Преобразувателен трансформатор: принцип на действие и приложения
1. Ректифициращ трансформатор: Принцип и преглед
Ректифициращ трансформатор е специализиран трансформатор, предназначен за доставяне на ректифициращи системи. Неговият работен принцип е същият като на стандартния трансформатор — функционира на базата на електромагнитна индукция и се използва за преобразуване на алтернативно напрежение. Типичният трансформатор има две електрически изолирани обмотки — основна и вторична — намотани около общо желязно ядро.
Когато основната обмотка е свързана с алтернативен източник на напрежение, алтернативен ток протича през нея, генерирайки магнитомоторна сила (ММС), която произвежда алтернативен магнитен поток в затвореното желязно ядро. Този променящ се поток пресича както основната, така и вторичната обмотка, индуцирайки алтернативно напрежение със същата честота във вторичната обмотка.
Отношението между броя на витките в основната и вторичната обмотка е равно на отношениято на напреженията. Например, ако трансформаторът има 440 витки в основната и 220 витки във вторичната обмотка, с 220V вход на основната страна, изходното напрежение на вторичната страна ще бъде 110V. Някои трансформатори може да имат множество вторични обмотки или точки, позволяващи получаването на няколко различни изходни напрежения.
2. Характеристики на ректифициращите трансформатори
Ректифициращите трансформатори работят заедно с ректификатори, формирайки ректифициращи устройства, които позволяват преобразуването на алтернативно напрежение в директно. Такива ректифициращи системи са най-често използваните източници на директно напрежение в модерните промишлени предприятия, широко приложени в изпращането на високо напрежение по пряко, електроизтягване, валцоващи машини, гальваноплащане, електролиз и други области.
Основната (също наречена мрежова) страна на ректифициращия трансформатор е свързана с алтернативната електрическа мрежа, докато вторичната (също наречена клапкова) страна е свързана с ректификатора. Въпреки че основната структура и работния принцип му са подобни на тези на стандартния трансформатор, товарът — ректификатор — се различава значително от нормалните товари, водейки до уникални конструктивни и оперативни характеристики:
2.2 Несинусоидални вълни на тока
В ректифициращата верига, всяка ръка провежда ток само в част от цикъла, водейки до несинусоидални вълни на тока — типично близки до разривни правоъгълни импулси. Следователно, както основната, така и вторичната обмотка провеждат несинусоидален ток.
Например, в трифазен мостов ректификатор с Y/Y връзка, вълната на тока показва явни импулсни паттерни. Когато се използват тиристори за ректификация, колкото по-голям е ъгълът на започване, толкова по-стръмен е ръст/падане на тока, увеличавайки гармоничното съдържание. Това води до по-високи загуби от вихреви токове. Тъй като вторичната обмотка провежда ток само част от времето, степента на използване на ректифициращия трансформатор е по-ниска от тази на стандартния трансформатор. Следователно, за еднакво мощностно класиране, ректифициращите трансформатори са по-големи и по-тежки.
2.3 Еквивалентна (средна) видима мощност
В стандартния трансформатор, входящата и изходящата мощност са равни (като се игнорират загубите), така че класираната мощност е просто видимата мощност на която и да е обмотка. Обаче, в ректифициращия трансформатор, основният и вторичният ток може да се различават по форма (например, при полуциклична ректификация), правейки техните видими мощности неравни.
Следователно, мощността на трансформатора се дефинира като средната стойност на основната и вторичната видима мощност, известна като еквивалентна мощност:
където S1 е основната видима мощност и S2 е вторичната видима мощност.
2.4 Висока устойчивост към краткосрочни замъквания
Ректифициращите трансформатори трябва да имат висока механична устойчивост, за да издържат електромагнитните сили при краткосрочни замъквания, причинени от чести дефекти или внезапни промени на товара (например, стартиране на мотор). Осигуряването на динамична устойчивост при условия на краткосрочно замъкване е ключово разглеждане в проектирането и производството.
3.Основни приложения на ректифициращите трансформатори
Ректифициращите трансформатори служат като източник на мощност за ректифициращите устройства. Основната им характеристика е преобразуването на алтернативния вход на основната страна в директен изход чрез ректифициращи елементи на вторичната страна. „Преобразуването на мощност“ включва ректификация, инверсия и преобразуване на честотата, от които ректификацията е най-широко използваната. Трансформаторите, използвани за доставяне на ректифициращи устройства, се наричат ректифициращи трансформатори. Повечето промишлени източници на директно напрежение се получават чрез комбиниране на алтернативни мрежи, ректифициращи трансформатори и ректифициращи вериги.
3.1 Електрохимична промишленост
Това е най-голямата област за приложение на ректифициращите трансформатори:
Електролиз на метални съединения за производство на алюминий, магнезий, мед и други цветни метали
Производство на хлор-алкални продукти чрез електролиз на морска вода
Генериране на водород и кислород чрез електролиз на вода
Тези процеси изискват високотоков, нисковолтов директен ток, подобен в някои аспекти на трансформаторите за електродугови печи. Следователно, ректифициращите трансформатори споделят конструктивни характеристики с печните трансформатори.
Най-характерната черта на ректифициращите трансформатори е, че вторичният ток вече не е синусоидален алтернативен. Благодарение на единопосочната провеждане на ректифициращите елементи, фазовите токове стават пулсиращи и единопосочни. След филтриране, този пулсиращ ток става гладък директен ток.
Вторичното напрежение и ток зависят не само от мощността на трансформатора и конфигурацията на групата за връзка, но и от конфигурацията на ректифициращата верига (например, трифазен мост, двойно антипаралелно с балансиращ реактор). Даже за еднакъв директен изход, различни ректифициращи вериги изискват различни вторични напрежения и токове. Следователно, изчисляването на параметрите на ректифициращите трансформатори започва от вторичната страна и е основано на конкретната топология на ректификатора.
Тъй като вторичните обмотки провеждат богати на високоредови гармоники токове, те замърсяват алтернативната мрежа и намаляват фактора на мощност. За намаляване на гармониките и подобряване на фактора на мощност, пулсното число на ректифициращата система трябва да бъде увеличено, обикновено постигано чрез техники за фазово смещение. Целта на фазовото смещение е да се въведе фазово смещение между линейните напрежения на хомологичните терминали на вторичните обмотки.
3.2 Директен ток за транспорт
Използван в горнодобивни или градски електровлакове с директен ток на въздушните линии.
Чести краткосрочни замъквания поради изложението на въздушните линии
Големи колебания в директния товар
Чести стартиране на мотори, причиняващи краткосрочни перегрузки
За справяне с тези условия:
По-ниски граници на температурното повишаване
Намалена плътност на тока
Импедансът е около 30% по-висок от стандартните силови трансформатори
3.3 Директен ток за промишлени двигатели
Основно използван за доставяне на директно напрежение на двигателите в електрически приводни системи, като:
Арматура и поле за възбуда на валцови машини
3.4 Изпращане на високо напрежение по пряко (HVDC)
Операционни напрежения обикновено над 110 kV
Мощности от десетки до стотици хиляди kVA
Специално внимание е необходимо за комбиниран стрес от алтернативен и директен ток към земята
Други приложения:
Директен ток за гальваноплащане или електромашини
Източници на възбуда за генератори
Системи за зареждане на батерии
Източници на мощност за електростатични осаждачи (ESP)
