Μετατροπέας Μετατροπέας: Λειτουργικό Αρχή & Εφαρμογές
1. Τρανσφορματόρας ορθογωνικοποίησης: Αρχή και Επισκόπηση
Ο τρανσφορματόρας ορθογωνικοποίησης είναι ένα εξειδικευμένο τρανσφορματόρας σχεδιασμένος για την παροχή συστημάτων ορθογωνικοποίησης. Η λειτουργική αρχή του είναι η ίδια με εκείνη ενός συνηθισμένου τρανσφορματόρα — λειτουργεί βάσει της ηλεκτρομαγνητικής επανάληψης και χρησιμοποιείται για τη μετατροπή εναλλακτικής τάσης. Ένας τυπικός τρανσφορματόρας έχει δύο ηλεκτρικά απομονωμένα στρώματα — πρωτεύον και δευτερεύον — που είναι εντυπωμένα γύρω από έναν κοινό σίδερο.
Όταν το πρωτεύον στρώμα είναι συνδεδεμένο με μια πηγή εναλλακτικής τάσης, η εναλλακτική ροή ρεύματος διαρρέει το στρώμα, παράγοντας μια μαγνητοκινητική δύναμη (MMF), η οποία παράγει μια εναλλακτική μαγνητική φλεξ στο κλειστό σίδερο. Αυτή η μεταβαλλόμενη φλεξ διαστέλλει και τα δύο στρώματα, πρωτεύον και δευτερεύον, παράγοντας μια εναλλακτική τάση της ίδιας συχνότητας στο δευτερεύον στρώμα.
Το λόγος του αριθμού των σπειρών μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος στρώματος ισούται με τον λόγο της τάσης. Για παράδειγμα, αν ένας τρανσφορματόρας έχει 440 σπείρες στο πρωτεύον και 220 σπείρες στο δευτερεύον, με 220V εισόδου στο πρωτεύον, η εξόδου τάση στο δευτερεύον θα είναι 110V. Ορισμένοι τρανσφορματόρες μπορεί να έχουν πολλαπλά δευτερεύοντα στρώματα ή ανταποκρίσεις, επιτρέποντας την παραγωγή πολλαπλών διαφορετικών εξόδων τάσης.
2. Χαρακτηριστικά των Τρανσφορματόρων Ορθογωνικοποίησης
Οι τρανσφορματόρες ορθογωνικοποίησης λειτουργούν μαζί με τους ορθογωνικοποιητές για τη σχηματοποίηση εξοπλισμού ορθογωνικοποίησης, επιτρέποντας τη μετατροπή της εναλλακτικής τάσης σε ορθογώνια. Τέτοια συστήματα ορθογωνικοποίησης είναι οι πιο συνηθισμένες πηγές ορθογώνιας τάσης σε σύγχρονες βιομηχανικές επιχειρήσεις, με ευρεία εφαρμογή στην ΥΨΕ, την ηλεκτρική τροχοποίηση, τους κατεργαστήριους, την ελεκτρολύση, την ηλεκτρολύση και άλλους τομείς.
Το πρωτεύον (επίσης ονομαζόμενο πλευρά δικτύου) του τρανσφορματόρα ορθογωνικοποίησης συνδέεται με το εναλλακτικό δίκτυο, ενώ το δευτερεύον (επίσης ονομαζόμενο πλευρά βαλβίδας) συνδέεται με τον ορθογωνικοποιητή. Παρόλο που η βασική δομή και η λειτουργική αρχή είναι παρόμοιες με εκείνες ενός συνηθισμένου τρανσφορματόρα, η φορτία — ο ορθογωνικοποιητής — διαφέρει σημαντικά από τις συνηθισμένες φορτίες, οδηγώντας σε μοναδικά σχεδιαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά:
2.2 Μη Συνημιτονοειδείς Κύματα Ρεύματος
Σε έναν ορθογωνικοποιητή, κάθε πλευρά διαβιβάζει μόνο κατά μέρος του κύκλου, παράγοντας μη συνημιτονοειδή κύματα ρεύματος — συνήθως κοντά σε διακόπτικες ορθογώνιες παλμούς. Ως αποτέλεσμα, τα ρεύματα των πρωτεύοντος και δευτερεύοντος στρωμάτων είναι μη συνημιτονοειδή.
Για παράδειγμα, σε έναν τριφάσεις γέφυρα ορθογωνικοποίησης με σύνδεση Y/Y, το κύμα ρεύματος έχει ξεκάθαρες πατάκες. Όταν χρησιμοποιούνται θυρίστορες για ορθογωνικοποίηση, όσο μεγαλύτερη η καθυστερημένη γωνία, τόσο δραστικότερη η αύξηση του ρεύματος, αυξάνοντας τον αρμονικό περιεχόμενο. Αυτό οδηγεί σε υψηλότερες απώλειες εδρεικών ρευμάτων. Επειδή το δευτερεύον στρώμα διαβιβάζει ρεύμα μόνο κατά μέρος του χρόνου, η αποδοτικότητα του τρανσφορματόρα ορθογωνικοποίησης είναι χαμηλότερη από εκείνη ενός συνηθισμένου τρανσφορματόρα. Συνεπώς, για την ίδια ισχύ, οι τρανσφορματόρες ορθογωνικοποίησης τείνουν να είναι μεγαλύτεροι και βαρύτεροι.
2.3 Ισοδύναμη (Μέση) Ισχύς Φανταστικής Ισχύς
Σε έναν συνηθισμένο τρανσφορματόρα, η εισόδου και η εξόδου ισχύς είναι ίσες (αγνοώντας τις απώλειες), έτσι η ρυθμισμένη ισχύς είναι απλά η φανταστική ισχύς είτε του πρωτεύοντος είτε του δευτερεύοντος. Ωστόσο, σε έναν τρανσφορματόρα ορθογωνικοποίησης, τα ρεύματα του πρωτεύοντος και δευτερεύοντος μπορεί να διαφέρουν σε κύμα (π.χ., σε μισοκύκλια ορθογωνικοποίηση), κάνοντας τις φανταστικές ισχύες άνισες.
Επομένως, η ισχύς του τρανσφορματόρα ορίζεται ως η μέση των φανταστικών ισχύων του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος, γνωστή ως ισοδύναμη ισχύς:
όπου S1 είναι η φανταστική ισχύς του πρωτεύοντος και S2 είναι η φανταστική ισχύς του δευτερεύοντος.
2.4 Υψηλή Δυνατότητα Αντοχής σε Σύντομη Σύνδεση
Οι τρανσφορματόρες ορθογωνικοποίησης πρέπει να έχουν υψηλή μηχανική αντοχή για να αντέξουν τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που προκαλούνται από συχνές παρακμές ή ξαφνικές αλλαγές φορτίου (π.χ., έναρξη μοτέρας). Η εξασφάλιση δυναμικής σταθερότητας υπό συνθήκες σύντομης σύνδεσης είναι μια κρίσιμη σκέψη στο σχεδιασμό και την κατασκευή.
3. Κύριες Εφαρμογές των Τρανσφορματόρων Ορθογωνικοποίησης
Οι τρανσφορματόρες ορθογωνικοποίησης λειτουργούν ως πηγή ενέργειας για τον εξοπλισμό ορθογωνικοποίησης. Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η μετατροπή της εναλλακτικής εισόδου στην πρωτεύουσα πλευρά σε ορθογώνια εξόδου μέσω των ορθογωνικοποιητών στη δευτερεύουσα πλευρά. "Η μετατροπή ενέργειας" περιλαμβάνει ορθογωνικοποίηση, αντιστροφή και μετατροπή συχνότητας, από τις οποίες η ορθογωνικοποίηση είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη. Οι τρανσφορματόρες που χρησιμοποιούνται για την παροχή ορθογωνικοποιητών ονομάζονται τρανσφορματόρες ορθογωνικοποίησης. Οι περισσότερες βιομηχανικές πηγές ορθογώνιας ενέργειας προκύπτουν από την ενσωμάτωση των εναλλακτικών δικτύων με τους τρανσφορματόρες ορθογωνικοποίησης και τους κύκλους ορθογωνικοποίησης.
3.1 Ηλεκτροχημική Βιομηχανία
Αυτή είναι η μεγαλύτερη εφαρμογή για τους τρανσφορματόρες ορθογωνικοποίησης:
Ηλεκτρολύση μεταλλικών συνθέσεων για την παραγωγή αλουμινίου, μαγνησίου, χάλυβα και άλλων μη σιδηρούχων μετάλλων
Παραγωγή χλωρού-αλκαλί μέσω ηλεκτρολύσης αλάτων
Παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου μέσω ηλεκτρολύσης νερού
Αυτές οι διαδικασίες απαιτούν υψηλή τροφοδοσία συνεχούς ρεύματος και χαμηλή τάση DC, παρόμοια με κάποιες πτυχές των μετατροπέων φορνάρων ηλεκτρικής λεκάνης. Συνεπώς, οι μετατροπείς ορθογωνίου μοιράζονται κατασκευαστικά χαρακτηριστικά με τους μετατροπείς φορνάρων.
Το πιο ξεχωριστό χαρακτηριστικό των μετατροπέων ορθογωνίου είναι ότι το δευτερεύον ρεύμα δεν είναι πλέον συνημιτονοειδές AC. Λόγω της μονοκατευθυντικής συμπεριφοράς των ορθογωνίων στοιχείων, τα φάσεις των ρευμάτων γίνονται παλμικά και μονοκατευθυντικά. Μετά τη φιλτραρισμό, αυτό το παλμικό ρεύμα γίνεται ομαλό DC.
Η δευτερεύουσα τάση και το ρεύμα εξαρτώνται όχι μόνο από την ικανότητα του μετατροπέα και την ομάδα σύνδεσης, αλλά και από τη διάταξη του πλήθους των ορθογωνίων (π.χ., τριφασική γέφυρα, διπλή αντιπαράλληλη με αντιστάτη ισορροπίας). Ακόμη και για την ίδια εξόδο DC, διαφορετικές διατάξεις ορθογωνίων απαιτούν διαφορετικές δευτερεύουσες τάσεις και ρεύματα. Έτσι, η υπολογιστική ανάλυση των μετατροπέων ορθογωνίου ξεκινά από τη δευτερεύουσα πλευρά και βασίζεται στη συγκεκριμένη τοπολογία ορθογωνίων.
Επειδή τα ρεύματα των δευτερευόντων στροφών των μετατροπέων ορθογωνίου περιέχουν πλούσια υψηλού-τάξης αρμονικά, ρυπαίνουν το δίκτυο AC και μειώνουν τον συντελεστή δυναμικότητας. Για να μειωθούν τα αρμονικά και να βελτιωθεί ο συντελεστής δυναμικότητας, πρέπει να αυξηθεί το πλήθος των παλμών του συστήματος ορθογωνίων, συνήθως μέσω τεχνικών μετατόπισης φάσης. Το στόχος της μετατόπισης φάσης είναι να εισαχθεί μια μετατόπιση φάσης μεταξύ των γραμμικών τάσεων στα ομόλογα άκρα των δευτερευόντων στροφών.
3.2 Διασύρεια DC Εφοδιασμού
Χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά μηχανήματα εξόρυξης ή αστικών σιδηροδρόμων με DC αεροτροχίες.
Συχνές συντομευτικές σφάλματα λόγω της εκτεθειμένης αεροτροχίας
Μεγάλες διακυμάνσεις του DC φορτίου
Συχνές έναρξης μοτέρων που προκαλούν βραχυπρόθεσμες υπερφορτώσεις
Για την αντιμετώπιση αυτών των συνθηκών:
Πιο χαμηλοί οριακοί όριοι θερμοκρασίας
Μειωμένη πυκνότητα ρεύματος
Η αντίσταση είναι περίπου 30% υψηλότερη από τους κανονικούς μετατροπείς ενέργειας
3.3 Βιομηχανικός Προώθησης DC Εφοδιασμός
Κυρίως χρησιμοποιείται για την εφοδιασμό DC μοτέρων σε συστήματα ηλεκτρικής προώθησης, όπως:
Αρματυρία και ενεργοποίηση πεδίου για μοτέρες κατασκευής
3.4 Υψηλής Τάσης Μεταφορά Συνεχούς Ρεύματος (HVDC)
Λειτουργικές τάσεις συνήθως άνω των 110 kV
Ικανότητες από δεκάδες χιλιάδες έως εκατοντάδες χιλιάδες kVA
Ειδική προσοχή απαιτείται για τον συνδυασμό AC και DC ηλεκτρικής τάσης στο έδαφος
Άλλες Εφαρμογές:
DC ενέργεια για ελεκτρολυτική ή ελεκτρομηχανολογική επεξεργασία
Εφοδιασμός ενεργοποίησης για γεννήτριες
Συστήματα φόρτισης μπαταριών
Εφοδιασμός ενέργειας για ηλεκτροστατικούς προσιτούς (ESP)
