Я.Л. ФИШЛЕР, Р.Н. УРМАНОВ, Л.М. ПЕСТРЯЕВА

Я.Л. ФИШЛЕР, Р.Н. УРМАНОВ, Л.М. ПЕСТРЯЕВА
ТРАНСФОРМАТОРЫ
Выпуск 41
ТРАНСФОРМАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
МОСКВА
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
Ускорение развития народного хозяйства, в том числе электротехнической
промышленности, широкое внедрение достижений научно-технического прогресса в
производство способствуют более быстрому переходу экономики на интенсивный
путь развития, при этом большое значение приобретает экономия
энергоресурсов и материалов.
Одним из путей решения указанных задач является широкое использование
преобразовательной техники с созданным для нее высокоэкономичным,
современным трансформаторным оборудованием, так как более трети всей
электрической энергии потребляется в виде постоянного тока. В связи с этим
возрастает потребность в преобразовательных трансформаторах и другом
оборудовании различного конструктивного исполнения и разнообразного
назначения: для черной и цветной металлургии, химической промышленности,
электрифицированного железнодорожного и городского транспорта, электрохимии, электротехнологии, электромашиностроения и многих других отраслей.
Рост единичной мощности, токов преобразовательных трансформаторов и
реакторов предъявляет новые требования к их технико-экономическим
показателям, материалам, конструкциям. Существенное значение для улучшения
технологических схем, в которых применяются преобразователи, и повышения
качества конечной производимой продукции имеют качество выпрямленного
напряжения и способ его регулирования по заранее заданному режиму. Увеличение
выпрямленного тока до 100 к А и больше значительно усложняет конструкцию
сетевой и вентильных обмоток, требует разработки специальных схем и
конструкций обмоток, состоящих из нескольких частей и включаемых по
различным схемам. Число параллельных ветвей в обмотках мощных преобразовательных трансформаторов может достигать тысячи и более. В этих условиях
существенно усложняются задачи обеспечения равномерного токораспределения и
требуемых значений индуктивных сопротивлений короткого замыкания: сквозного,
частичного и коммутации. Наличие большого числа параллельных ветвей и
нескольких частей обмоток, соединяемых последовательно или параллельно,
усложняет электромагнитные расчеты, в частности определение параметров
основной и высших гармоник электромагнитного поля, токов, напряжения,
индуктивных сопротивлений, основных и добавочных потерь в обмотках
преобразовательного трансформатора, а также его мощности и КПД.
Отечественным трансформаторостроением накоплен большой опыт по
разработке, исследованию и производству трансформаторного оборудования
для преобразователей. В книге сделаны попытки обобщения теории и решения
задачи расчета, конструирования, испытания и эксплуатации современных
преобразовательных трансформаторов, в основном с масляным охлаждением. В
книгу включены некоторые результаты многолетней работы авторов в области
трансформаторостроения для преобразовательной техники, приводятся обобщенные характеристики трансформаторов преобразовательных установок,
номограммы и таблицы с различными расчетными коэффициентами и
параметрами, облегчающие работу инженера-конструктора и используемые на
заводе «Уралэлектротяжмаш» им. В. И. Ленина.
К сожалению, ограниченный объем книги не позволил осветить вопросы
расчета и конструирования сухих преобразовательных трансформаторов,
управляемых и неуправляемых реакторов различного назначения, несимметричной
и параллельной работы преобразователей, измерения электромагнитных величин
и некоторые другие частные вопросы.
Авторы выражают признательность М. А. Рогацкину, А. В. Виноградову,
Е. С. Пчелкиной, Р. А. Шариной за помощь в подготовке некоторых материалов
для рукописи, Г. А. Маликовой за рецензирование, способствующее улучшению
книги, Л. В. Лейтесу за просмотр рукописи и ряд ценных советов, принятых
авторами во внимание, а также Н. Н. Хубларову за высококвалифицированное
научное редактирование.
Замечания и пожелания по книге просьба направлять по адресу: 113114,
Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.
Авторы
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................................... ……………………………………………3
Введение .................................................................. ………………………………….………..5
Глава первая. Общие сведения. Режимы работы………………………………….9
1.1. Статические преобразователи. Функции преобразовательных
трансформаторов.................................................................................................................9
1.2. Схемы и фазность преобразования…………………………………………….....11
а) Нулевые схемы………………………………………………………………….....13
б) Мостовые схемы…………………………………………………………………..19
в) Кольцевая схема…………………………………………………………………...20
г) Схемы с повышенной фазностью преобразования……………………………...21
1.3. Схемы и группы соединения обмоток трансформатора…………………………23
1.4. Классификация напряжений и сопротивлений короткого замыкания………….29
1.5. Требования к сопротивлениям и напряжениям короткого замыкания…………35
1.6. Внешняя характеристика преобразователя……………………………………….40
а) Трехфазная мостовая схема при Ld = ∞…………………………………………41
б) Шестифазная схема с уравнительным реактором при Ld = ∞…………………42
в) Кольцевая схема преобразования при Ld = ∞…………………………………..43
1.7. Регулирование выпрямленного напряжения и стабилизация выпрямленного
тока............................................................................................................................ 44
1.8. Схемы регулирования напряжения и стабилизации тока……………………...49
а) Ступенчатое регулирование напряжения трансформаторов при
отключении всех обмоток…………………………………………………………..50
б) Ступенчатое РПН………………………………………………………………...50
в) Схемы встроенного ступенчатого РПН для электролизных установок……...53
г) Плавное и бесконтактное РПН…………………………………………………..56
д) Комбинированное РПН…………………………………………………………..64
е) Пофазное РПН…………………………………………………………………….67
1.9. Выбор испытательных напряжений……………………………………………...68
1.10. Классификация и условные обозначения преобразовательных
трансформаторов……………………………………………………………………….73
1.11. Классификация реакторов……………………………………………………....75
Глава вторая. Особенности конструкции трансформаторов ……………………...77
2.1. Магнитопроводы……………………………………………………………….…77
2.2. Выбор конструкции обмоток………………………………………………….....83
а) Сетевые обмотки………………………………………………………………...87
б) Вентильные обмотки……………………………………………………………89
в) Регулировочные обмотки………………………………………………………96
2.3. Установка и крепление обмоток на магнитопроводе………………………....96
2.4. Отводы сетевых обмоток ………………………………………………………101
2.5. Переключающие устройства…………………………………………………...104
2.6. Отводы вентильных обмоток…………………………………………………..107
2.7. Вводы………………………………………………………………………….….111
2.8. Сварные конструкции, общая компоновка трансформаторов………………..113
2.9. Системы охлаждения…………………………………………………………….118
2.10. Системы автоматики и контроля………………………………………………121
Глава третья. Расчет основных параметров преобразовательных
трансформаторов ………………………………………………………………….126
3.1. Исходные данные……………………………………………………………….126
3.2. Расчет токов, напряжений и мощностей………………………………………127
а) Действующее значение линейного тока вентильной обмотки………………127
б) Действующее значение фазного напряжения холостого хода вентильной
обмотки и коэффициент трансформации трансформатора…………………….128
в) Действующее значение линейного тока сетевой обмотки…………………..128
г) Расчет мощностей……………………………………………………………….128
3.3. Электромагнитные нагрузки трансформаторов……………………………….130
а) Электромагнитная индукция…………………………………………………..130
б) Расчет диаметра стержня магнитопровода и числа витков………………….131
3.4. Плотность тока в обмотках……………………………………………………..133
3.5. Расчет геометрии обмоток………………………………………………………136
3.6. Расчет параметров короткого замыкания……………………………………...140
3.7. Расчет индуктивного сопротивления отводов (шин) вентильных обмоток...146
3.8. Расчет потерь электроэнергии при нагрузке…………………………………..151
а) Основные потери в обмотках и отводах……………………………………...151
б) Добавочные потери в обмотках от вихревых токов основной
частоты……………….........................................................................................153
в) Добавочные потери в отводах…………………….........................................157
г) Добавочные потери при несинусоидальном токе……………………………158
д) Потери в конструктивных элементах………………………………………...159
3.9. Расчет потерь и тока холостого хода………………………………………….159
3.10. Расчет превышений температуры……………………………………………166
а) Тепловой расчет катушечных обмоток……………………………………..167
б) Тепловой расчет цилиндрических обмоток………………………………...171
3.11. Расчет систем охлаждения……………………………………………………176
а) Трансформаторы с естественным и дутьевым охлаждением……………..176
б) Трансформаторы с форсированными системами охлаждения Ц и ДЦ…...177
3.12. Особенности расчета токов короткого замыкания………………………….179
а) Короткое замыкание на вводах ВО…………………………………………..179
б) Короткое замыкание на шинах (плюс-минус) преобразователя…………..183
в) Пробой вентиля………………………………………………………………..185
3.13. Расчет электродинамической стойкости обмоток…………………………..187
Глава четвертая. Особенности расчета трансформаторов для двенадцатифазного
режима преобразования…………………………………………………………..196
4.1. Схема замещения………………………………………………………………..196
4.2. Зависимость индуктивных сопротивлений трансформатора от конструкции
обмоток............................................................................................................... 199
4.3. Внешняя характеристика преобразователя. Условие равенства токов
преобразовательных секций………………………………………………………..204
4.4. Расчет уравнительного тока……………………………………………………212
4.5. Расчет токов, напряжений и мощностей………………………………………216
4.6. Расчет добавочных потерь в обмотках……………………………………….224
4.7. Особенности расчета аварийных токов………………………………………232
Глава пятая. Особенности конструкции и расчета трансформаторов с
РПН…………….................................................................................................... 235
5.1. Расчет числа витков регулировочной обмотки и типовой мощности
трансформаторов с учетом глубины регулирования……………………………235
5.2. Конструкция обмоток и их расположение…………………………………..242
5.3. Расчет параметров холостого хода при пофазном регулировании
напряжения…………………………………………………………………………257
5.4. Расчет внешней характеристики преобразователя с пофазным регулированием
напряжения трансформатора устройством РПН…………………………………266
5.5.Расчет токов трансформатора с пофазным РПН при нагрузке………………268
5.6.Особенности расчета параметрических источников тока……………………272
Глава шестая. Расчет технико-экономических показателей……………………279
6.1. Общие вопросы технико-экономической эффективности…………………..279
6.2. Коэффициент полезного действия…………………………………………….281
6.3. Расчет потребляемой реактивной мощности………………………………...282
6.4. Цена преобразовательного трансформатора ………………………………..285
6.5. Расчет эксплуатационных издержек………………………………………….287
6.6. Расчет экономической эффективности……………………………………….288
6.7. Показатели технологичности трансформаторов ……………………………291
Глава седьмая. Особенности испытаний и эксплуатации преобразовательных
трансформаторов …………………………………………………………………293
7.1. Приемо-сдаточные испытания…………………………………………………293
7.2. Квалификационные, типовые и периодические испытания…………………300
7.3. Вопросы эксплуатации преобразовательных трансформаторов …………...306
Список литературы ……………………………………………………………………312