Rektifiertransformator: Arbejdsgang & Anvendelser

1. Rektifiertransformator: Princippet og oversigt

En rektifiertransformator er en specialiseret transformator, der er designet til at forsyne rektifiersystemer. Dens arbejdsmåde er den samme som ved en konventionel transformator - den fungerer baseret på elektromagnetisk induktion og bruges til at omdanne vekselstrøm. En typisk transformator har to elektrisk isolerede vindinger - primær og sekundær - slået om et fælles jernkern.

Når primær vindings forbinder til en vekselstrømkilde, flyder vekselstrøm gennem den, hvilket genererer en magnetisk motorkraft (MMF), der producerer en vekselsvungne magnetflod i den lukkede jernkern. Denne ændringsflod krydser både primære og sekundære vindinger, hvilket inducerer en vekselstrøm af samme frekvens i sekundær vindings.

Forholdet mellem antallet af vindinger mellem primær og sekundær vindinger er lig med spændingsforholdet. For eksempel, hvis en transformator har 440 vindinger på primær side og 220 vindinger på sekundær side, med 220V indgang på primær side, vil udgangsspændingen på sekundær side være 110V. Nogle transformatorer kan have flere sekundære vindinger eller tappunkter, der tillader flere forskellige udgangsspændinger at opnås.

2. Karakteristika af rektifiertransformatorer

Rektifiertransformatorer fungerer sammen med rektorer for at danne rektifikationsudstyr, der gør det muligt at konvertere vekselstrøm til gennemstrøm. Sådanne rektifiersystemer er de mest almindelige gennemstrømkilder i moderne industrielle virksomheder, bredt anvendt i HVDC-transmission, elektriske træk, rullebaner, galvanoplatering, elektrolyse og andre felt.

Primærsiden (også kaldet netværks-side) af en rektifiertransformator forbinder til vekselstrømnettet, mens sekundærsiden (også kaldet ventilsiden) forbinder til rektoren. Selvom dens grundlæggende struktur og driftsprincip er lignende dem af en konventionel transformator, er belastningen - en rektor - betydeligt forskellig fra normale belastninger, hvilket fører til unikke design- og driftskarakteristika:

2.2 Ikke-sinusformet strømform

I et rektifierkredsløb ledes hver arm kun under en del af cyklussen, hvilket resulterer i ikke-sinusformet strømformer - typisk nær diskontinuerlige rektangulære pulser. Derfor er både primær- og sekundærvindingsstrømmer ikke-sinusformede.

For eksempel viser en tre-fase brorektifier med Y/Y-forbindelse en karakteristisk pulsbaseret strømform. Når thyristorer bruges til rektifikation, jo større tændningsforsinkelsesvinkel, jo stejlere er strømstigningen/fald, hvilket øger harmoniske indhold. Dette fører til højere viftestrømtab. Da sekundær vindings kun leder strøm en del af tiden, er udnyttelsesgraden af rektifiertransformator lavere end hos en konventionel transformator. Derfor er rektifiertransformatorer for samme effekt normalt større og tungere.

2.3 Lignende (gennemsnitlig) synligt effekt

I en konventionel transformator er ind- og udgangseffekten ens (uden hensyn til tab), så den nominerede kapacitet er blot den synlige effekt af enten vindings. Men i en rektifiertransformator kan primær- og sekundærfasestrømmer variere i form (f.eks. ved halvvejsrektifikation), hvilket gør deres synlige effekter ulige.

Derfor defineres transformatorens kapacitet som gennemsnittet af primær- og sekundærsynlige effekter, kendt som den lignende kapacitet:

hvor ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">1</span>}}$S1 er den primære synlige effekt og ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">2</span>}}$S2 er den sekundære synlige effekt.

2.4 Høj modstandsdygtighed over for kortslutning

Rektifiertransformatorer skal have høj mekanisk styrke for at modstå kortslutnings-elektromagnetiske kræfter pga. hyppige fejl eller pludselige belastningsændringer (f.eks. motorstart). Sikring af dynamisk stabilitet under kortslutningsbetingelser er en afgørende overvejelse i design og produktion.

3. Hovedanvendelser af rektifiertransformatorer

Rektifiertransformatorer fungerer som kraftkilde for rektifieringsudstyr. Deres hovedegenskab er at konvertere AC-indgang på primær siden til DC-udgang via rektivelementer på sekundær siden. "Kraftkonvertering" inkluderer rektifikation, inversion og frekvenskonvertering, hvoraf rektifikation er den mest udbredte. Transformatorer, der bruges til at forsyne rektiver, kaldes rektifiertransformatorer. De fleste industrielle DC-kraftkilder opnås ved at kombinere AC-netværk med rektifiertransformatorer og rektifieringskredsløb.

3.1 Elektrokemisk industri

Dette er den største anvendelsesområde for rektifiertransformatorer:

• Elektrolys af metalforbindelser for at producere aluminium, magnesium, kobber og andre ikke-jernmetaller

• Chlor-alkaliproduktion via saltvandselektrolys

• Hydrogen- og iltproduktion gennem vandelektrolys

Disse processer kræver højstrøm, lavspændings DC-kraft, der på nogle måder er lignende elektriske bueovn-transformatorer. Som sådan deler rektifiertransformatorer strukturelle egenskaber med ovn-transformatorer.

Den mest karakteristiske egenskab ved rektifiertransformatorer er, at sekundærstrømmen ikke længere er sinusformet AC. På grund af den envejsledende konduktivitet af rektivelementer, bliver fasestrømmer pulsformet og enrettede. Efter filtrering bliver denne pulsformet strøm glat DC.

Sekundærspænding og -strøm afhænger ikke kun af transformatorkapacitet og forbindelsesgruppe, men også af rektifierkreds-konfiguration (f.eks. tre-fase bro, dobbelt anti-parallelt med balancerende reaktor). Selv for samme DC-udgang, kræver forskellige rektifierkredsløb forskellige sekundærspændinger og -strømme. Derfor starter parameterberegning for rektifiertransformatorer fra sekundær siden og er baseret på den specifikke rektifer-topologi.

Da rektiveringsvindingsstrømme indeholder rigtige højordens harmonier, forurener de AC-nettet og reducerer effektfaktoren. For at mindske harmonier og forbedre effektfaktoren, skal pulstallet for rektifersystemet øges, typisk gennem faseskiftsteknikker. Formålet med faseskift er at introducere en faseforskydning mellem linjespændinger på homologe terminaler af sekundære vindinger.

3.2 Traktion DC-kraftforsyning

Bruges i gruve- eller byelektriske lokomotiver med DC-overledning.

• Hyppige kortslutningsfejl pga. eksponeret overledning

• Store fluktuationer i DC-belastning

• Hyppige motortilstande forårsager kortvarige overbelastninger

For at håndtere disse betingelser:

• Lavere temperaturstigningsgrænser

• Reduceret strømtæthed

• Impedans er ca. 30% højere end standard krafttransformatorer

3.3 Industriel driv DC-kraftforsyning

Hovedsageligt bruges til at forsyne DC-motorer i elektriske drivsystemer, som:

• Armaturre og feltopspænding for rullebansmotorer

3.4 Højspænding direkte strøm (HVDC)-transmission

• Driftsspændinger typisk over 110 kV

• Kapaciteter, der ligger fra titusinder til hundredetusinde kVA

• Speciel opmærksomhed kræves for kombineret AC- og DC-isolationsstress over for jorden

Andre Anvendelser:

• DC-kraft for galvanoplatering eller elektroformning

• Opbygningskraftforsyninger for generatorer

• Batteriopladelingssystemer

• Elektrostatiske nedfanger (ESP) kraftforsyninger