Transformador Rectificador: Principio de Funcionamiento y Aplicaciones
1.Transformador Rectificador: Principio y Visión General
Un transformador rectificador es un transformador especializado diseñado para suministrar sistemas de rectificación. Su principio de funcionamiento es el mismo que el de un transformador convencional — opera basándose en la inducción electromagnética y se utiliza para transformar voltaje alterno. Un transformador típico tiene dos devanados eléctricamente aislados — primario y secundario — enrollados alrededor de un núcleo de hierro común.
Cuando el devanado primario se conecta a una fuente de alimentación de corriente alterna, la corriente alterna fluye a través de él, generando una fuerza magneto motriz (FMM), lo que produce un flujo magnético alterno en el núcleo de hierro cerrado. Este flujo variable corta tanto el devanado primario como el secundario, induciendo un voltaje alterno de la misma frecuencia en el devanado secundario.
La relación entre el número de vueltas del devanado primario y secundario es igual a la relación de voltajes. Por ejemplo, si un transformador tiene 440 vueltas en el primario y 220 vueltas en el secundario, con una entrada de 220V en el lado primario, la tensión de salida en el secundario será de 110V. Algunos transformadores pueden tener múltiples devanados secundarios o tomas, permitiendo obtener varios voltajes de salida diferentes.
2.Características de los Transformadores Rectificadores
Los transformadores rectificadores trabajan junto con rectificadores para formar equipos de rectificación, permitiendo la conversión de energía de corriente alterna en corriente directa. Estos sistemas de rectificación son las fuentes de alimentación de corriente directa más comúnmente utilizadas en las empresas industriales modernas, aplicadas ampliamente en transmisión de corriente directa de alta tensión, tracción eléctrica, laminadores, electrochapado, electrolisis y otros campos.
El lado primario (también llamado lado de red) del transformador rectificador se conecta a la red de corriente alterna, mientras que el lado secundario (también llamado lado de válvulas) se conecta al rectificador. Aunque su estructura básica y principio de funcionamiento son similares a los de un transformador convencional, la carga —un rectificador— difiere significativamente de las cargas normales, lo que lleva a características de diseño y operación únicas:
2.2 Formas de Onda de Corriente No Sinusoidales
En un circuito rectificador, cada brazo conduce solo durante una parte del ciclo, resultando en formas de onda de corriente no sinusoidales —típicamente cercanas a pulsos rectangulares discontinuos. En consecuencia, tanto la corriente del devanado primario como la del secundario son no sinusoidales.
Por ejemplo, en un rectificador de puente trifásico con conexión Y/Y, la forma de onda de corriente muestra patrones de pulsos distintivos. Cuando se utilizan tiristores para la rectificación, cuanto mayor es el ángulo de disparo, más pronunciada es la subida/bajada de la corriente, aumentando el contenido armónico. Esto lleva a pérdidas por corrientes de Foucault mayores. Dado que el devanado secundario conduce corriente solo parte del tiempo, la tasa de utilización del transformador rectificador es menor que la de un transformador convencional. Por lo tanto, para la misma potencia nominal, los transformadores rectificadores tienden a ser más grandes y pesados.
2.3 Potencia Aparente Equivalente (Media)
En un transformador convencional, la potencia de entrada y salida son iguales (ignorando pérdidas), por lo que la capacidad nominal es simplemente la potencia aparente de cualquiera de los devanados. Sin embargo, en un transformador rectificador, las corrientes primaria y secundaria pueden diferir en forma de onda (por ejemplo, en la rectificación de media onda), haciendo que sus potencias aparentes sean desiguales.
Por lo tanto, la capacidad del transformador se define como el promedio de las potencias aparentes primaria y secundaria, conocido como la capacidad equivalente:
donde S1 es la potencia aparente primaria y S2 es la potencia aparente secundaria.
2.4 Alta Capacidad de Resistencia a Cortocircuitos
Los transformadores rectificadores deben tener alta resistencia mecánica para soportar las fuerzas electromagnéticas de cortocircuito debido a fallos frecuentes o cambios súbitos de carga (por ejemplo, arranque de motores). Asegurar la estabilidad dinámica bajo condiciones de cortocircuito es una consideración crítica en el diseño y fabricación.
3.Principales Aplicaciones de los Transformadores Rectificadores
Los transformadores rectificadores sirven como fuente de alimentación para equipos de rectificación. Su principal característica es convertir la entrada de corriente alterna en el lado primario en una salida de corriente directa a través de elementos rectificadores en el lado secundario. "Conversión de potencia" incluye rectificación, inversión y conversión de frecuencia, siendo la rectificación la más ampliamente utilizada. Los transformadores utilizados para suministrar dispositivos rectificadores se llaman transformadores rectificadores. La mayoría de las fuentes de alimentación de corriente directa industriales se obtienen combinando redes de corriente alterna con transformadores rectificadores y circuitos rectificadores.
3.1 Industria Electroquímica
Esta es la área de aplicación más grande para los transformadores rectificadores:
Electrólisis de compuestos metálicos para producir aluminio, magnesio, cobre y otros metales no ferrosos
Producción de cloro-álcali mediante electrólisis de agua salada
Generación de hidrógeno y oxígeno a través de la electrólisis del agua
Estos procesos requieren corriente directa de alto amperaje y baja tensión, similar en algunos aspectos a los transformadores de hornos de arco eléctrico. Por lo tanto, los transformadores rectificadores comparten características estructurales con los transformadores de horno.
La característica más distintiva de los transformadores rectificadores es que la corriente secundaria ya no es corriente alterna sinusoidal. Debido a la conducción unidireccional de los elementos rectificadores, las corrientes de fase se vuelven pulsantes y unidireccionales. Después de filtrar, esta corriente pulsante se vuelve continua y lisa.
La tensión y corriente secundarias dependen no solo de la capacidad del transformador y del grupo de conexiones, sino también de la configuración del circuito rectificador (por ejemplo, puente trifásico, doble antiparalelo con reactor de equilibrio). Incluso para la misma salida de corriente directa, diferentes circuitos rectificadores requieren diferentes tensiones y corrientes secundarias. Por lo tanto, el cálculo de parámetros para transformadores rectificadores comienza desde el lado secundario y se basa en la topología específica del rectificador.
Dado que las corrientes de los devanados rectificadores contienen ricos armónicos de orden superior, contaminan la red de corriente alterna y reducen el factor de potencia. Para mitigar los armónicos y mejorar el factor de potencia, el número de pulsos del sistema rectificador debe incrementarse, generalmente logrado a través de técnicas de desfase. El propósito del desfase es introducir un desplazamiento de fase entre las tensiones de línea en terminales homólogos de los devanados secundarios.
3.2 Suministro de Energía DC para Trenes
Utilizado en locomotoras eléctricas mineras o urbanas con líneas aéreas de corriente directa.
Fallas de cortocircuito frecuentes debido a la exposición de las líneas aéreas
Grandes fluctuaciones en la carga de corriente directa
Arranques frecuentes de motores causan sobrecargas a corto plazo
Para manejar estas condiciones:
Límites de elevación de temperatura más bajos
Densidad de corriente reducida
Impedancia aproximadamente 30% mayor que en los transformadores de potencia estándar
3.3 Suministro de Energía DC para Impulsión Industrial
Principalmente utilizado para suministrar motores de corriente directa en sistemas de impulsión eléctrica, como:
Excitación del armadura y campo para motores de laminadores
3.4 Transmisión de Corriente Directa de Alta Tensión (HVDC)
Tensiones de operación típicamente superiores a 110 kV
Capacidades que van desde decenas de miles hasta cientos de miles de kVA
Se requiere atención especial para el estrés de aislamiento combinado de corriente alterna y corriente directa a tierra
Otras Aplicaciones:
Energía de corriente directa para electrochapado o electro-mecanizado
Suministros de excitación para generadores
Sistemas de carga de baterías
Suministros de energía para precipitadores electrostáticos (ESP)
