ترانسفورماتور مستقیم‌ساز: اصل کار و کاربردها

۱. ترانسفورماتور مستطیل‌ساز: اصل کار و مروری بر آن

ترانسفورماتور مستطیل‌ساز یک ترانسفورماتور تخصصی است که برای تامین سیستم‌های مستطیل‌ساز طراحی شده است. اصل کار آن مشابه ترانسفورماتور معمولی است — بر اساس القای الکترومغناطیسی عمل می‌کند و برای تبدیل ولتاژ متناوب استفاده می‌شود. یک ترانسفورماتور معمولی دو پیچه الکتریکی جداگانه — اصلی و ثانویه — حول یک هسته آهنی مشترک پیچیده شده است.

وقتی پیچه اصلی به منبع برق متناوب متصل می‌شود، جریان متناوب در آن حرکت می‌کند و نیروی مغناطیسی (MMF) را تولید می‌کند که یک فلوکس مغناطیسی متناوب در هسته آهنی بسته ایجاد می‌کند. این فلوکس متغیر در هر دو پیچه اصلی و ثانویه قطع می‌شود و یک ولتاژ متناوب با فرکانس مشابه در پیچه ثانویه القاء می‌کند.

نسبت تعداد دورها بین پیچه‌های اصلی و ثانویه برابر با نسبت ولتاژ است. به عنوان مثال، اگر ترانسفورماتور ۴۴۰ دور در پیچه اصلی و ۲۲۰ دور در پیچه ثانویه داشته باشد و ولتاژ ورودی ۲۲۰ وات در سمت اصلی باشد، ولتاژ خروجی در سمت ثانویه ۱۱۰ وات خواهد بود. بعضی از ترانسفورماتورها ممکن است چندین پیچه ثانویه یا تماس داشته باشند که امکان دریافت چندین ولتاژ خروجی مختلف را فراهم می‌کند.

۲. ویژگی‌های ترانسفورماتور مستطیل‌ساز

ترانسفورماتورهای مستطیل‌ساز با مستطیل‌سازها همراه کار می‌کنند تا تجهیزات مستطیل‌ساز را تشکیل دهند و امکان تبدیل انرژی متناوب به مستقیم را فراهم کنند. این سیستم‌های مستطیل‌ساز پرکاربردترین منابع برق مستقیم در شرکت‌های صنعتی مدرن هستند و در انتقال مستقیم ولتاژ بالا (HVDC)، تنش الکتریکی، کارخانه‌های چاپ، الکترولیز و سایر زمینه‌ها کاربرد گسترده‌ای دارند.

سمت اصلی (که به آن سمت شبکه نیز گفته می‌شود) ترانسفورماتور مستطیل‌ساز به شبکه برق متناوب متصل می‌شود، در حالی که سمت ثانویه (که به آن سمت ولف نیز گفته می‌شود) به مستطیل‌ساز متصل می‌شود. اگرچه ساختار اصلی و اصل کار آن مشابه ترانسفورماتور معمولی است، اما بار — مستطیل‌ساز — به طور قابل توجهی با بارهای معمولی متفاوت است که منجر به ویژگی‌های طراحی و عملکردی منحصر به فرد می‌شود:

۲.۲ موج‌های غیرسینوسی جریان

در مدار مستطیل‌ساز، هر بازو فقط در بخشی از چرخه رسانایی می‌کند که منجر به موج‌های جریان غیرسینوسی — معمولاً نزدیک به پالس‌های مستطیلی ناپیوسته — می‌شود. بنابراین، جریان‌های پیچه‌های اصلی و ثانویه غیرسینوسی هستند.

به عنوان مثال، در یک مستطیل‌ساز پل سه‌فاز با اتصال Y/Y، موج جریان نمودارهای پالسی مشخصی را نشان می‌دهد. وقتی از تایریستورها برای مستطیل‌سازی استفاده می‌شود، زاویه تأخیر بزرگتر، شیب بالاتری برای افزایش/کاهش جریان ایجاد می‌کند و محتوای هارمونیک را افزایش می‌دهد. این منجر به افزایش ضایعات حلقه‌ای می‌شود. چون پیچه ثانویه فقط بخشی از زمان جریان را منتقل می‌کند، نرخ استفاده از ترانسفورماتور مستطیل‌ساز کمتر از ترانسفورماتور معمولی است. بنابراین، برای توان نامی یکسان، ترانسفورماتورهای مستطیل‌ساز معمولاً بزرگتر و سنگین‌تر هستند.

۲.۳ ظرفیت ظاهری معادل (متوسط)

در یک ترانسفورماتور معمولی، توان ورودی و خروجی برابر است (با نادیده گرفتن ضایعات)، بنابراین ظرفیت نامی برابر با ظرفیت ظاهری یکی از پیچه‌ها است. اما در ترانسفورماتور مستطیل‌ساز، موج‌های جریان پیچه‌های اصلی و ثانویه ممکن است متفاوت باشند (مثلاً در مستطیل‌سازی نیمه‌موج)، که منجر به عدم برابری ظرفیت ظاهری می‌شود.

بنابراین، ظرفیت ترانسفورماتور به عنوان میانگین ظرفیت ظاهری پیچه‌های اصلی و ثانویه تعریف می‌شود که ظرفیت معادل نامیده می‌شود:

که در آن ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">1</span>}}$S1 ظرفیت ظاهری اصلی و ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">2</span>}}$S2 ظرفیت ظاهری ثانویه است.

۲.۴ توانایی تحمل کوتاه‌مدار بالا

ترانسفورماتورهای مستطیل‌ساز باید دارای مقاومت مکانیکی بالا باشند تا بتوانند نیروهای الکترومغناطیسی کوتاه‌مدار را به دلیل خطاهای مکرر یا تغییرات ناگهانی بار (مثلاً شروع موتور) تحمل کنند. تضمین پایداری دینامیکی در شرایط کوتاه‌مدار یکی از نکات مهم در طراحی و ساخت است.

۳. کاربردهای اصلی ترانسفورماتور مستطیل‌ساز

ترانسفورماتورهای مستطیل‌ساز به عنوان منبع برق برای تجهیزات مستطیل‌ساز عمل می‌کنند. ویژگی اصلی آن‌ها تبدیل ولتاژ متناوب ورودی در سمت اصلی به ولتاژ مستقیم خروجی از طریق عناصر مستطیل‌ساز در سمت ثانویه است. "تبدیل انرژی" شامل مستطیل‌سازی، معکوس‌سازی و تبدیل فرکانس است که مستطیل‌سازی بیشترین استفاده را دارد. ترانسفورماتورهایی که برای تامین دستگاه‌های مستطیل‌ساز استفاده می‌شوند، ترانسفورماتور مستطیل‌ساز نامیده می‌شوند. بیشتر منابع برق مستقیم صنعتی از ترکیب شبکه‌های متناوب با ترانسفورماتورهای مستطیل‌ساز و مدارهای مستطیل‌ساز به دست می‌آیند.

۳.۱ صنعت الکتروشیمی

این بزرگترین حوزه کاربرد ترانسفورماتورهای مستطیل‌ساز است:

• الکترولیز ترکیبات فلزی برای تولید آلومینیوم، منیزیم، مس و سایر فلزات غیرآهنی

• تولید کلر-آلکالی از طریق الکترولیز آب شور

• تولید هیدروژن و اکسیژن از طریق الکترولیز آب

این فرآیندها به برق مستقیم با جریان بالا و ولتاژ پایین نیاز دارند که در برخی جنبه‌ها مشابه ترانسفورماتورهای فرن کهربایی است. بنابراین، ترانسفورماتورهای مستطیل‌ساز با ترانسفورماتورهای فرن کهربایی ساختار مشترکی دارند.

ویژگی برجسته ترانسفورماتورهای مستطیل‌ساز این است که جریان ثانویه دیگر متناوب سینوسی نیست. به دلیل رسانایی یک‌طرفه عناصر مستطیل‌ساز، جریان‌های فازی به پالس‌های یک‌طرفه تبدیل می‌شوند. پس از فیلتر کردن، این جریان پالسی به جریان مستقیم صاف تبدیل می‌شود.

ولتاژ و جریان ثانویه نه تنها به ظرفیت ترانسفورماتور و گروه اتصال بلکه به کنفیگوراسیون مدار مستطیل‌ساز (مثلاً پل سه‌فاز، دو ضد‌موازی با راکتور تعادل) بستگی دارد. حتی برای خروجی مستقیم یکسان، مدارهای مستطیل‌ساز مختلف نیاز به ولتاژ و جریان ثانویه متفاوت دارند. بنابراین، محاسبه پارامترهای ترانسفورماتور مستطیل‌ساز از سمت ثانویه شروع می‌شود و بر اساس توپولوژی مستطیل‌ساز خاص است.

به دلیل حضور هارمونیک‌های مرتبه بالا در جریان‌های پیچه ثانویه، این جریان‌ها شبکه متناوب را آلوده می‌کنند و عامل توان را کاهش می‌دهند. برای کاهش هارمونیک‌ها و بهبود عامل توان، تعداد پالس‌های سیستم مستطیل‌ساز باید افزایش یابد که معمولاً از طریق تکنیک‌های فاز‌برداری انجام می‌شود. هدف از فاز‌برداری ایجاد اختلاف فازی بین ولتاژ‌های خط در نقاط هم‌مرتبه پیچه‌های ثانویه است.

۳.۲ تامین برق مستقیم تنش

استفاده در لوکوموتیوها یا معدن‌ها یا شهری با خطوط برق مستقیم بالا.

• خطاهای کوتاه‌مدار مکرر به دلیل ترسیم خط‌های بالا

• نوسانات زیاد بار مستقیم

• شروع موتورهای مکرر باعث بارهای کوتاه‌مدت بالا می‌شود

برای مدیریت این شرایط:

• محدوده بالاتر برای افزایش دما

• کاهش چگالی جریان

• ایمپدانس حدود ۳۰٪ بیشتر از ترانسفورماتورهای قدرت استاندارد است

۳.۳ تامین برق مستقیم در محركه‌های صنعتی

عمدتاً برای تأمین موتورهای مستقیم در سیستم‌های محرکه الکتریکی استفاده می‌شود، مانند:

• تغذیه آرماتور و میدان برای موتورهای کارخانه چاپ

۳.۴ انتقال مستقیم ولتاژ بالا (HVDC)

• ولتاژ عملیاتی معمولاً بالای ۱۱۰ kV است

• ظرفیت از ده‌ها هزار تا صدها هزار kVA متغیر است

• توجه خاص به تنش عایقی ترکیبی AC و DC به زمین لازم است

کاربردهای دیگر:

• توان مستقیم برای پوشش الکتریکی یا ماشین‌کاری الکتریکی

• منابع تغذیه برای مولد‌ها

• سیستم‌های شارژ باتری

• منابع تغذیه تصفیه‌کننده‌های الکترواستاتیک (ESP)