Comprender as variacións dos rectificadores e transformadores de potencia

Diferenzas entre transformadores rectificadores e transformadores de potencia

Os transformadores rectificadores e os transformadores de potencia pertencen á familia dos transformadores, pero diferencíanse fundamentalmente na aplicación e nas características funcionais. Os transformadores comúnmente vistos nos postes de electricidade son xeralmente transformadores de potencia, mentres que os que fornecen células electrolíticas ou equipos de electrochapado en fábricas son xeralmente transformadores rectificadores. Comprender as súas diferenzas require examinar tres aspectos: o principio de funcionamento, as características estruturais e o entorno de operación.

Desde unha perspectiva funcional, os transformadores de potencia manexan principalmente a conversión do nivel de voltaxe. Por exemplo, elevan a saída do xerador de 35 kV a 220 kV para a transmisión a longa distancia, despois a reducen a 10 kV para a distribución comunitaria. Estes transformadores actúan como mudanzas no sistema eléctrico, centrando-se só na transformación da voltaxe. En contraste, os transformadores rectificadores están deseñados para a conversión de CA a CC, xeralmente emparellados con dispositivos de rectificación para converter a CA en voltaxes CC específicos. Por exemplo, nos sistemas de tracción metroviária, os transformadores rectificadores convierten a enerxía AC da rede en 1.500 V DC para impulsar os trens.

O deseño estrutural revela diferenzas significativas. Os transformadores de potencia enfátanse na transformación linear da voltaxe, coas relacións precisas entre as bobinas de alta e baixa voltaxe. Os transformadores rectificadores, porén, deben ter en conta os harmónicos xerados durante a rectificación. As súas bobinas secundarias usan frecuentemente configuracións especiais, como múltiples ramas ou conexións delta, para suprimir ordes específicas de harmónicos. Por exemplo, o modelo ZHSFPT dun fabricante usa unha estrutura de tres bobinas con deseño de desprazamento de fase para reducir eficazmente a contaminación harmónica de 5º e 7º orde na rede.

A selección do material do núcleo tamén reflicte as necesidades funcionais. Os transformadores de potencia usan comúnmente acero silicio orientado granular estándar para baixas perdas e alta eficiencia. Os transformadores rectificadores, sometidos a correntes non senoidais, frecuentemente empregan acero silicio laminado a frío de alta permeabilidade; algúns modelos de alta potencia incluso usan núcleos de aleación amorfa. Os datos de proba mostran que, baixo a mesma capacidade, os transformadores rectificadores xeralmente teñen perdas a vacío 15%–20% superiores aos transformadores de potencia debido ás súas estrezas operativas únicas.

As condicións de operación difiren drasticamente. Os transformadores de potencia funcionan baixo cargas relativamente estables, cunha frecuencia de rede fixa de 50 Hz e temperaturas ambientais que van desde -25°C a 40°C. Os transformadores rectificadores encaran condicións complexas: as plantas de electrólise de aluminio poden experimentar dúas docenas de fluctuacións de carga diarias, con picos de corrente instantáneos que superan os valores nominais en un 30%. Medidas de campo nunha fundición mostran que as temperaturas de puntos calientes das bobinas nos transformadores rectificadores poden aumentar de 70°C a 105°C durante o arranque do electrólise, exixindo maior estabilidade térmica dos materiais de aislamento.

Os deseños de protección varían en consecuencia. Os transformadores de potencia centranse na protección contra raios e humidade, xeralmente cunha clasificación IP23. Os transformadores rectificadores, frecuentemente instalados en entornos industriais con gases corrosivos, usan carcaxas de acero inoxidable e niveis de protección máis altos como IP54. Algúns complexos químicos incluso equipan os seus transformadores rectificadores con sistemas de ventilación presurizados para prevenir a entrada de gas ácido.

Os ciclos de mantemento tamén difiren. Os transformadores de potencia estándar requirén inspección do núcleo cada seis anos, segundo as regulacións nacionais. No entanto, os rexistros de mantemento dun grupo siderúrgico revelan que os transformadores rectificadores en liñas de colada continua requirén substitución de sellos cada dous anos e probas de deformación de bobinas cada tres anos, debido ao envellecemento acelerado por fortes estrezas mecánicas baixo condicións de rectificación.

As estruturas de custo varían significativamente. Para unha unidade de 1.000 kVA, un transformador de potencia estándar cuesta aproximadamente 250.000 RMB, mentres que un transformador rectificador comparable xeralmente cuesta máis do 40% adicional. Isto deriva do uso aumentado de materiais debido ás estruturas de bobinado complexas e aos compoñentes adicionais de supresión de harmónicos. Os datos de produción dunha fábrica mostran que os transformadores rectificadores usan 18% máis de cobre e 12% máis de acero silicio que os transformadores de potencia equivalentes.

Os escenarios de aplicación son claramente distintos. Os transformadores de potencia son omnipresentes en subestacións, áreas residenciais e complejos comerciais, realizando a distribución de enerxía fundamental. Os transformadores rectificadores sirven a industrias especializadas: subestacións de tracción ferroviaria, salas de electrólise de plantas de cloro-álcali e sistemas inversores de estacións fotovoltaicas. Por exemplo, nunha explotación solar, se implantaron 24 transformadores rectificadores para invertir a CC de painéis fotovoltaicos en CA compatible coa rede.

Os parámetros técnicos tamén difiren. Os transformadores de potencia xeralmente teñen impedancias de cortocircuito de 4%–8%, optimizadas para a estabilidade do sistema. Os transformadores rectificadores requiren cálculos precisos de impedancia; os documentos de deseño dun modelo especifican 8,5% para limitar a corrente de fallo e asegurar a operación segura do rectificador. En canto ao aumento de temperatura, os transformadores de potencia limitan a temperatura do óleo superior a 95°C, mentres que os transformadores rectificadores permiten picos temporais de ata 105°C, como se especifica explícitamente nas especificacións técnicas.

Os estándares de eficiencia energética diverxen. Os transformadores de potencia deben cumprir as clases de eficiencia GB 20052, con límites estrictos sobre as perdas a vacío e sobrecarga para a clase I de eficiencia. Os transformadores rectificadores aínda non están cubertos por estándares nacionais obrigatórios de eficiencia, aínda que os principais fabricantes siguen o IEEE C57.18.10. Os datos comparativos de proba mostran que os transformadores rectificadores avanzados logran unha eficiencia global 12% superior aos modelos convencionais, ahorrando decenas de miles de RMB anualmente en custos de electricidade.

A selección depende fortemente da aplicación. Para unha sala de distribución residencial, un transformador de potencia seco SCB13 é suficiente. Para unha liña de electrochapado, é esencial un transformador rectificador con un reactor de equilibrio, como a serie ZHS. Un caso de advertencia provén dunha planta automobilística que utilizou erróneamente un transformador de potencia estándar para recubrimento electrorreológico, causando saturación do núcleo debido ao desprazamento DC e resultando en un incendio das bobinas en tres meses.

As tendencias futuras están diverxindo. Os transformadores de potencia avancen cara á intelixencia, con moitos novos modelos que integran monitorización en liña. Os transformadores rectificadores continúan con avances na mitigación de harmónicos; o modelo máis recente dunha marca usa regulación dinámica de voltaxe para reducir a distorsión harmónica do lado de entrada de 28% a menos do 5%. Estas evolucións tecnolóxicas alineanse estreitamente cos seus respectivos requisitos de aplicación.