Transformador rectificador: Principi de funcionament i aplicacions
1.Transformador rectificador: Principi i visió general
Un transformador rectificador és un transformador especialitzat dissenyat per alimentar sistemes de retificació. El seu principi de funcionament és el mateix que el d'un transformador convencional — opera basant-se en la inducció electromagnètica i s'utilitza per transformar la tensió alternada. Un transformador típic té dos voltants elèctricament aïllats — primari i secundari — envoltats al voltant d'un nucli comú de ferro.
Quan el voltant primari es connecta a una font d'energia CA, la corrent alternada flueix a través d'ell, generant una força magnetomotriu (MMF), que produeix un flux magnètic alternat en el nucli de ferro tancat. Aquest flux variable talla tant el voltant primari com el secundari, induint una tensió alternada de la mateixa freqüència en el voltant secundari.
La relació entre el nombre de voltants del primari i el secundari és igual a la relació de tensions. Per exemple, si un transformador té 440 voltants en el primari i 220 voltants en el secundari, amb una entrada de 220V en el costat primari, la tensió de sortida en el secundari serà de 110V. Algunes transformadors poden tenir múltiples voltants secundaris o punts de derivació, permetent obtenir diverses tensions de sortida diferents.
2.Característiques dels transformadors rectificadors
Els transformadors rectificadors treballen junts amb els rectificadors per formar equips de retificació, permetent la conversió de l'energia CA en CC. Aquests sistemes de retificació són les fonts de potència CC més utilitzades en les empreses industrials modernes, aplicades ampliament en la transmissió HVDC, la tracció elèctrica, els laminoirs, la galvanoplastia, l'electròlisi i altres camps.
El primari (també anomenat costat de xarxa) d'un transformador rectificador es connecta a la xarxa d'energia CA, mentre que el secundari (també anomenat costat de vòlvula) es connecta al rectificador. Tot i que la seva estructura bàsica i el principi de funcionament són similars als d'un transformador convencional, la càrrega — un rectificador — difereix significativament de les càrregues normals, llevant a característiques de disseny i operació úniques:
2.2 Formes d'ona de corrent no sinusoidals
En un circuit de retificació, cada braç condueix només durant una part del cicle, resultant en formes d'ona de corrent no sinusoidals — típicament properes a pulses rectangulars discontinus. En conseqüència, tant la corrent del voltant primari com la del secundari són no sinusoidals.
Per exemple, en un rectificador de pont trifàsic amb connexió Y/Y, la forma d'ona de corrent mostra patrons de pulse distints. Quan es fan servir tiristors per a la retificació, més gran sigui l'angle de retard de dispar, més pronunciada és la pujada/baixada de corrent, augmentant el contingut harmònic. Això porta a pèrdues de corrents de Foucault més elevades. Com que el voltant secundari condueix corrent només part del temps, la taxa d'ús del transformador rectificador és inferior a la d'un transformador convencional. Per tant, per a la mateixa potència, els transformadors rectificadors tendeixen a ser més grans i pesants.
2.3 Capacitat aparent equivalent (mitjana)
En un transformador convencional, la potència d'entrada i de sortida són iguals (ignorant les pèrdues), per tant, la capacitat nominal és simplement la potència aparent de qualsevol dels voltants. No obstant això, en un transformador rectificador, les corrents primària i secundària poden diferir en forma d'ona (per exemple, en la retificació de meia ona), fent que les seves potències aparents siguin desiguals.
Per tant, la capacitat del transformador es defineix com la mitjana de les potències aparents primària i secundària, coneguda com a capacitat equivalent:
on S1 és la potència aparent primària i S2 és la potència aparent secundària.
2.4 Alta capacitat de suport a curto-circuit
Els transformadors rectificadors han de tenir una forta resistència mecànica per suportar forces electromagnètiques de curto-circuit degudes a falles freqüents o canvis bruts de càrrega (per exemple, l'arrancada de motors). Assegurar l'estabilitat dinàmica en condicions de curto-circuit és una consideració crítica en el disseny i fabricació.
3.Aplicacions principals dels transformadors rectificadors
Els transformadors rectificadors serveixen com a font de potència per a equips de retificació. La seva característica principal és convertir la entrada CA al costat primari en una sortida CC a través d'elements de retificació al costat secundari. "Conversió d'energia" inclou retificació, inversió i conversió de freqüència, entre les quals la retificació és la més utilitzada. Es anomenen transformadors rectificadors als que s'utilitzen per alimentar dispositius de retificació. La majoria de les fonts de potència CC industrials s'obtenen combinant xarxes CA amb transformadors rectificadors i circuits de retificació.
3.1 Indústria electroquímica
Aquesta és l'àrea d'aplicació més gran per als transformadors rectificadors:
Electròlisi de compostos metàl·lics per produir alumini, magnesi, cobre i altres metalls no fèrrers
Producció de clor-àlcali mitjançant electròlisi de sal
Generació d'hidrogen i oxigen a través de l'electròlisi de l'aigua
Aquests processos requereixen potència CC d'alta corrent i baixa tensió, similar en alguns aspectes als transformadors de fornaces d'arc elèctric. Com a tal, els transformadors rectificadors comparteixen característiques estructurals amb els transformadors de fornaces.
La característica més distintiva dels transformadors rectificadors és que la corrent secundària ja no és CA sinusoidal. Degut a la conducció unidireccional dels elements de retificació, les corrents de fase es converteixen en pulsants i unidireccionals. Després de filtrar, aquesta corrent pulsant es converteix en CC suau.
La tensió i corrent secundàries depenen no només de la capacitat del transformador i el grup de connexió, sinó també de la configuració del circuit de retificació (per exemple, pont trifàsic, doble antiparal·lel amb reactor d'equilibri). Incluso per a la mateixa sortida CC, diferents circuits de retificació requereixen tensions i corrents secundàries diferents. Així, el càlcul de paràmetres per als transformadors rectificadors comença pel costat secundari i es basa en la topologia específica del rectificador.
Com que les corrents dels voltants de retificació contenen harmonics d'ordre alt, polsuen la xarxa CA i reduïxen el factor de potència. Per mitigar els harmonics i millorar el factor de potència, el nombre de pulses del sistema de retificació ha de ser incrementat, normalment a través de tècniques de desplaçament de fase. L'objectiu del desplaçament de fase és introduir un desplaçament de fase entre les tensions de línia en terminals homòlegs dels voltants secundaris.
3.2 Alimentació DC de tracció
Utilitzat en locomotives elèctriques mineres o urbanes amb línies aèries de CC.
Faltes de curto-circuit freqüents degudes a l'exposició de la línia aèria
Fluctuacions grans en la càrrega de CC
Arrancades freqüents de motors que causen sobrecàrregues a curt termini
Per gestionar aquestes condicions:
Límits de pujada de temperatura més baixos
Densitat de corrent reduïda
Impedància aproximadament un 30% superior a la de transformadors de potència estàndard
3.3 Alimentació DC per a accionaments industrials
Principalment utilitzat per alimentar motors de CC en sistemes d'accionament elèctric, com:
Excitació d'armatures i camps magnètics per a motors de laminació
3.4 Transmissió de corrent directa de alta tensió (HVDC)
Tensions de funcionament típicament superiors a 110 kV
Capacitats que van des de dezenes de milers a centenars de milers de kVA
Es requereix atenció especial per al stress d'aislament combinat AC i CC a terra
Altres aplicacions:
Potència CC per a galvanoplastia o maquinatge electroquímico
Fonts d'excitació per a generadors
Sistemes de carregament de bateries
Fonts d'energia per precipitadors electroestàtics (ESP)
