Тяговые трансформаторы. Регулирование напряжения

Трансформаторы. Как известно, трансформаторы способны повышать или понижать подведенное напряжение переменного тока. Напомним, что на дорогах, электрифицированных на переменном токе, номинальное напряжение в контактной сети равно 25 кВ, а тяговые двигатели работают при напряжении 900-1500 В. Поэтому тяговые трансформаторы электровозов понижают напряжение до значения, наиболее благоприятного для работы тяговых двигателей. Из теории работы трансформаторов известно, что отношение напряжения первичной обмотки U₁ к напряжению вторичной обмотки U₂ может быть принято равным отношению чисел их витков (соответственно w₁ и w₂), т. е. U₁:U₂ = w₁:w₂.

Таким образом, выбирая необходимое соотношение между числом витков первичной и вторичной обмоток, можно менять соотношение напряжений и тем самым регулировать частоту вращения якорей тяговых двигателей. Это проще и экономичнее, чем регулировать ее, включая в цепь тяговых двигателей пусковые резисторы и применяя различные группировки двигателей. Следовательно, то или иное вторичное напряжение U₂ можно получить, изменяя число витков в первичной (рис. 52, а) или вторичной (рис. 52, б) обмотке. Какой же способ лучше?

Рис. 52. Схемы, поясняющие регулирование напряжения на первичной (а) и вторичной (б) сторонах тягового трансформатора

Казалось бы удобней изменять число витков в первичной обмотке понижающего трансформатора, так как ток в ней меньше и поэтому будут легче коммутирующие аппараты. Однако регулировать таким способом напряжение U₁ в широких пределах трудно по следующей причине.

Если необходимо постепенно повышать напряжение на вторичной обмотке, то нужно, переключая соответствующие контакты 1, 2, 3, 4, уменьшать число витков в первичной обмотке (см. рис. 52, а). Напряжение, приходящееся на один виток первичной обмотки, будет по мере выполнения переключений увеличиваться. Одновременно магнитный поток в магнитопроводе трансформатора будет индуктировать э. д. с. и в отключенных витках обмотки. Поэтому по мере уменьшения числа витков первичной обмотки общее напряжение между ее началом и концом будет возрастать. Если, например, число витков последней секции обмотки будет меньше числа витков всей обмотки в 5 раз, то при напряжении контактной сети 25 кВ напряжение между началом и концом первичной обмотки составит 25·5 = 125 кВ. На это напряжение должна быть рассчитана изоляция трансформатора. Понятно, что такой способ на электровозах, где требуется регулировать напряжение в широких пределах, не применяют.

Регулирование на стороне высшего напряжения тягового трансформатора. Как уже было отмечено (см. рис. 52, а), практически это регулирование нельзя осуществить изменением числа витков обмотки высшего напряжения. Приходится применять трансформаторы с регулировочной обмоткой Р (рис. 53). Регулировочную обмотку Р размещают на дополнительном стержне сердечника трансформатора. Сечение этого стержня делают вдвое больше, чем остальных. Выводы (отпайки) регулировочной обмотки, представляющей собой автотрансформатор, используют для регулирования напряжения на первичной обмотке П трансформатора, имеющего постоянный коэффициент трансформации, а значит и на вторичной обмотке В. В начале пуска двигателей замкнут контактор 5 и весь магнитный поток, создаваемый обмоткой Р, замыкается через нижний стержень трансформатора.

Рис. 53. Схема регулирования напряжения на первичной стороне трансформатора с дополнительной регулировочной обмоткой

Напряжение на обмотке П равно нулю. Напряжение на обмотках П и В повышают, переключая контакторы 1-5. В результате этого часть магнитного потока, создаваемого обмоткой Р, ответвляется в средний стержень, а часть проходит через нижний. Число витков обмотки Р вдвое больше, чем обмотки В. Поэтому, когда переключатель секций обмоток Р займет среднее положение и число витков обмотки Р, подключенных к обмотке П, станет равным числу витков обмотки В, весь магнитный поток будет замыкаться через средний стержень. При дальнейшем уменьшении числа витков обмотки Р, подключенных к обмотке П, магнитный поток среднего стержня будет превышать магнитный поток верхнего стержня и избыточная часть потока будет замыкаться через нижний стержень. Когда напряжение на обмотке П станет равным напряжению контактной сети, половина магнитного потока среднего стержня пойдет через верхний и половина через нижний стержень. Следовательно, в верхнем стержне при любой позиции переключателя магнитный поток не изменяется, и поэтому в обмотке Р не будут возникать напряжения, превосходящие напряжение в контактной сети, как это происходит в схеме, показанной на рис. 52, а. Регулировочную обмотку в электровозах делят на 32-35 секций.

Достоинства системы регулирования на стороне высшего напряжения заключаются в сравнительно малых габаритах переключающих аппаратов, так как токи здесь в 10-20 раз меньше, чем при регулировании на стороне низшего напряжения. Кроме того, напряжения секций регулировочной обмотки не должны быть обязательно равны, как в электровозах постоянного тока. Ступени напряжения можно выбирать в зависимости от условий работы, на которые рассчитан электровоз.

Недостатки такой системы регулирования заключаются в сложной конструкции трансформатора и переключающей аппаратуры, рассчитанной на высшее напряжение, и сравнительно невысоком коэффициенте мощности (cos φ).

Регулирование на стороне высшего напряжения использовано на электровозах ЧС4, поставляемых в Советский Союз с 1966 г. из Чехословакии. Электрическое оборудование, а также принятый принцип регулирования напряжения этих электровозов отражают направление и традиции, существующие в зарубежном электровозостроении.

Регулирование на стороне низшего напряжения. На отечественных электровозах переменного тока всех серий регулируют напряжение на вторичной стороне трансформатора (см. рис. 52, б). Осуществить практически это не так просто, как кажется на первый взгляд. Допустим, что в начале пуска был замкнут контактор 1 и к потребителю подводилось напряжение, индуктируемое в секции а. Чтобы увеличить напряжение, нужно к секции а подсоединить секцию б, выключив контактор 1 и включив контактор 2. Но при этом на определенный промежуток времени потребитель был бы отключен от источника питания, т. е. электровоз работал бы рывками. Можно сделать и так: не отключая контактор 1, включить контактор 2 и только после этого выключить контактор 1. Однако и это плохо, потому что на некоторое время секция б окажется короткозамкнутой, что недопустимо. Поэтому секции трансформатора переключают, используя переходные реакторы (рис. 54, а) или резисторы.

Рис. 54. Схемы переключения секций трансформатора с помощью переходного реактора

Реактор может быть выполнен без стального сердечника. Особенность такого реактора заключается в том, что его индуктивность не зависит от проходящего по катушке тока, э. д. с. пропорциональна скорости изменения тока.

В исходном положении начало и конец реактора подключены к одному выводу вторичной обмотки трансформатора (допустим, к выводу 2). Ток нагрузки 1 делится между полуобмотками реактора поровну и направлен в них встречно, поэтому индуктивное сопротивление реактора равно нулю. Чтобы увеличить напряжение, подводимое к потребителю, один вывод реактора отсоединяют от вывода 2 трансформатора и присоединяют к выводу 3 (рис. 54, б), замыкая тем самым накоротко секцию 2-3. Но ток короткого замыкания i₀ неопасен для обмотки секции, так как он ограничен соответственно выбранным индуктивным сопротивлением реактора. Затем вывод реактора отсоединяют от вывода 2 трансформатора и присоединяют к выводу 3. В таком же порядке осуществляют последующие переключения секций трансформатора.

Переходной реактор используют также и для увеличения числа ступеней регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям. Для этого присоединяют к каждому выводу обмотки трансформатора два контактора (рис. 55, а). Нечетные и четные контакторы соединяют соответственно с двумя шинами, между которыми включен переходной реактор. Если замкнуты контакты 1 и 2, к тяговым двигателям подводится напряжение первой секции, и ток в полуобмотках реактора направлен встречно так, как показано на рис. 54, б. Чтобы повысить напряжение, а значит и скорость электроваза, отключают контактор 2 и включают контактор 4 (рис. 55, б). При этом реактор работает как автотрансформатор и делит напряжение секции пополам; к тяговым двигателям подводится напряжение U_ск + 0,5U_ск = 1,5U_ск. Затем отключают контактор 1 и замыкают контактор 3: к тяговым двигателям подводится напряжение 2U_ск и т. д. (потом 2,5U_ск, 3U_ск...). Такой способ перехода позволяет получить число ступеней, вдвое большее числа выводов трансформатора.

Рис. 55. Схемы включения переходного реактора на различных ступенях регулирования напряжения

Как видим, при регулировании напряжения контакторы 1-8 (см. рис. 55, а) разрывают и замыкают электрические цепи под током. Поэтому они должны быть снабжены дугогасящими устройствами. Однако количество контакторов достигает нескольких десятков и большое число дугогасящих устройств усложнило бы конструкцию контакторов, их эксплуатацию, снизило бы надежность. Поэтому на электровозах для переключения секций трансформатора устанавливают дополнительные контакторы с дугогашением, которые, включаясь и выключаясь в определенной последовательности, обеспечивают переключение остальных контакторов при обесточенной цепи.

Для увеличения числа ступеней регулирования напряжения при минимальном числе выводов трансформатора вторичная обмотка разделена на две. В каждой вторичной обмотке имеется несекционированная (нерегулируемая) часть и секционированная (регулируемая); последняя состоит из четырех секций с одинаковым числом витков, а следовательно, одинаковым напряжением U_ск.

Вначале нерегулируемую и регулируемую части включают встречно (рис. 56, а). Напряжение нерегулируемой части обмотки U_н несколько больше суммарного напряжения секции регулируемой части, поэтому подводимое к двигателям напряжение U_д = U_н - 4U_ск. Далее последовательно уменьшают число встречно включенных секций. Переключение секций производят, используя реактор. Когда все секции выключены, напряжение, подводимое к тяговым двигателям, равно U_н. Для дальнейшего повышения напряжения нерегулируемую и регулируемую части обмотки включают согласно (рис. 56, б), последовательно подключая к нерегулируемой части одну за другой секции регулируемой.

Рис. 56. Схемы включения нерегулируемой и регулируемой обмоток трансформатора

Все переключения обмоток и секций с помощью контакторов с дугогашением и без него должны происходить в строго определенной последовательности. Осуществляют эти переключения групповым аппаратом, называемым главным контроллером.