УДК 621.314.214
В.А. Халіков, канд. техн. наук
ПЕРЕХІДНІ ПРОЦЕСИ ПРИ КОМУТАЦІЇ ТРАСФОРМАТОРІВ І МОЖЛИВОСТІ ЇХ УНИКНЕННЯ
Розглядаючи різні технічні проекти раз по раз упевнюєшся в недооцінці екстремальних проявів при комутаціях первинної обмотки трансформаторів чи дроселів. До тих пір поки в електротехніці не було альтернативи монополії застосуванню механічних контактів-комутаторів, не могло бути мови про зняття проблеми кидків струму первинної обмотки трансформатора, що припадають на перші його періоди після включення і пов’язані із насиченням магнітопроводу і збільшеними на цей час значеннями його магнітного потоку, в порівнянні зі стаціонарним усталеним режимом роботи. Амплітуда струму, залежно від потужності трансформатора, в перший півперіод може мати кратність 5…10 по відношенню до номінального струму і з часом спадає по експоненті до значення струму холостого ходу. Тиристори, завдяки їх фактично нульовій інерційності на включення, у порівнянні з періодом струму промислової частоти 50 Гц, за кілька десятиліть широкого застосування здавалося б повинні були допомогти вирішити задачу. Проте при даній же постановці задачі необхідно розглядати одночасно взаємопов’язані електричні і магнітні аспекти проблеми, і тому хід її вирішення не завжди очевидний.
Майже в кожному підручнику по теорії електричних машин показано, що найбільш сприятливі умови для підключення однофазного трансформатора на номінальну напругу, при нульовому значенні залишкового магнітного потоку в його осерді, будуть тоді, коли момент його комутації співпаде із амплітудою синусоїдальної вхідної напруги (при фазовому куті φ=π/2). При цьому магнітний потік осердя відразу виходить на усталений режим, і у вхідному струмі буде відсутня перехідна складова, пов’язана з насиченням магнітопроводу. І навпаки, найбільш несприятливий у цьому плані момент часу при тих же початкових умовах для стану магнітопроводу буде при нульовій фазі напруги (φ=0). Це пояснюється тим, що в усталеному режимі синусоїдальна крива магнітного потоку відстає від напруги на четверть періоду, тобто нульове значення потоку співпадає із амплітудою синусоїди напруги мережі живлення, а його величина визначається вольт-секундною площею напруги, прикладеної до первинної обмотки. Тобто в проміжку часу, відповідному фазовим кутам π/2…π, а також позитивній полярності напруги і її направленості на спад від амплітуди до нуля, магнітний потік буде мати також позитивну полярність, проте буде збільшуватися до свого максимуму (при φ=π). Після переходу напруги в область від’ємних значень потік буде зберігати ту ж полярність, проте буде зменшуватися за величиною до свого нульового значення (при φ=3π/4) і т.д. Таким чином, для досягнення потоком свого максимуму досить четверті періоду напруги як позитивному, так і негативному півперіодам потоку відповідають суміжні різнополярні чверть періоди напруги. Більшість трансформаторів розраховується так, щоб значення потоку, а значить і прикладеної напруги, не спричиняло насичення магнітопроводу в усталеному режимі; деякий припуск дається лише на можливі відносно незначні перевищення напругою номінального значення. Тому підключення трансформатора в момент, відповідний φ=0, призведе до росту потоку тієї ж полярності, що і напруга, при тому, що її вольт-секундна площа матиме у порівнянні із усталеним режимом подвійну величину. Через чверть періоду потік досягне максимального значення, як і для усталеного режиму, а в подальшому, через насичення магнітопроводу, буде викликаний перший, найбільший за величиною кидок струму намагнічування. Із зміщенням моменту включення відповідно буде зменшуватися величина цього кидка струму аж до його зникнення при фазовому куті, рівному π/2.
Таким чином, із викладеного витікає найпростіший спосіб позбавлення згаданих проблем першого включення – це проектування магнітної системи трансформатора з подвійним запасом по індукції. Іншими словами, подача одного окремого півперіоду напруги не повинна призводити до ефекту насичення осердя. У такому випадку інерційність комутатора не має значення, маса та габарити трансформатора відповідно зростають і разом із тим є питання значення залишкового магнітного потоку осердя на момент кожного його наступного підключення.
Інший спосіб полягає в синхронізації моменту включення трансформатора із серединою півперіоду напруги. У такому випадку, безумовно, необхідне застосування тиристорного комутатора. Коли при наступному відключенні трансформатора від мережі живлення тиристори закриються в амплітуді напруги, то трансформатор матиме нульове значення залишкового магнітного потоку і таким чином буде підготовлений до комутації, тобто вже через півперіоду його знову можна буде включати. При природній комутації тиристорів це можливо при чисто індуктивному навантаженні вторинної обмотки або шляхом попереднього зняття навантаження і відключення трансформатора уже з режиму холостого ходу. З точки зору приведення магнітопроводу до нульових початкових умов, найбільш невигідним є активний характер навантаження, адже при цьому тиристорний комутатор відключить трансформатор при нульовому значенні напруги, тобто в максимумі потоку осердя. При даному жорсткому алгоритмі необхідно дочекатися спаду потоку до прийнятного рівня, тобто необхідний деякий досить тривалий проміжок часу.
Поліпшити динаміку роботи можливо, знаючи, що кожне наступне включення трансформатора повинно виконуватися в момент рівності поточного магнітного потоку осердя з його ж майбутнім усталеним магнітним потоком, що буде в ньому наявним після підключення напруги. Можливо, це і складне для розуміння формулювання, проте просте в реалізації. Усталений потік, що буде наявним після включення, одержують простим непереривним інтегруванням напруги мережі живлення. Поточний потік осердя одержується таким же чином, проте використовуючи окрему додаткову обмотку трансформатора або при достатній його жорсткості – вторинну. З першого погляду не очевидно, проте спосіб жорсткої синхронізації лише окремий випадок реалізації даного правила.