Suunnistinmuuntaja: Toimintaperiaate ja sovellukset

Echo

Kenttä: Transformerianalyysi

China

1. Suorituskykytransformaattori: Periaate ja yleiskatsaus

Suorituskykytransformaattori on erikoistettu transformaattori, joka on suunniteltu suorituskykyjärjestelmien tarjoamiseksi. Sen toimintaperiaate on sama kuin perinteisellä transformaattorilla — se toimii sähkömagneettisen induktion perusteella ja sitä käytetään vaihtovoltin muuntamiseen. Tyypillinen transformaattori sisältää kaksi sähköisesti eristettyä kymppeenä – primääri- ja sekundaarikymppeenä – jotka ovat pyöritetty ympärille yhteiselle rautaytimelle.

Kun primäärikymppeenä yhdistetään vaihtosähköverkkoon, vaihtosähkö virtaa sen läpi, mikä luo magneettomotivaatiovoiman (MMF), joka tuottaa vaihtuvan magneettivirtauksen suljetussa rautaytimessä. Tämä muuttuva virtaus leikkaa sekä primääri- että sekundaarikymppeenän kautta, aiheuttaen samaa taajuutta olevan vaihtovoltin sekundaarikymppeenässä.

Primääri- ja sekundaarikymppeenän välinen kymppeiden määrän suhde vastaa voltinsuhdetta. Esimerkiksi, jos transformaattorilla on 440 kymppeenä primäärikymppeenässä ja 220 kymppeenä sekundaarikymppeenässä, ja primääripuolelle annetaan 220V syöte, sekundaaripuolen ulostulo on 110V. Joissakin transformaattoreissa voi olla useita sekundaarikymppeenä tai nappeja, mikä mahdollistaa useiden eri ulostulovoltien saamisen.

2. Suorituskykytransformaattorin ominaisuudet

Suorituskykytransformaattorit toimivat yhdessä suorituskykyjärjestelmien kanssa muodostaen suorituskykyvälineitä, jotka mahdollistavat vaihtosähkön muuntamisen suorasähköksi. Tällaisia suorituskykyjärjestelmiä käytetään laajasti nykyaikaisissa teollisuusyrityksissä HVDC-siirrossa, sähköveturissa, raaka-ainekilpikonnoissa, kuparintalteen, elektrolyysissa ja muissa aloissa.

Rectifier Transformer.jpg

Suorituskykytransformaattorin primääri (myös kutsutaan verkon puoleksi) yhdistetään vaihtosähköverkkoon, kun taas sekundaari (myös kutsutaan venttiili-puoleksi) yhdistetään suorituskykyyn. Vaikka sen perusrakenne ja toimintaperiaate ovat samankaltaisia kuin perinteisellä transformaattorilla, kuorma – suorituskyky – eroaa huomattavasti normaalista kuormasta, mikä johtaa ainutlaatuiseen suunnitteluun ja toimintaan:

2.2 Epäsini-aallomainen virran aalto

Suorituskykykäytännössä jokainen kätäraja johtaa vain osassa kiertoa, mikä johtaa epäsini-aalloisiin virran aaltoihin – tyypillisesti lähellä katkoviivojen pulssia. Tämän seurauksena sekä primääri- että sekundaarikymppeenän virrat ovat epäsini-aalloisia.

Esimerkiksi kolmivaiheen silta-suorituskykyssä Y/Y-yhteydessä virran aalto näyttää selkeitä pulssimuotoja. Kun tyyppikytkimiä käytetään suorituskykyyn, mitä suurempi tulitauko, sitä jyrkempi virran nousu/lasku, mikä lisää harmonisten sisältöä. Tämä johtaa suurempiin eddyvirran tappioihin. Koska sekundaarikymppeenä virtaa vain osan ajasta, suorituskykytransformaattorin hyötytaso on alhaisempi kuin perinteisellä transformaattorilla. Siksi samaa tehon luokkaa varten suorituskykytransformaattorit ovat yleensä suurempia ja painavampia.

2.3 Vastine (keskiarvoinen) ilmeinen tehokapasiteetti

Perinteisessä transformaattorissa syöttö- ja ulostuloenergia ovat yhtä suuret (sivuuttaen tappiot), joten nominoidun kapasiteetin on vain joko kymppeenän ilmeinen energia. Kuitenkin suorituskykytransformaattorissa primääri- ja sekundaarivirrat voivat poiketa aaltomuodoltaan (esim. puolikuuti-suorituskykyssä), mikä tekee niiden ilmeisistä energioista erilaisia.

Siksi transformaattorin kapasiteetti määritellään primääri- ja sekundaarikymppeenän ilmeisten energioiden keskiarvona, jota kutsutaan vastinekapasiteetiksi:

missä $S_{1}$ S1 on primääri-ilmeinen energia ja $S_{2}$ S2 on sekundaari-ilmeinen energia.

2.4 Korkean lyhytsulkukestävyyden vaatimus

Suorituskykytransformaattorit täytyy olla korkean mekaanisen vahvuuden omaavia, jotta ne kestävät lyhytsulkujen sähkömagneettiset voimat useissa vikoissa tai nopeissa kuorman muutoksissa (esim. moottorin käynnistyksessä). Lyhytsulkutilanteessa dynaaminen vakaus on olennainen harkinta suunnittelussa ja valmistuksessa.

3. Suorituskykytransformaattorien pääasialliset sovellukset

Suorituskykytransformaattorit toimivat suorituskykyvälineiden voimalähteenä. Niiden pääpiirre on vaihtosyötteen muuntaminen suorasähköksi sekundaaripuolella sijaitsevien suorituskykyelementtien avulla. "Voimanmuuntaminen" sisältää suorituskyvyn, inversiota ja taajuuden muuntamista, joista suorituskyvyllä on laajin käyttö. Transformaattoreita, jotka tarjoavat suorituskykyvälineitä, kutsutaan suorituskykytransformaattoreiksi. Useimmat teollisuuden suorasähkölähteet saadaan yhdistämällä vaihtoverkot suorituskykytransformaattoreihin ja suorituskykykäytäntöihin.

3.1 Sähkökemianala

Tämä on suurin sovellusalue suorituskykytransformaattoreille:

Metalliyhdisteiden elektrolyysi metallien, kuten alumiinin, magnesiumin, kuparin ja muiden ei-rasva-teräsmetallien tuotantoon
Kloori-happoituksen tuotanto suolaveden elektrolyysin avulla
Hydrogenin ja hapen tuotanto vedyn elektrolyysin avulla

Nämä prosessit vaativat suuri-nykyisiä, alhaisen jänniten suorituskykyä, jotka ovat joissakin suhteissa samankaltaisia kuin sähkökaasuun sopivat transformaattorit. Näin ollen suorituskykytransformaattorilla on rakenteellisia ominaisuuksia, jotka ovat samankaltaisia kaasutustransformaattoreiden kanssa.

Suorituskykytransformaattorin erityisin piirre on, että sekundaarivirta ei ole enää sini-aalloinen vaihtovirta. Suorituskykyelementtien yksisuuntaisen johtavuuden vuoksi vaihesvirrat muuttuvat pulssivireiksi ja yksisuuntaisiksi. Suodattamisen jälkeen tämä pulssivirta muuttuu sileäksi suorituskykyksi.

Sekundaarijännite ja -virta riippuvat paitsi transformaattorin kapasiteetista ja yhteyden ryhmästä myös suorituskykykäytännön konfiguraatiosta (esim. kolmivaiheen silta, kaksinkertainen vastakkaissuuntaisesti yhdistetty tasapainoreaktorin kanssa). Jopa samalla suorituskykyulostulolla eri suorituskykykäytännöt vaativat erilaisia sekundaarijännitteitä ja -virtauksia. Siksi suorituskykytransformaattorien parametrien laskenta alkaa sekundaaripuolelta ja perustuu tiettyyn suorituskykytopologiaan.

Koska suorituskykykymppeenän virrat sisältävät rikkaita korkeampia harmonisia, ne saastuttavat vaihtoverkon ja vähentävät tehokkuuskerrointa. Harmonioiden lievittämiseksi ja tehokkuuskerroinnin parantamiseksi suorituskykyjärjestelmän pulssien määrää täytyy lisätä, mikä tapahtuu yleensä vaiheen siirtymistekniikan avulla. Vaiheen siirtymisen tavoitteena on tuoda linjajännitteiden välille vaiheeroitus homologisissa päissä sekundaarikymppeenässä.

3.2 Veturisuorasähkölähteen tarjoaminen

Käytetään kaivostoiminnan tai kaupunkien sähköveturien suorasähköisissä ylänneisissä.