Odstavovací transformátor: Principe fungování a aplikace
1. Obrátkový transformátor: Princip a přehled
Obrátkový transformátor je specializovaný transformátor navržený k zásobování obrátkových systémů. Jeho pracovní princip je stejný jako u běžného transformátoru – funguje na základě elektromagnetické indukce a slouží k transformaci střídavého napětí. Typický transformátor má dva elektricky izolované cívky – primární a sekundární – otáčené kolem společného železného jádra.
Když je primární cívka připojena ke zdroji střídavého proudu, střídavý proud protéká tímto vedením, což vygeneruje magnetomotorickou sílu (MMF), která produkuje střídavý magnetický tok v uzavřeném železném jádře. Tento se měnící tok protíná jak primární, tak sekundární cívku, čímž je v sekundární cívce indukováno střídavé napětí stejné frekvence.
Poměr počtu otáček mezi primární a sekundární cívkou je roven poměru napětí. Například, pokud má transformátor 440 otáček na primární straně a 220 otáček na sekundární straně, s vstupem 220V na primární straně, bude výstupní napětí na sekundární straně 110V. Některé transformátory mohou mít několik sekundárních civek nebo odboček, což umožňuje dosažení několika různých výstupních napětí.
2. Charakteristiky obrátkových transformátorů
Obrátkové transformátory spolupracují s obrátkami k vytvoření obrátkového zařízení, které umožňuje převod střídavé energie na stejnosměrnou energii. Takové obrátkové systémy jsou nejčastěji používanými zdroji stejnosměrné energie v moderních průmyslových podnicích, široce používané v přenosu střídavého proudu vysokého napětí, elektrické trakci, válcovnách, elektrolytickém poklopu, elektrolyze a dalších oblastech.
Primární strana (také označovaná jako síťová strana) obrátkového transformátoru je připojena k síti střídavého proudu, zatímco sekundární strana (také označovaná jako ventilová strana) je připojena k obrátce. Ačkoli jeho základní struktura a pracovní princip jsou podobné běžnému transformátoru, zátěž – obrátkový systém – se liší od běžné zátěže, což vede k unikátním designovým a operačním charakteristikám:
2.2 Nesinusoidální proudové vlnové formy
V obrátkovém obvodu každá rameno vodi jen během části cyklu, což vede k nesinusoidálním proudovým vlnovým formám – typicky blízkým diskrétním obdélníkovým pulzům. V důsledku toho jsou proudy v primární i sekundární cívce nesinusoidální.
Například, v třífázovém mostovém obrátku s Y/Y spojením, ukazuje průběh proudu výrazné pulzní vzory. Když se pro obrátkování používají thyristory, čím větší úhel zpoždění zapalování, tím strmější je nárůst/pokles proudu, což zvyšuje harmonickou složku. To vedá k vyšším eddy current ztrátám. Protože sekundární cívka vodi proud pouze část času, využití obrátkového transformátoru je nižší než u běžného transformátoru. Proto pro stejné výkonové hodnoty jsou obrátkové transformátory obvykle větší a těžší.
2.3 Ekvivalentní (průměrný) zdánlivý výkon
U běžného transformátoru jsou vstupní a výstupní výkon stejné (bez ohledu na ztráty), takže nominální kapacita je jednoduše zdánlivý výkon buď primární, nebo sekundární cívky. U obrátkového transformátoru však mohou proudy v primární a sekundární cívce mít různé vlnové formy (např. v polovlnovém obrátkování), což způsobuje, že jejich zdánlivé výkony nejsou stejné.
Proto je kapacita transformátoru definována jako průměr primárního a sekundárního zdánlivého výkonu, známý jako ekvivalentní kapacita:
kde S1 je primární zdánlivý výkon a S2 je sekundární zdánlivý výkon.
2.4 Vysoká odolnost vůči krátkému zapojení
Obrátkové transformátory musí mít vysokou mechanickou pevnost, aby odolaly elektromagnetickým silám způsobeným častými poruchami nebo náhlými změnami zátěže (např. startem motoru). Zajištění dynamické stability za podmínek krátkého zapojení je klíčovou úvahou v návrhu a výrobě.
3.Hlavní aplikace obrátkových transformátorů
Obrátkové transformátory slouží jako zdroj energie pro obrátková zařízení. Jejich hlavní vlastností je převod střídavého vstupu na primární straně na stejnosměrný výstup prostřednictvím obrátkových prvků na sekundární straně. "Převod energie" zahrnuje obrátkování, inverzi a frekvenční převod, z nichž obrátkování je nejvíce rozšířené. Transformátory používané k zásobování obrátkových zařízení se nazývají obrátkové transformátory. Většina průmyslových zdrojů stejnosměrné energie je získána kombinací střídavých sítí s obrátkovými transformátory a obrátkovými obvody.
3.1 Elektrochemický průmysl
Toto je největší oblast použití obrátkových transformátorů:
Elektrolýza kovových sloučenin k produkci hliníku, hořčíku, mědi a dalších netěžkých kovů
Výroba chlor-alkali metodou solivé elektrolýzy
Generování vodíku a kyslíku pomocí vodní elektrolýzy
Tyto procesy vyžadují vysoký proud a nízké napětí stejnosměrné energie, což v některých aspektech připomíná transformátory pro elektrické obloukové pece. Proto mají obrátkové transformátory strukturní rysy společné s pecovými transformátory.
Nejvýraznější vlastností obrátkových transformátorů je, že sekundární proud již není sinusoidální střídavý. Díky unidirekčnímu vedení obrátkových prvků se fázové proudy stávají pulsujícími a unidirekčními. Po filtraci se tento pulsující proud stává hladkým stejnosměrným proudem.
Sekundární napětí a proud závisí nejen na kapacitě transformátoru a skupině spojení, ale také na konfiguraci obrátkového obvodu (např. třífázový most, dvojitý antiparalelní s vyrovnávacím reaktorem). I pro stejný výstup stejnosměrné energie různé obrátkové obvody vyžadují různé sekundární napětí a proud. Proto začíná výpočet parametrů obrátkových transformátorů od sekundární strany a je založen na specifické topologii obrátkového obvodu.
Protože sekundární proudy obsahují bohaté vysoké harmonické složky, znečišťují střídavou síť a snižují faktor moci. Pro snížení harmonických složek a zlepšení faktoru moci je nutné zvýšit počet pulzů obrátkového systému, což se obvykle dosahuje fázovými posuny. Cílem fázových posunů je zavést fázové posunutí mezi linkovými napětím na homologických terminálech sekundárních civek.
3.2 Trakční zdroj stejnosměrné energie
Používá se v hornických nebo městských elektrických lokomotivách s stejnosměrnými nadjezdními vedeními.
Časté krátké zapojení způsobené expozicí nadjezdního vedení
Velké fluktuace stejnosměrné zátěže
Časté starty motorů způsobují krátkodobé přetížení
Pro zvládnutí těchto podmínek:
Nižší limity teplotního nárůstu
Snížená hustota proudu
Impedance je asi 30% vyšší než u standardních distribučních transformátorů
3.3 Průmyslový pohon stejnosměrné energie
Hlavně používán k zásobování stejnosměrných motorů v elektrických pohonech, jako jsou:
Armatury a pole excitačních motorů válcovny
3.4 Přenos vysokého napětí stejnosměrné energie (HVDC)
Provozní napětí obvykle nad 110 kV
Kapacity od desítek do stovek tisíc kVA
Speciální pozornost je potřebná pro kombinovaný střídavý a stejnosměrný izolační stres vůči zemi
Další aplikace:
Stejnosměrná energie pro elektrolitické poklopy nebo elektromechanické opravy
Zdroje excitace generátorů
Systémy nabíjení baterií
Zdroje energie pro elektrostatické srážení (ESP)
