Transformador rectificador: principio de funcionamento e aplicacións
1.Transformador rectificador: principio e visión xeral
Un transformador rectificador é un transformador especializado deseñado para abastecer sistemas de rectificación. O seu principio de funcionamento é o mesmo que o dun transformador convencional — basease na indución electromagnética e úsase para transformar voltaxe alternativa. Un transformador típico ten dous enroscados eléctricamente aislados — primario e secundario — enroscados arredor dun núcleo de ferro común.
Cando o enroscado primario está conectado a unha fonte de enerxía AC, a corrente alternativa flúe a través del, xerando unha forza magnetomotriz (FMM), que produce un fluxo magnético alternativo no núcleo de ferro pechado. Este fluxo cambiante corta ambos os enroscados primario e secundario, inducindo unha voltaxe alternativa da mesma frecuencia no enroscado secundario.
A relación entre o número de espiras do enroscado primario e secundario é igual á relación de voltaxes. Por exemplo, se un transformador ten 440 espiras no primario e 220 espiras no secundario, cunha entrada de 220V no lado primario, a tensión de saída no secundario será de 110V. Algúns transformadores poden ter múltiples enroscados secundarios ou derivados, permitindo obter varias voltaxes de saída diferentes.
2.Características dos transformadores rectificadores
Os transformadores rectificadores traballan xuntos con rectificadores para formar equipos de rectificación, permitindo a conversión de enerxía AC en DC. Estes sistemas de rectificación son as fuentes de enerxía DC máis utilizadas nas empresas industriais modernas, ampliamente aplicadas na transmisión de corrente continua de alta tensión, tracción eléctrica, laminadores, electrochapado, electrolisis e outros campos.
O primario (tamén chamado lado de rede) dun transformador rectificador conecta coa rede de enerxía AC, mentres que o secundario (tamén chamado lado de válvula) conecta co rectificador. Aínda que a súa estrutura básica e o principio de funcionamento son similares aos dun transformador convencional, a carga — un rectificador — difire significativamente das cargas normais, levando a características de deseño e operación únicas:
2.2 Formas de onda de corrente non sinusoidais
Nun circuito rectificador, cada brazo só conducse durante parte do ciclo, resultando en formas de onda de corrente non sinusoidais — xeralmente próximas a pulsos rectangulares discontinuos. Como consecuencia, tanto as correntes do enroscado primario como as do secundario son non sinusoidais.
Por exemplo, nun rectificador de ponte trifásico con conexión Y/Y, a forma de onda da corrente mostra patróns de pulsos distintos. Cando se usan tiristores para a rectificación, canto maior é o ángulo de disparo, máis pronunciada é a subida/queda da corrente, aumentando o contido harmónico. Isto leva a maiores perdas por correntes de Foucault. Dado que o enroscado secundario só conduce corrente parte do tempo, a taxa de utilización do transformador rectificador é menor que a dun transformador convencional. Polo tanto, para a mesma potencia nominal, os transformadores rectificadores tenden a ser maiores e máis pesados.
2.3 Potencia aparente equivalente (media)
Num transformador convencional, a potencia de entrada e de saída son iguais (ignorando as perdas), polo que a capacidade nominal é simplemente a potencia aparente de calquera dos enroscados. No entanto, nun transformador rectificador, as correntes primaria e secundaria poden diferir en forma de onda (por exemplo, na rectificación de meia onda), facendo que as súas potencias aparentes sexan desiguais.
Polo tanto, a capacidade do transformador defínese como a media das potencias aparentes primaria e secundaria, coñecida como a capacidade equivalente:
onde S1 é a potencia aparente primaria e S2 é a potencia aparente secundaria.
2.4 Alta resistencia a cortocircuitos
Os transformadores rectificadores deben ter alta resistencia mecánica para soportar forzas electromagnéticas de cortocircuito debido a fallos frecuentes ou cambios súbitos de carga (por exemplo, arranque de motores). Asegurar a estabilidade dinámica en condicións de cortocircuito é unha consideración crítica no deseño e fabricación.
3.Principais aplicacións dos transformadores rectificadores
Os transformadores rectificadores actúan como fonte de enerxía para equipos de rectificación. A súa característica principal é converter a entrada AC no lado primario en saída DC mediante elementos de rectificación no lado secundario. "Conversión de enerxía" inclúe rectificación, inversión e conversión de frecuencia, entre as que a rectificación é a máis ampliamente utilizada. Os transformadores usados para abastecer dispositivos de rectificación chámanse transformadores rectificadores. A maioría das fuentes de enerxía DC industriais obtéñense combinando redes AC con transformadores rectificadores e circuitos de rectificación.
3.1 Industria electroquímica
Este é o área de aplicación máis grande para os transformadores rectificadores:
Electrolisis de composto metálicos para producir aluminio, magnesio, cobre e outros metais non férricos
Producción de cloro-álcali mediante electrolisis de auga salgada
Xeración de hidróxeno e oxíxeno mediante electrolisis de auga
Estes procesos requiren enerxía DC de alta corrente e baixa tensión, similar en algún aspecto a transformadores de fornos eléctricos. Como tal, os transformadores rectificadores comparten características estructurais con transformadores de forno.
A característica máis distintiva dos transformadores rectificadores é que a corrente secundaria xa non é AC sinusoidal. Debido á conducción unidireccional dos elementos de rectificación, as correntes de fase tornanse pulsantes e unidireccionais. Despois do filtrado, esta corrente pulsante converte-se en DC liso.
A tensión e corrente secundarias dependen non só da capacidade do transformador e do grupo de conexión, senón tamén da configuración do circuito de rectificación (por exemplo, ponte trifásica, dúas antiparalelas con reactor de equilibrio). Incluso para a mesma saída DC, diferentes circuitos de rectificación requiren diferentes tensións e correntes secundarias. Polo tanto, o cálculo de parámetros para transformadores rectificadores comeza polo lado secundario e basease na topoloxía específica do rectificador.
Debido a que as correntes dos enroscados rectificadores contén armónicos de alto orde, contaminan a rede AC e reducen o factor de potencia. Para mitigar os harmónicos e mellorar o factor de potencia, o número de pulsos do sistema de rectificación debe aumentarse, xeralmente logrado mediante técnicas de desprazamento de fase. O obxectivo do desprazamento de fase é introducir un desprazamento de fase entre as tensións de liña nos terminais homólogos dos enroscados secundarios.
3.2 Alimentación DC de tracción
Usado en locomotoras eléctricas mineiras ou urbanas con liñas aéreas de CC.
Fallos de cortocircuito frecuentes debido á exposición das liñas aéreas
Fluctuacións grandes na carga DC
Arranques frecuentes de motores causan sobrecargas de curto prazo
Para manexar estas condicións:
Límites de aumento de temperatura máis baixos
Densidade de corrente reducida
Impedancia aproximadamente 30% superior á de transformadores de potencia estándar
3.3 Alimentación DC de accionamentos industriais
Principalmente usado para abastecer motores DC en sistemas de accionamento eléctrico, como:
Armadura e excitación de campo para motores de laminadores
3.4 Transmisión de Corrente Directa de Alta Tensión (HVDC)
Tensións de operación xeralmente superiores a 110 kV
Capacidades que van desde decenas de miles a centos de miles de kVA
Atención especial necesaria para o estrés de aislamento combinado AC e DC a terra
Outras aplicacións:
Enerxía DC para electrochapado ou electro-machining
Fontes de alimentación de excitación para xeradores
Sistemas de carga de baterías
Fontes de alimentación para precipitadores electrostáticos (ESP)
