Как выбрать трансформатор

Необходимость применения в составе индукционной установки  силового трансформатора определяется, в основном, технологическим  назначением установки и электрическими параметрами генератора, колебательного контура, индуктора.

Как правило, установки для сквозного нагрева и плавки металлов, работающие с однотипными многовитковыми индукторами, не содержат трансформаторов для  согласования работы индуктора с генератором. Применение многовитковых индукторов даёт возможность,  на стадии  проектирования, определить необходимое количество витков индуктора для согласования его сопротивления с параметрами генератора, с целью потребления от источника номинальной мощности.

Не требуется применение трансформатора и в индукционных нагревательных установках с заменяемыми многовитковыми индукторами, близкими по своим электрическим параметрам, когда не требуется получение от генератора максимальной  мощности.

В тоже время, существует большая группа технологических процессов,  при реализации которых необходимо применение  трансформаторов.

Если требуется использовать генератор на его максимальную мощность, то  характер электрического сопротивления нагрузочного контура приводят к активному характеру, а его величину к значению   близкому к внутреннему сопротивлению источника питания.

Приведение сопротивления нагрузочного контура к параметрам оптимальным для работы с конкретным источником питания достигается:

• настройкой контура в резонанс,  путём подбора необходимой величины компенсирующей ёмкости,
• приведением сопротивления, настроенного в резонанс контура, к величине близкой к внутреннему сопротивлению генератора путём подбора нужного коэффициента трансформации трансформатора.

Последовательность проведения операций по настройке контура в резонанс и выбора оптимального коэффициента трансформации зависит от места трансформатора в силовой схеме индукционной установки.

На рисунках 1,2,3,4,5 представлены принципиальные электрические схемы индукционных установок  с применением трансформаторов (автотрансформаторов).

Условные обозначения: -генератор-«Г-р», трансформатор-«Тс», «Атр», «Тз», конденсаторная батарея — «С», индуктор — «И».

Выпускаемые трансформаторы можно разделить на согласующие, автотрансформаторы и закалочные. Понятно, что по своей природе любой трансформатор является элементом согласования, но в терминологии индукционных электротермических установок устоялось такое деление.

В таблицах 1,2,3 представлены основные марки выпускаемых ООО «ВЧТ» трансформаторов.

Трансформаторы согласующие

 Таблица 1

Автотрансформаторы

Таблица 2

Трансформаторы закалочные

Таблица 3

Трансформаторы согласующие (таблица 1).

Выпускаемые в настоящее время источники питания (генераторы) для индукционных электротермических установок могут различаться по величине номинального выходного напряжения. Обычно выходное напряжение источников питания 400В, 800В. Для нагрузочных контуров индукционных установок, включающих индукторы, конденсаторы, возможно и трансформаторы, может не подходить напряжение источника питания. Поэтому вопрос согласования напряжений генератора и нагрузки весьма актуален и решается путём применения согласующих трансформаторов. Также согласующий трансформатор может быть использован для сокращения потерь в линии соединяющей генератор с нагрузкой, за счёт снижения величины тока в линии, путём повышения напряжения его передачи.

Для реализации перечисленных целей используются трансформаторы   ТСС1-250-2,4 и  ТСС1-250-10, работающие на частотах 2,4 и 10 кГц,  повышающие (понижающие) напряжение с 400В до 800В. Коэффициент трансформации в этих трансформаторах фиксирован. При необходимости, могут быть поставлены трансформаторы с другими соотношениями напряжений на обмотках.

Также выпускаются трансформаторы, служащие для гальванической развязки источника питания и колебательного контура. К ним относятся трансформаторы типа ТСС3-250-2,4 и  ТСС3-250-10, имеющие коэффициент трансформации равный единице и первичное напряжение  400В.

В номенклатуре  согласующих трансформаторов имеется трансформатор типа

ТРС1-1600С4  мощностью   до 1600 кВА. Первичное напряжение трансформатора U1=800В (допускается повышение напряжения до1000В по согласованию с изготовителем). Вторичное напряжение U2=800÷240B (допускается расширение диапазона по согласованию с изготовителем). В отличие от трансформаторов типа ТСС, в трансформаторе ТРС1-1600С4 имеется возможность переключения  количества  витков, как на одной обмотке, так и на другой. Трансформатор  имеет расширенный диапазон изменения коэффициента трансформации. Вторичное напряжение U2=800÷240B (допускается расширение диапазона по согласованию с изготовителем).

Новые конструктивные решения, найденные при разработке закалочного трансформатора ТЗ1-1600С4 были перенесены на трансформатор ТРС1-1600С4, что повысило его энергетические показатели, снизило  массу и габариты,  в сравнении с более известным ТРС1-800. При разработке этого трансформатора не ставилась задача повышения  мощности до 1600кВА, поскольку область применения трансформатора это  согласование параметров нагрузочного контура с генератором, а потребности в согласующих устройствах столь большой мощности нет. Однако, известно, что использование устройств, при пониженной относительно номинальной, мощности, повышает ресурс их работы и это достоинство наряду со сниженными массогабаритными показателями должно быть интересно потребителю. Следует обратить внимание на то, что согласующие трансформаторы, даже такие мощные, как ТРС1-1600С4 не могут быть использованы в качестве контурных понижающих (закалочных) (рис.3).

Автотрансформаторы (таблица 2).

Для согласования работы генератора с индукционным нагревателем, например, кузнечным, оснащённым сменными индукторами может быть применён автотрансформатор. Автотрансформатор позволяет менять напряжение с достаточно мелким шагом.  Коэффициент трансформации автотрансформатора, как правило, лежит в диапазоне -1÷2.

Автотрансформатор не обеспечивает гальванической развязки генератора с контуром. В таблице 2 приведены два типа автотрансформаторов с мощностью 500 кВА на  частоты 2,4 кГц и 8-10 кГц.  На рис.4 представлен  вариант  схемы содержащей автотрансформатор.

Трансформаторы закалочные (таблица 3).

Наиболее распространённым типом трансформаторов являются закалочные. Практически любая среднечастотная индукционная установка для поверхностной закалки имеет такой трансформатор.  Все выпускаемые нами трансформаторы имеют продолжительность включения равную 100%,  что обеспечивается водяным охлаждением обмоток и магнитопровода. В конструкции трансформаторов предусмотрено  переключение  коэффициентов  трансформации. Обмотки трансформаторов разделены на секции и, при необходимости, могут быть заменены.

Мощности трансформаторов составляют ряд:   800, 1600, 3200 кВА.

Рабочие частоты, на которых работают трансформаторы, лежат в диапазоне – 2,4 ¸10 кГц. Использование трансформаторов на частоте 1кГц также возможно, но при условии ограничения  диапазона  изменения  коэффициентов  трансформации.

Трансформаторы предназначены для согласования напряжения индуктора с напряжением генератора.  На рис.5 представлена  наиболее распространённая  схема включения закалочного трансформатора.

Из схемы видно, что первичная обмотка трансформатора включена в индуктивную ветвь параллельного колебательного контура. Это обстоятельство отличает закалочный трансформатор от согласующего.  Закалочный трансформатор передаёт в нагрузку (индуктор), как активную, так и реактивную мощности.  В  силу этого, номинальная мощность закалочного трансформатора должна значительно превосходить активную мощность индуктора.

Для выбора необходимой мощности закалочного трансформатора можно исходить из электрических параметров  генератора питающего индуктор.  При этом трансформатор, выбранный по параметрам генератора, не будет связан с параметрами конкретного индуктора, что придаёт системе генератор-трансформатор большую универсальность применения. Для определения требуемой мощности трансформатора можно пользоваться выражением:

Sтр= Рг /Сosj_и,   где

Sтр –мощность трансформатора,

Рг – мощность генератора,

Cosj_и— коэффициент мощности индуктора.

Как видно из формулы, при известной мощности  генератора (Рг), величина Cosj_и является определяющей при выборе мощности трансформатора. Для определения величины Cosj_и можно привести его оценочные значения для типичных технологических процессов:

• при закалке  Сosj_и  лежит в диапазоне -0,2¸0,4,
• при пайке, сварке  Сosj_и  лежит в диапазоне -0,1¸0,2,
• при ковке, штамповке Сosj_и  лежит в диапазоне -0,1¸0,2.

Следует отметить, что значение Сosj_и  зависит от многих факторов и рекомендовать выбор значения этого параметра в более узком диапазоне не представляется возможным.

В табл.3 представлены закалочные трансформаторы ТЗ1-800С2, ТЗ1-1600С4, ТЗ1-3200С4.

В этой серии закалочных трансформаторов при разработке обмоток, магнитопровода и системы охлаждения заложены новые конструктивные решения защищенные патентами:

• на изобретение № 2433495,
• на полезные модели № 122524 и № 122525.

Это обеспечило:

• снижение тепловых потерь в трансформаторе,
• снижение индуктивности рассеяния,
• создание условий эффективного охлаждения токоведущих частей обмоток.
• сокращение необходимого количества  коммуникаций (шлангов) для подсоединения  трансформатора к системе водяного питания индукционной установки.

Применённые решения позволили значительно снизить массогабаритные показатели и повысить эффективность работы трансформаторов и его эксплуатационные качества.