Nagyteljesítményű szabályozós egyenirányító transzformátorok tervezési kérdései
Egyenirányító transzformátor Tápláló hálózat 1f / 3f 50 / 60 Hz Transzformátor Ipari elektronikai berendezés Terhelés Mérés Szabályozás, vezérlés (szűrők, védelmek) Alapjelek
Teljesítmény félvezető eszközök (PSD = Power Semiconductor Device) D (diode), SCR (thyristor=silicon controlled rectifier) max. 5-8 kv, 5 ka TRIAC (triode alternating current) GTO (gate turn off thyristor) RCT (reverse conducting thyristor) SIT (static induction thyristor) MCT (MOS controlled thyristor) LTT (light triggered thyristor) BJT (bipolar junction transistor) FET (field effect transistor) MOSFET (metal oxide semiconductor FET) IGBT (insulated gate bipolar transistor) SIT (static induction transistor) stb. PIC (power integrated circuit) PEBB (power electronics building block)
Alkalmazási területek Telekommunikációs berendezések (audio, TV, video) (<1 MVA) Akkumulátor töltés (pl. UPS=uniterruptable power supply) (<1 MVA) Villamos ívhegesztés (<1 MVA) Galvanizálás (<1 MVA) Megújuló energiaforrások hálózatai (nap, szél stb.) (<3 MVA) Elektrolítikus gázok előállítása (< 5 MVA) Szabályozott vill. hajtások (emelés, tekercselés, hengerlés stb.) (<10 MVA) Különleges eá hálózatok (vontatás, vill. korrozióvédelem stb.) (<10 MVA) Vontató járművek (hajó, mozdony, villamos stb.) (<10 MVA) Alumínium gyártás és más ipari alkalmazás (20-60 MVA) Egyéb (pl. HVDC, FACTS)
Az egyenirányító transzformátorok jellemző műszaki adatai Primer feszültség:10-30 kv (nagyobb teljesítménynél 120 kv-ig) Szekunder feszültség: 50-1000 V Szekunder áram: 100 A - 200 000 A
Szabványok IEC 60136 Semiconductor converters IEEE C57.18.10 Standard Practices and Requirements for Semiconductor Power Rectifier Transformers IEC 60076 Power transformers A felhasználó műszaki specifikációja!!!
A teljesítménytől független különleges tervezési problémák az egyenirányító transzformátornál 1. Az alkalmazástól függő feszültségszabályozás igénye Megoldandó: a tervezőnek gondosan ki kell választania a leggazdaságosabb feszültség szabályozási módot 2. Felharmonikusok megjelenése az áramirányító berendezések működése következtében Megoldandó: járulékos veszteségek (tervezésnél figyelembe venni) a tápláló hálózat szinuszos hullámalakjának torzulása (minimumra csökkenteni a gazdaságosság ésszerű határain belül)
Leggyakrabban alkalmazott egyenirányító kapcsolások Híd kapcsolás Szívó-fojtós kapcsolás: Összehasonlítás Szívó-fojtós kapcsoláshoz feleannyi dióda szükséges. Szívó-fojtós kapcsoláshoz használt diódák záró irányú feszültsége kétszer akkora Szívó-fojtós kapcsolást tápláló transzformátor beépített teljesítménye nagyobb Összegezve: 400-500 V-ig általában a szívó-fojtós kapcsolás a gazdaságosabb megoldás, e feletti egyenfeszültségekre általában a hídkapcsolást választjuk
A transzformátor beépített teljesítménye 3f6ü2u (hídkapcsolás, full-wave rectifier) 1.05 2x3f6ü2u (szívó-fojtós kapcsolás, double star rectifier with interphase tr.) 1.26. 3f3ü1u (half-wave rectifier) 1.35. Müller-Lübeck törvény: h = c x n +_ 1 Ih = I1 /h
A legfontosabb eltérések a teljesítmény-transzformátorokhoz képest Feszültségszabályozás mindig a primer oldalon Esetenként transzdukturos feszültségszabályozás a szekunder oldalon Fázis toló kapcsolások alkalmazása (többnyire a szekunder oldalon) Nagyáramú tekercsek és kötések (a szekunder oldalon mindig kívűl) Nagyobb járulékos veszteségek Nagyobb várható zárlati áramok (32 42 x)
Szívó-fojtós kapcsolás
Hídkapcsolás
Közvetlen feszültségszabályozás 25 kv-ig The regulation is at the neutral point. The regulation range is about 1:2. Reversing type tap-changer necessary for this connection type.
Közvetlen feszültségszabályozás 35 kv-ig A neutral point, direct regulation mode can be seen on the figure with coarse-fine regulation. The regulation range is about 1:2.
Közvetett feszültségszabályozás 10-20 kv-ra Regulating transformer is an autotransformer (T B ) mounted on a separated core. It has a main winding and a tapped winding. The U 1 supply voltage is connected to the T B autotransformer, which furnishes the regulated primary voltage of the T F main transformer. The regulated U 2 voltage appears on the secondary side of T F main transformer. For this type of regulation a delta connected tap-changer or three pieces, one phase tap-changer is necessary. This regulation mode applied in a range of 10-20 kv of supply voltage, when the secondary output voltage must be regulated from a maximum value to 0.
Közvetett feszültségszabályozás 30-60 kv-ra This connection is similar to the previous one, but with coarse-fine regulation.. The applied tap-changer is delta type or three pieces, one phase tap-changer. The secondary voltage can be reduced from a maximum value to 0.
Követett feszültségszabályozás 60-70 kv-nál This connection can be chosen for about 60 kv supply voltage. At this arrangement the regulation is made by the tapped winding of T s transformer. This connection is applicable for the regulation range of 1:3. At higher regulation range (to 0) a coarse tap selector is also necessary beside the fine tap selector. The fine tap selector is located at the neutral point.
Közvetett feszültségszabályozás 110-220 kv-nál Regulation is made by a separate adapter transformer, of which secondary voltage supplies the rectifier transformer. The advantage of this connection is that the voltage of regulated winding can be chosen to the most suitable level for the circuitry. The regulating range is from the maximum value to 0. The tap-changer is at the neutral point. The most beneficial value of the regulated voltage is about 30 kv.
Közvetett szabályozás 110 220 kv-ra In this case the T F main transformer has three windings. The I. is connected to the network, the II. is the secondary winding, which is in series connected to the secondary winding of T s transformer. The regulation is made such a way, that the voltage produced by the tapped winding of III. transformer is connected to the primary winding of the series transformer through the tap-changer. The voltage of tapped winding can be chosen also the optimum value in this connection. The tap-changer can be at neutral. The range of regulation can be from maximum secondary voltage to 0.
A transzformátorban keletkező veszteségek
A transzformátorban keletkező veszteségek Az összes terhelési veszteség tehát meghatározható: 1. A rendelő által megadott felharmonikusokból vagy 2. Az adott kapcsolásra szabványokban ajánlott, várható felharmonikusokból vagy 3. A rendelő által megadott K tényezőből vagy 4. Korábbi mérésekből származtatott K tényezőből. Megjegyzések: A nagyáramú kötések vesztesége számottevő lehet, amit ugyancsak figyelembe kell venni. A harmonikusok veszteségnövelő hatását a kötésekben a P SL re megadott módon kell számolni.
A transzformátorban keletkező veszteségek
Fázistoló kapcsolások Fázistoló kapcsolásokkal a harmonikus tartalom hatékonyan csökkenthető. Hátránya ezen megoldásoknak, hogy a transzformátorba több anyagot kell beépíteni (réz, szigetelés, vas, olaj) A fázistolás történhet: Párhuzamosan kötött transzformátorokkal(pl. 2 db 6 ütemű kapcsolás párhuzamos kapcsolásával, de az egyik transzformátor feszültségének 30 fokkal történt eltolásával az eredmény 12 ütemű kapcsolás) Párhuzamosan kötött tekercsekkel (emeletes vasmag vagy több transzformátor egy közös szekrényben) Megyjegyzés: kiegyenlítő járomra lehet szükség, ha a vasmag emeletek fluxusa nincs fázisban
Fázistolás párhuzamusan kötött transzformátorokkal 2 x 6 ütemű = 12 ütemű kapcsolást ad ha a fázistolás a transzformátorok között 30 fok 4 x 6 ütemű = 24 ütemű kapcsolást ad ha a fázistolás a transzformátorok között 15 fok 6 x 6 ütemű = 36 ütemű kapcsolást ad ha a fázistolás a transzformátorok között 10 fok 8 x 6 ütemű = 48 ütemű kapcsolást ad ha a fázistolás a transzformátorok között 7.5 fok
Példák Szívó-fojtós kapcsolással Híd kapcsolással
Fázistolás vektorábrája és kapcsolása delta és csillag kapcsolás összekapcsolásával (Combined Delta-star Connection, Extended Delta Connection)
Fázistolás vektorábrája és kapcsolása zeg-zug kapcsolással (Asymmetric Zigzag Connection)
36.6 MVA, 15 kv szabályozós autotranszformátor Műszaki adatok: Kapcsolási séma Névleges teljesítmény: 36600 kva Fázisok száma: 3 Névleges frekvencia: 50 Hz Névleges feszültségek: -primer: 15000 V -legnagyobb szekunder: 18210 V -legkisebb szekunder: 2290 V Szabályozó fokozatok száma: 3 x 31 = 93 Névleges áramok: -primer: 1409 A -szekunder: 1218A Rövidzárási feszültségesés: 1 % Kapcsolási csoport: YaN0 Hűtési mód: OFAF
36.6 MVA, 15 kv szabályozós autotranszformátor
36.6 MVA, 15 kv szabályozós autotranszformátor Belső kötés Felülnézet Elölnézet
31.5 MVA, 18 kv egyenirányító transzformátor Műszaki adatok: Kapcsolási séma Névleges teljesítmény: 31500 kva Fázisok száma: 3 Rated frequency: 50 Hz Névleges feszültségek : -primer: 18000 V -szekunder: 2 x 895 V Névleges áramok: -primer: 1010 A -szekunder: 2 x 10160 A Rövidzárási feszültségesés : 10 % Kapcsolási csoport : Zdd Fázisfordítási szög a primer és a szekunder között: - 41.25º Hűtési mód: OFAF
31.5 MVA, 18 kv egyenirányító transzformátor
31.5 MVA, 18 kv egyenirányító transzformátor Belső kötés Felülnézet Elölnézet
Szabályozós autotranszformátor
Egyenirányító transzformátor