медленно затухающим процессом выравнивания по фазам намагничивающего тока трансформатора напряжения (и трансфильтра). На начальном участке – от 0 до 270 мс уровень модуляции еще больше. Причина здесь кроется в том, что при моделировании начальные значения фазных токов были заданы нулевыми. Для сокращения длительности переходного процесса необходимо задавать значения токов, удовлетворяющие двум условиям: условию трехфазной системы и условию равенства току нагрузки с учетом, например 5% -го тока холостого хода трансформатора.

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы

1. С какой целью в схему однотрансформаторного двухканального ТИН введены три двухобмоточных трансфильтра?

2. Какое значение коэффициента трансформации должно быть между обмотками трансфильтра?

3. Какие процессы будут происходить в схеме ТИН по рис.6-8, если первичные обмотки трансформатора подключить непосредственно (без трансфильтров) к выходам ТИН1 и ТИН2?

4. Можно ли выполнить три трансфильтра на одном общем магнитопроводе? Ответ должен быть в доказательной форме.

5. С помощью имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) определить значения токов холостого хода (ХХ) в обмотках трансформатора напряжения по рис.6-9 при следующих значениях параметров (в 2-х вариантах):

– напряжения питания обмоток имеют синусоидальную форму с частотой f =100 Гц и действующими значениями:

а) U₁=100 B, U₂=300 B;

б) U₁ = U₂ =100 B;

– индуктивности первичных обмоток в этих 2-х вариантах имеют следующие значения:

а) L₁=100 мГн, L₂=300 мГн, их активные сопротивления соответственно r₁ = 1 Ом , r₂ =1,732 Ом;

б) L₁ = L₂=100 мГн, их активные сопротивления r₁ = r₂ = 1 Ом;

6. Для сравнения полученных в п.4 результатов с режимом традиционного (одинарного) питания (когда цепь с обмоткой kW₁ разорвана) с помощью ИКМ найти ток ХХ трансформатора при следующих параметрах: U₁ = 100 B, f =100Гц, L₁= 100 мГн, r₁= 1 Ом.

Примечания:

1) При моделировании не учитывать: нелинейность зависимости индукции магнитопровода от напряженности поля, а также потери на перемагничивание сердечника.

2) Коэффициент магнитной связи между первичными обмотками взять равным 1.

3) Учесть, что если ИКМ проводится при начальных нулевых значениях токов в обмотках, то длительность переходного процесса может составлять несколько десятков миллисекунд.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: