Zrozumienie wariantów prostowników i transformatorów elektrycznych

Różnice między transformatorami prostującymi a transformatorami energetycznymi

Transformatory prostujące i transformatory energetyczne należą do rodziny transformatorów, ale różnią się fundamentalnie zastosowaniem i funkcjonalnymi cechami. Transformatory, które często widzimy na słupach energetycznych, są zwykle transformatorami energetycznymi, podczas gdy te dostarczające prąd do elektrolizery lub urządzeń galwanicznych w fabrykach, są zazwyczaj transformatorami prostującymi. Zrozumienie ich różnic wymaga analizy trzech aspektów: zasady działania, cechy konstrukcyjne oraz warunki pracy.

Z punktu widzenia funkcjonalnego, transformatory energetyczne przede wszystkim zajmują się konwersją poziomu napięcia. Na przykład, podnoszą one wydajność generatora z 35 kV do 220 kV dla długodystansowej transmisji, a następnie obniżają ją do 10 kV dla dystrybucji w gospodarstwach domowych. Te transformatory działają jak przewoźnicy w systemie energetycznym, skupiając się wyłącznie na transformacji napięcia. W przeciwieństwie do nich, transformatory prostujące są zaprojektowane do konwersji AC na DC, zazwyczaj współpracując z urządzeniami prostującymi, aby przekształcić prąd przemienny w określone napięcie stałe. Na przykład, w systemach napędowych metra, transformatory prostujące przekształcają sieciowe napięcie AC w 1,500 V DC, aby napędzać pociągi.

Konstrukcja ujawnia istotne różnice. Transformatory energetyczne podkreślają liniową transformację napięcia, z precyzyjnymi stosunkami liczby zwitków między zwitkami wysokiego i niskiego napięcia. Transformatory prostujące, jednak, muszą uwzględniać harmoniczne generowane podczas prostowania. Ich wtórne zwitki często używają specjalnych konfiguracji, takich jak wieloramienna struktura lub połączenia delta, aby tłumić określone rzędy harmoniczne. Na przykład, model ZHSFPT jednego producenta używa trójzwitkowej struktury z fazy przesuniętej, aby efektywnie zredukować zanieczyszczenie siatki 5. i 7. harmoniczną.

Wybór materiału rdzenia również odzwierciedla potrzeby funkcjonalne. Transformatory energetyczne często używają standardowego zgrzebnego żelaza krystalicznego o małych stratnościach i wysokiej wydajności. Transformatory prostujące, poddawane nielinijnym prądów, często używają zimnorolowanego żelaza krystalicznego o wysokiej przenikalności magnetycznej; niektóre modele o dużej mocy nawet używają rdzeni z amorficznych stopów. Dane testowe pokazują, że, przy tej samej mocy, transformatory prostujące mają zazwyczaj o 15%–20% wyższe straty bezobciążeniowe niż transformatory energetyczne, ze względu na swoje unikalne stresy operacyjne.

Warunki pracy różnią się znacznie. Transformatory energetyczne działają przy względnie stabilnych obciążeniach, z stałym częstotliwością sieci 50 Hz i temperaturą otoczenia od -25°C do 40°C. Transformatory prostujące stają przed złożonymi warunkami: zakłady elektrolityczne aluminium mogą doświadczać dziesiątek wahnięć obciążenia dziennie, z chwilowymi szczytami prądu przekraczającymi nominalne wartości o 30%. Pomiary terenowe w hucie pokazują, że temperatura gorących punktów zwitków w transformatorach prostujących może wzrosnąć z 70°C do 105°C podczas uruchamiania elektrolizera, co wymaga wyższej termicznej stabilności materiałów izolacyjnych.

Projekty ochronne różnią się odpowiednio. Transformatory energetyczne skupiają się na ochronie przed piorunami i wilgocią, zazwyczaj z oceną IP23. Transformatory prostujące, często instalowane w środowiskach przemysłowych z gazami korozji, używają obudów z nierdzewnej stali i wyższych poziomów ochrony, takich jak IP54. Niektóre zakłady chemiczne wyposażają swoje transformatory prostujące w systemy wentylacji pod ciśnieniem, aby zapobiec wprowadzaniu kwasowych gazów.

Cykle konserwacji również różnią się. Standardowe transformatory energetyczne podlegają inspekcji rdzenia co sześć lat, zgodnie z narodowymi przepisami. Jednakże, dane serwisowe z grupy stalowej pokazują, że transformatory prostujące w ciągłych liniach wlewniczych wymagają wymiany uszczelki co dwa lata i testów deformacji zwitków co trzy lata, ze względu na przyspieszone starzenie spowodowane silniejszymi obciążeniami mechanicznymi w warunkach prostowania.

Struktury kosztów różnią się znacząco. Dla jednostki 1,000 kVA, standardowy transformator energetyczny kosztuje około 250,000 RMB, podczas gdy porównywalny transformator prostujący zazwyczaj kosztuje ponad 40% więcej. Wynika to z zwiększonego zużycia materiałów z powodu złożonych struktur zwitkowych i dodatkowych komponentów tłumiących harmoniczne. Dane produkcyjne z jednej fabryki pokazują, że transformatory prostujące używają 18% więcej miedzi i 12% więcej żelaza krystalicznego niż równoważne transformatory energetyczne.

Scenariusze zastosowania są wyraźnie różne. Transformatory energetyczne są wszechobecne w stacjach rozdzielczych, rejonach mieszkalnych i kompleksach handlowych, wykonując podstawowe zadania dystrybucji energii. Transformatory prostujące służą specjalistycznym gałęziom przemysłu: stacje trakcyjne w transportzie kolejowym, sale elektrolizery w zakładach chlor-alkalicznych i systemy inwerterów w stacjach fotowoltaicznych. Na przykład, jedna farma słoneczna zainstalowała 24 transformatory prostujące, aby przekształcić prąd stały z paneli fotowoltaicznych w sieciowe napięcie przemienne.

Parametry techniczne również różnią się. Transformatory energetyczne zazwyczaj mają impedancję krótkiego obwodu 4%–8%, zoptymalizowaną dla stabilności systemu. Transformatory prostujące wymagają dokładnych obliczeń impedancji; dokumenty projektowe jednego modelu określają 8,5%, aby ograniczyć prąd awaryjny i zapewnić bezpieczne działanie prostownika. Co do wzrostu temperatury, transformatory energetyczne ograniczają temperaturę oleju górnej części do 95°C, podczas gdy transformatory prostujące pozwalają na tymczasowe szczyty do 105°C, jak wyraźnie określono w specyfikacjach technicznych.

Standardy wydajności energetycznej różnią się. Transformatory energetyczne muszą spełniać klasy wydajności GB 20052, z surowymi limitami strat bezobciążeniowych i obciążeniowych dla klasy I wydajności. Transformatory prostujące nie są jeszcze objęte obowiązkowymi krajowymi standardami wydajności, choć prowadzący producenci stosują IEEE C57.18.10. Porównawcze dane testowe pokazują, że zaawansowane transformatory prostujące osiągają 12% wyższą ogólną wydajność niż konwencjonalne modele, oszczędzając dziesiątki tysięcy RMB rocznie na kosztach energii.

Wybór zależy w dużej mierze od zastosowania. Dla dystrybucyjnej sali mieszkalnej wystarczy suchy transformator energetyczny typu SCB13. Dla linii galwanicznej niezbędny jest transformator prostujący z reaktorem balansującym, takim jak seria ZHS. Przykład ostrzegawczy pochodzi z zakładu samochodowego, który błędnie użył standardowego transformatora energetycznego do pokrycia elektroforetycznego, co spowodowało nasycenie rdzenia z powodu przemieszczenia DC i doprowadziło do spalenia zwitków w ciągu trzech miesięcy.

Trendy przyszłe są rozbieżne. Transformatory energetyczne rozwijają się w kierunku inteligentności, z wieloma nowymi modelami integrującymi monitorowanie online. Transformatory prostujące kontynuują przełomy w redukcji harmonicznych; najnowszy model jednej marki używa dynamicznego regulowania napięcia, aby zmniejszyć zniekształcenie harmoniczne stroną wejściową z 28% do poniżej 5%. Te technologiczne ewolucje są blisko związane z ich poszczególnymi potrzebami zastosowania.