4. Тяговый трансформатор

4.1. Мощность трасформатора

Тяговый трансформатор предназначен для понижения напряжения до уровня, необходимого для тяговых двигателей, вспомогательных нужд локомотива, а иногда и для электроснабжения пассажирского поезда.

Как показано в /5/, для грузового электровоза фондовая мощность трансформатора при мостовом выпрямителе с регулированием напряжения на вторичной стороне с учетом особенностей его нагружения

, (4.1)

где - номинальная тяговая мощность;

- мощность вспомогательных машин.

С допущениями /5/

, (4.2)

где - номинальная мощность тягового двигателя (см. задание) кВт;

N - количество тяговых двигателей, питающихся от трансформатора (см. рис.3.1) с учетом задания).

Можно принять /5/

, (4.3)

На основании (4.2) и (4.3):

, (4.4)

Найденная по (4.4) фондовая мощность и заданное напряжение в кон­тактной сети кВ, служат исходными данными для расчета или выбора тягового трансформатора.

Если трансформатор не удалось подобрать из серийно выпускаемых, то необходимо рассчитать некоторые его входные и выходные параметры,

Приведенное эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока в номинальном режиме /3/

Ом, (4.5)

где - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора;

- активное сопротивление обмоток трансформатора, Ом;

- сопротивление сглаживающего реактора (например, = 0,0068 Ом). Номинальное индуктивное сопротивление трансформатора

Ом, (4.6)

где - напряжение короткого замыкания трансформатора;

- номинальное напряжение холостого хода вторичной обмотки трансформатора, В;

- количество тяговых двигателей, включенных параллельно и питающихся от одного выпрямительного моста (рис.3.1);

- номинальный ток, А, см. (2.1)

В первом приближении принимают

, (4.7)

, (4.8)

Подставляя (4.7) в (4.6) и (4.8), получим

, (4.9)

(4.10)

Подставляя (4.9) и (4.10) в (4.5), получим

Ом, (4.11)

где - см. (4.6); - см. (4.5); - см. задание.

При этом расчетное значение полного напряжения на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода составит /3/

В, (4.12)

где - см. задание, В; - см. (2.1), А; - см. (4.11), Ом.

Расчетное число витков вторичной обмотки трансформатора

витков, (4.13)

где - см. (4.12), В;

В/виток - среднее значение напряжения в расчете на один виток обмотки трансформатора. Расчетное число витков должно быть уточнено с учетом того обстоятельства, чтобы оно было целым числом и без остатка делилось на количество зон регулирования напряжения (см. задание).

Например, если в соответствии с (4.13) =64,3, а число зон регулирования равно 3, то принимаем =63 витка, т.к. 63:3=21. После этого проводят проверку по условию:

В/виток (4.14)

Коэффициент трансформации трансформатора составит:

, (4.15)

где В – напряжение в контактной сети;

- см. (4.12) В.

Число витков в первичной обмотке трансформатора:

витков, (4.16)

где - см. (4.15)

- см. (4.13).

Схема тягового трансформатора для компоновки рис.3.1 показана на рис.4.1. Результаты расчетов по формулам (4.12), (4.13) и (4.16) наносятся на рис.4.1.

Рис.4.1. Схема тягового трансформатора

Как уже было отмечено, тяговая обмотка трансформатора может быть разделена на секции, которые имеют неодинаковое количество витков. Это выполнено, например, на электровозе ВЛ80P, где три секции тяговой обмотки трансформатора позволяют получить четыре зоны регулирования напряжения. Решение о количестве секций тяговой обмотки трансформатора принимает студент с учетом числа зон регулирования (см. задание).

На электровозе ВЛ80Т установлен тяговый трансформатор ОДЦЭ-5000/25Б (рис.4.2) с концентрически расположенными обмотками, предназначенный для преобразования напряжения контактной сети в напряжение цепей тяговых двигателей и собственных нужд электровоза.

Рис.4.2. Тяговый трансформатор ОДЦЭ-5000/25Б электровоза ВЛ80Т

Тяговый трансформатор ОДЦЭ5000/25Б предназначен для преобразования напряжения контактной сети в напряжении цепей тяговых двигателей, включенных через полупроводниковые преобразователи, и цепей собственных нужд электровоза.

Рис.4.3. Схема соединения обмоток трансформатора ОДЦЭ5000/25Б

Состоит из восьмигранного бака и выемкой активной части. Бак сварной конструкции по бокам имеет воздуховоды, выполняющие роль рёбер жёсткости. С торца бака установлен насос для циркуляции масла, а с противоположной стороны расширительный бак для запаса масла при изменении его объёма при изменении температуры. Расширитель оборудован масломерным стеклом и термометром для измерения масла. В нижней части бака установлено по три секции теплообменника с каждой стороны. Здесь же имеются фиксирующие болты для активной части, краны для отбора анализов и заправки бака маслом. Бак лапами через резиновые прокладки устанавливается на кованые конуса на раме кузова. Вверху бак закрыт крышкой с выводами вторичной обмотки и вводом первичной. На стойках крышки ставится ЭКГ, а под ним ПРА-48. К нижней части крышки крепится выемная часть.

Рис.4.4. Трансформатор ОДЦЭ-5000/25Б без бака

Катушки выполнены медным прямоугольным проводом, изолированного бумагой и имеют расстояние между витками 6мм. Чтобы обмотки на стержнях не имели перемещений, сверху они прижимаются автоматическим устройством.

Рис.4.5. Автоматическое прессующее устройство

Выводы внутри трансформатора крепятся буковыми шлицами, а их соединение выводов с изолятором выполнено при помощи компенсатора, состоящего из набора медной фольги, это даёт возможность быстро сменить вышедший из строя изолятор. Выемная часть помещается в бак с маслом, которое выполняет не только роль теплоносителя, но и является изолятором.  Пробивное напряжение масла 35 кВ на 1 мм. Температура вспышки 135°С, застывания 40°С. Масло не должно иметь механических примесей и следов воды. Цвет должен быть светло-соломенным. Максимальная температура нагрева масла 90°С. Горячее масло засасывается с верхней части бака насосом и по трубопроводу нагнетается в секции, которые принудительно охлаждаются. Холодное масло поступает в нижнюю часть бака под отбойный щит, поднимается к верхней части, смешивается с горячим и выравнивает температуру. Давление масла должно быть по манометру 1,2-1,5 атм.  В трансформаторе применено специальное устройство, прессующее обмотки. Это устройство 4 (рис.4.4) создает усилия, передающиеся через металлическое кольцо 3 на яшмовую изоляцию 2 и обмотки 1 трансформатора.  С течением времени происходит усадка изоляции обмоток трансформатора. Чтобы обеспечить механическую прочность обмоток даже при усадке изоляции, применяют автоматическое прессующее устройство (рис. 4.5).

На ярмовой балке 8 располагают два специальных винта 1. Между винтом и башмаком 3 находится стержень 2. Башмаки насажены на шпильку 6; на башмаки воздействует пружина 5, один конец которой заделан в неподвижный упор 4. По мере усадки изоляции обмоток под действием пружин 5 стержень 2 стремится принять вертикальное положение. Так как один конец его закреплен на балке 8 в специальном винте 1, то другой конец с башмаком будет скользить по металлическому кольцу 7 и, нажимая на него, прессовать обмотки трансформатора. Для работы прессующего устройства необходимо, чтобы пружины 5 находились в сжатом состоянии.

Это состояние первоначально создается стяжными гайками 9 и шайбами. После того как винтами 1 будет обеспечиваться удержание пружин 5 в сжатом состоянии, гайки и шайбы удаляют.

На крышке бака установлены два ввода 21 (см. рис.4.2) сетевой обмотки, четырнадцать вводов 20 тяговых обмоток и четыре ввода 19 обмотки собственных нужд.

Соединение вводов с отводами выполнено гибкими медными проводниками. Все вводы разборные и допускают замену изоляторов без подъема активной части. 

Активная часть помещена в стальной восьмигранный бак с трансформаторным маслом ТКп (ГОСТ 982-80), которое обеспечивает необходимую изоляцию и охлаждение обмоток.

Соединение бака с крышкой разъемное фланцевое с уплотнением прокладкой 23 из масломорозостойкой резины. Стальные прутки 24 предохраняют резину от чрезмерного сжатия и создают опорную поверхность для крышки.

В нижней части бака установлены четыре шпильки 32 для крепления активной части. Отверстия в баке в местах установки упоров закрыты съемными стальными заглушками 31.

Две балки-камеры 5 приварены к стенкам бака. Они являются воздуховодами системы охлаждения и, кроме того, совместно с опорными балками 16 используются как элементы конструкции рамной подвески бака, а также увеличивают жесткость продольных граней бака. В опорные балки вварены четыре стакана 10, являющиеся опорами трансформатора на электровозе. На опорной балке находится бобышка 9 для заземления трансформатора. Уплотнение фартука 22 с полом кузова выполнено с помощью резины. 

В нижней части бака расположен вентиль 6 для заливки и слива масла, а также кран 7 для отбора пробы масла. Охлаждение трансформатора принудительное масляно-воздушное с направленной циркуляцией масла. С помощью электронасоса 1 горячее масло прокачивается через охладитель 11, который состоит из шести секций, расположенных двумя группами на боковых граня бака. Охладитель обдувается воздухом из системы вентиляции электровоза. На крышке бака размещен расширитель 3, предназначенный для компенсации температурных колебаний уровня масла в баке, а также для уменьшения поверхности соприкосновения масла с воздухом. На расширителе имеются указатель уровня масла 8, пробка для доливки масла 1 пробка 18 для сообщения с атмосферой.

 

На более современных электровозах тяговый трансформатор имеет несколько иную конструкцию. В качестве примера возьмем тяговый трансформатор ОНДЦЭ 5700/25 У2 электровоза переменного тока ЭП1.

Однофазный масляный трансформатор ОНДЦЭ 5700/25 У2 предназначен:

- в режиме тяги - для преобразования напряжения контактной сети в напряжение питания цепей тяговых двигателей, цепей собственных нужд и отопления поезда;

- в режиме рекуперации - для преобразования напряжения тяговых двигателей, работающих в режиме генераторов в напряжение контактной сети, цепей собственных нужд и отопления поезда.

Рис.4.6. Трансформатор ОНЦДЭ-5700/25-У2 электровоза ЭП1

Трансформатор в соответствии с рис.4.6 состоит из следующих основных узлов: активной части (магнитопровод и обмотки) 1; вводов обмоток 2, бака трансформатора 3, крышки 4, системы охлаждения 5 и контрольно-измерительных приборов.

Принципиальная электрическая схема трансформатора приведена на рис.4.7.

Рис.4.7. Схема электрическая принципиальная трансформатора

ОНЦДЭ-5700/25-У2

Магнитопровод трансформатора - двухстержневой. Диаметр стержня - 330 мм. Пластины изготовлены из электротехнической стали толщиной 0,3 мм. Верхнее и нижнее ярма стянуты стальными балками корытного сечения.

На стержне «А» магнитопровода расположена тяговая обмотка ТО1, на стержне «Х» - обмотка ТО2. Каждая обмотка состоит из двух частей Топ и Тор. Расположение обмоток (от стержня в радиальном направлении): стержень «А»: ТОп (2-х1)-С0-ТОр (а1-2)-(0В-0СН); стержень «Х»: ТОп (4-х2)-С0-ТОр (а2-3)-ОТ.

Сетевая обмотка - непрерывная, состоящая из двух частей, расположенных на разных стержнях и соединенных между собой параллельно. На рейки, установленные в пазы прокладок обмотки Т0р стержня «А», намотаны обмотки ОСН и ОВ. Аналогично, на рейки, установленные в пазы прокладок обмотки ТОр стержня «Х», намотана обмотка ОТ.

Отводы выполнены медными шинами, закрепленными в деревянных планках и присоединены к вводам гибкими проводниками.

Верхняя ярмовая изоляция выполнена электрокартонными шайбами с приклеенными к ним в радиальном направлении прокладками из электрокартона.

Нижняя ярмовая изоляция выполнена из колец прессованного электрокартона и образует каналы для направленного движения масла.

При эксплуатации трансформатора происходит усадка изоляционных прокладок. Для обеспечения постоянного усилия осевой стяжки обмоток применено специальное устройство (см. рис.4.8), выполненное в виде наклонной штанги, один конец которой шарнирно укреплен в ярмовой балке, а другой связан с подвижным башмаком, расположенным на прессующем кольце, выполненном из стеклопластика.

Рис.4.8. Устройство для опрессовки обмоток трансформатора

ОНЦДЭ-5700/25-У2

В башмак упирается пружина, стремящаяся сместить его и привести штангу в вертикальное положение. Такая конструкция обеспечивает практически постоянное усилие стяжки обмоток. Активная часть в нижней части бака раскрепляется шестью винтами (см. рис.4.9). Стопорение и маслоплотность раскрепляющих винтов 2 обеспечивается контргайкой с приваренным к ней кожухом 1 и резиновым уплотнением 3 между гайкой и втулкой.

Рис.4.9. Продольное (а) и поперечное (б) раскрепление активной части в

баке трансформатора ОНЦДЭ-5700/25-У2

В качестве раскрепления в верхней части бака служат узлы соединения активной части с крышкой (см. рис.4.10), состоящие из специальных болтов 1, гаек 2 и пластин 3.

Рис.4.10. Соединение активной части трансформатора ОНЦДЭ-5700/25-У2 с

крышкой бака

Перед установкой активной части 1 (см. рис.4.11) в бак 3 трансформатора на патрубки маслопровода 4 устанавливаются по три резиновые прокладки 2.

Рис.4.11. Установка прокладок трансформатора ОНЦДЭ-5700/25-У2

В нижней части бака размещен вентиль для слива и доливки масла. На балке дна бака, а также на самом дне расположены пробки для слива остатков масла. К крышке приварены: бобышка 5 для заземления крышки на бак с помощью болтов 4 (см. рис.4.10); гильзы для термометра и датчиков реле температуры, а также расширитель. Охлаждение трансформатора принудительное масляно-воздушное с направленной циркуляцией, осуществляемой электронасосом. На верхнем маслопроводе установлена пробка для выпуска воздуха из радиаторов.

В холодный период эксплуатации электровоза отверстие для выброса воздуха из охладителя в атмосферу может частично закрываться заслонкой. Доливка масла в трансформатор производится через пробку, расположенную на кршыке расширителя. На расширителе расположен воздухоосушитель и указатель уровня масла. Трансформатор снабжен контрольно-измерительными приборами: термометром - для контроля температуры окружающей среды и заливаемого малса,а также для контроля температуры верхних слоев масла при работе трансформатора; манометром - для контроля напора масла; датчиками реле температуры, предназначенными: 1-й - для сигнализации о достижении верхними слоями масла критической температуры 90˚С, 2-й - на включение электронасоса при температуре минус 15˚С и выше.

Трансформатор совместно с установленным на нем дополнительным оборудованием устанавливается в высоковольтной камере и крепится четырьмя шпильками М36.