रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर: कार्य सिद्धांत और अनुप्रयोग

1. रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर: सिद्धांत और सारांश

रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर एक विशेष ट्रांसफॉर्मर है जो रेक्टिफायर प्रणालियों को आपूर्ति के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसका कार्यप्रक्रिया पारंपरिक ट्रांसफॉर्मर के समान ही है — यह विद्युत-चुंबकीय प्रेरण पर आधारित है और वैकल्पिक वोल्टेज को परिवर्तित करने के लिए उपयोग किया जाता है। एक सामान्य ट्रांसफॉर्मर में दो विद्युत-विच्छिन्न वाइंडिंग होती हैं — प्राथमिक और द्वितीयक — जो एक सामान्य लोहे के कोर के चारों ओर लपेटे जाते हैं।

जब प्राथमिक वाइंडिंग को एक AC विद्युत स्रोत से जोड़ा जाता है, तो वैकल्पिक धारा इसके माध्यम से प्रवाहित होती है, जिससे चुंबकीय बल (MMF) उत्पन्न होता है, जो बंद लोहे के कोर में एक वैकल्पिक चुंबकीय प्रवाह उत्पन्न करता है। यह बदलता प्रवाह प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग दोनों को काटता है, जिससे द्वितीयक वाइंडिंग में एक ही आवृत्ति की वैकल्पिक वोल्टेज उत्पन्न होती है।

प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग के बीच टर्नों की संख्या का अनुपात वोल्टेज अनुपात के बराबर होता है। उदाहरण के लिए, यदि एक ट्रांसफॉर्मर में प्राथमिक पर 440 टर्न और द्वितीयक पर 220 टर्न हैं, और प्राथमिक तरफ 220V इनपुट है, तो द्वितीयक पर आउटपुट वोल्टेज 110V होगा। कुछ ट्रांसफॉर्मरों में एक से अधिक द्वितीयक वाइंडिंग या टैप हो सकते हैं, जो कई अलग-अलग आउटपुट वोल्टेज प्राप्त करने की अनुमति देते हैं।

2. रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मरों की विशेषताएँ

रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर रेक्टिफायरों के साथ एक साथ काम करके रेक्टिफिकेशन उपकरण बनाते हैं, जिससे AC विद्युत को DC विद्युत में परिवर्तित करना संभव होता है। ऐसी रेक्टिफायर प्रणालियाँ आधुनिक औद्योगिक उद्यमों में सबसे अधिक प्रयोग की जाने वाली DC विद्युत स्रोत हैं, जो HVDC प्रसारण, विद्युत ट्रैक्शन, रोलिंग मिल, इलेक्ट्रोप्लेटिंग, इलेक्ट्रोलिसिस और अन्य क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं।

रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर का प्राथमिक (जिसे नेटवर्क तरफ भी कहा जाता है) AC विद्युत ग्रिड से जुड़ा होता है, जबकि द्वितीयक (जिसे वाल्व तरफ भी कहा जाता है) रेक्टिफायर से जुड़ा होता है। हालांकि इसकी मूल संरचना और कार्यप्रक्रिया पारंपरिक ट्रांसफॉर्मर के समान ही होती है, लेकिन लोड — एक रेक्टिफायर — सामान्य लोडों से बहुत अलग होता है, जिससे विशिष्ट डिज़ाइन और संचालन विशेषताएँ उत्पन्न होती हैं:

2.2 गैर-साइनुसोइडल धारा तरंग प्रकार

एक रेक्टिफायर परिपथ में, प्रत्येक बाहु केवल चक्र के एक भाग के दौरान चालू होती है, जिससे गैर-साइनुसोइडल धारा तरंग प्रकार — आमतौर पर असतत आयताकार पल्स के निकट — उत्पन्न होते हैं। इस परिणामस्वरूप, प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग दोनों की धाराएँ गैर-साइनुसोइडल होती हैं।

उदाहरण के लिए, Y/Y कनेक्शन वाले एक त्रिपाद ब्रिज रेक्टिफायर में, धारा तरंग प्रकार में विशिष्ट पल्स पैटर्न दिखाई देते हैं। जब थायरिस्टर रेक्टिफिकेशन के लिए उपयोग किए जाते हैं, तो फायरिंग डिले एंगल जितना बड़ा होता है, धारा की वृद्धि/कमी उतनी तेज होती है, हार्मोनिक सामग्री बढ़ जाती है। यह ऊँचे एडी धारा नुकसान का कारण बनता है। क्योंकि द्वितीयक वाइंडिंग केवल समय के एक भाग के दौरान धारा प्रवाहित करती है, रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर का उपयोग दर पारंपरिक ट्रांसफॉर्मर की तुलना में कम होता है। इसलिए, समान शक्ति रेटिंग के लिए, रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर अधिक बड़े और भारी होते हैं।

2.3 समतुल्य (औसत) दृश्य शक्ति रेटिंग

पारंपरिक ट्रांसफॉर्मर में, इनपुट और आउटपुट शक्ति बराबर होती है (नुकसानों को नजरअंदाज करते हुए), इसलिए रेटेड क्षमता सिर्फ दोनों वाइंडिंग की दृश्य शक्ति होती है। हालांकि, रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर में, प्राथमिक और द्वितीयक धाराओं का तरंग प्रकार (उदाहरण के लिए, आधे तरंग रेक्टिफिकेशन में) अलग-अलग हो सकता है, जिससे उनकी दृश्य शक्तियाँ असमान होती हैं।

इसलिए, ट्रांसफॉर्मर की क्षमता प्राथमिक और द्वितीयक दृश्य शक्तियों के औसत के रूप में परिभाषित की जाती है, जिसे समतुल्य क्षमता कहा जाता है:

जहाँ ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">1</span>}}$S1 प्राथमिक दृश्य शक्ति और ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">2</span>}}$S2 द्वितीयक दृश्य शक्ति है।

2.4 उच्च शॉर्ट-सर्किट टोलरेंस क्षमता

रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मरों को अक्सर दोषों या अचानक लोड परिवर्तनों (जैसे, मोटर शुरू करना) के कारण शॉर्ट-सर्किट चुंबकीय बलों का सामना करने के लिए उच्च यांत्रिक मजबूती होनी चाहिए। शॉर्ट-सर्किट स्थितियों में गतिक स्थिरता की सुनिश्चितता डिज़ाइन और निर्माण में एक महत्वपूर्ण विचार है।

3. रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मरों के मुख्य अनुप्रयोग

रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर रेक्टिफायर उपकरणों के लिए शक्ति स्रोत के रूप में कार्य करते हैं। उनकी मुख्य विशेषता प्राथमिक तरफ का AC इनपुट को द्वितीयक तरफ के रेक्टिफायिंग तत्वों के माध्यम से DC आउटपुट में परिवर्तित करना है। "शक्ति परिवर्तन" रेक्टिफिकेशन, इन्वर्टिंग और फ्रीक्वेंसी कन्वर्जन आदि शामिल है, जिनमें रेक्टिफिकेशन सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। रेक्टिफायर उपकरणों को आपूर्ति करने के लिए उपयोग किए जाने वाले ट्रांसफॉर्मरों को रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर कहा जाता है। अधिकांश औद्योगिक DC विद्युत स्रोत AC ग्रिड, रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर और रेक्टिफायर परिपथों के संयोजन से प्राप्त किए जाते हैं।

3.1 विद्युत-रासायनिक उद्योग

यह रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मरों के लिए सबसे बड़ा अनुप्रयोग क्षेत्र है:

• धातु यौगिकों के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा एल्यूमिनियम, मैग्नीशियम, कॉपर और अन्य गैर-फेरोस धातुओं का उत्पादन

• नमकपानी के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा क्लोर-एल्काली उत्पादन

• जल इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उत्पादन

ये प्रक्रियाएँ उच्च-विद्युत धारा, कम-वोल्टेज DC शक्ति की आवश्यकता होती हैं, जो कुछ पहलुओं में इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस ट्रांसफॉर्मरों के समान होती हैं। इस प्रकार, रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मर फर्नेस ट्रांसफॉर्मरों के साथ संरचनात्मक विशेषताओं को साझा करते हैं।

रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मरों की सबसे विशिष्ट विशेषता यह है कि द्वितीयक धारा अब साइनसोइडल AC नहीं है। रेक्टिफायर तत्वों के एकदिशीय चालन के कारण, फेज धाराएँ पल्सित और एकदिशीय हो जाती हैं। फिल्टरिंग के बाद, यह पल्सित धारा निरंतर DC बन जाती है।

द्वितीयक वोल्टेज और धारा न केवल ट्रांसफॉर्मर की क्षमता और कनेक्शन समूह पर निर्भर करती हैं, बल्कि रेक्टिफायर सर्किट की विन्यास (जैसे, त्रिपादी ब्रिज, डुअल एंटी-पैरेलल बैलेंसिंग रिएक्टर) पर भी निर्भर करती हैं। भले ही एक ही DC आउटपुट हो, विभिन्न रेक्टिफायर सर्किट विभिन्न द्वितीयक वोल्टेज और धारा की आवश्यकता करते हैं। इस प्रकार, रेक्टिफायर ट्रांसफॉर्मरों के लिए पैरामीटर की गणना द्वितीयक पक्ष से शुरू होती है और विशिष्ट रेक्टिफायर टोपोलोजी पर आधारित होती है।

क्योंकि रेक्टिफायर वाइंडिंग धाराओं में उच्च-क्रम के हार्मोनिक युक्त होते हैं, वे AC ग्रिड को प्रदूषित करते हैं और शक्ति गुणांक को कम करते हैं। हार्मोनिक को कम करने और शक्ति गुणांक को बढ़ाने के लिए, रेक्टिफायर सिस्टम का पल्स संख्या बढ़ानी चाहिए, जो आमतौर पर फेज-शिफ्टिंग तकनीकों के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। फेज शिफ्टिंग का उद्देश्य द्वितीयक वाइंडिंगों के समान टर्मिनलों पर लाइन वोल्टेजों के बीच एक फेज विस्थापन परिचालित करना है।

3.2 ट्रैक्शन DC शक्ति आपूर्ति

खनन या शहरी इलेक्ट्रिक लोकोमोटिवों में DC ओवरहेड लाइनों का उपयोग किया जाता है।

• ओवरहेड लाइनों के खुले रहने के कारण अक्सर छोटे सर्किट दोष

• DC लोड में बड़े उतार-चढ़ाव

• मोटर शुरुआत के अक्सर होने से लघुकालिक ओवरलोड

इन स्थितियों को संभालने के लिए:

• कम ताप वृद्धि सीमाएँ

• कम धारा घनत्व

• सामान्य शक्ति ट्रांसफॉर्मरों की तुलना में लगभग 30% अधिक इंपीडेंस

3.3 औद्योगिक ड्राइव DC शक्ति आपूर्ति

मुख्य रूप से इलेक्ट्रिक ड्राइव सिस्टमों में DC मोटरों को आपूर्ति के लिए उपयोग किया जाता है, जैसे:

• रोलिंग मिल मोटरों के आर्मेचर और फील्ड एक्साइटेशन

3.4 उच्च-वोल्टेज निरंतर धारा (HVDC) प्रसारण

• संचालन वोल्टेज आमतौर पर 110 kV से अधिक

• क्षमता दस हजार से लाखों kVA तक

• संयुक्त AC और DC इन्सुलेशन स्ट्रेस के लिए विशेष ध्यान: भूमि

अन्य अनुप्रयोग:

• इलेक्ट्रोप्लेटिंग या इलेक्ट्रो-मशीनिंग के लिए DC शक्ति

• जनित्रों के लिए एक्साइटेशन शक्ति आपूर्ति

• बैटरी चार्जिंग सिस्टम

• इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रिसिपिटेटर (ESP) शक्ति आपूर्ति