Tegerváltó transzformátor: Működési elv és alkalmazások
1. Rectifikációs transzformátor: Alapelvek és áttekintés
A rectifikációs transzformátor speciálisan tervezett transzformátor, amely rectifikációs rendszerek ellátására szolgál. Működési alapelve megegyezik egy hagyományos transzformátoréval – elektromágneses indukció alapján működik, és váltakozó feszültség átalakítására használható. Egy tipikus transzformátor két elektromosan izolált tekercsét – elsődleges és másodlagos – egy közös vashúrra tekerezték.
Amikor az elsődleges tekercset váltakozó áramforráshoz kötöttek, váltakozó áram folyik rajta, ami magnetomotív erőt (MME) generál, ami egy váltakozó mágneses fluktuációt hoz létre a zárt vashúrban. Ez a változó fluktuáció áthatja mind az elsődleges, mind a másodlagos tekercset, és ugyanolyan frekvenciájú váltakozó feszültséget indukál a másodlagos tekercsben.
Az elsődleges és a másodlagos tekercsek tekerésszáma közötti arány megegyezik a feszültségarányával. Például, ha egy transzformátor 440 tekerést tartalmaz az elsődleges tekercsén, és 220 tekerést a másodlagos tekercsén, és 220V bemeneti feszültség van az elsődleges oldalon, akkor a kimeneti feszültség a másodlagos oldalon 110V lesz. Néhány transzformátor több másodlagos tekercset vagy csatlakozást is tartalmazhat, így lehetővé téve több különböző kimeneti feszültség elérését.
2. A rectifikációs transzformátorok jellemzői
A rectifikációs transzformátorok a rectifikátorokkal együtt alkotják a rectifikációs berendezéseket, lehetővé téve a váltakozó áram DC-vel történő átalakítását. Ilyen rectifikációs rendszerek a leggyakrabban használt DC energiaforrások a modern ipari vállalatokban, széles körben alkalmazva HVDC átutazás, villamos járművezetés, tollműhelyek, elektroplaszma, elektrolízis és más területeken.
A rectifikációs transzformátor elsődleges (vagy hálózati) oldala a váltakozó áram hálózathoz kapcsolódik, míg a másodlagos (vagy kristályoldali) oldala a rectifikátorhoz. Bár alapvető szerkezete és működési elve hasonló a hagyományos transzformátorokéhoz, a terhelés – a rectifikátor – jelentősen eltér a normál terhelésekkel, ami egyedi tervezési és működési jellemzőket eredményez:
2.2 Nem-szinuszoidális áram hullámformák
Egy rectifikációs áramkörben minden ág csak egy része a ciklusnak vezet áramot, ami nem-szinuszoidális áram hullámformákat eredményez – általában közel-diszkontinuális téglalapimpulzusokhoz. Ennek következtében mind az elsődleges, mind a másodlagos tekercsbeli áramok nem-szinuszoidálisak.
Például, egy háromfázisú hídrectifikátor Y/Y csatlakozással a áram hullámformája egyértelmű impulzus mintázatot mutat. Ha thyristorokat használnak a rectifikációnál, annál nagyobb a lökési késleltetési szög, annál meredekebb a áram emelkedése/csökkenése, ami harmonikus tartalmat növel. Ez magasabb vízszintes áramveszteségeket eredményez. Mivel a másodlagos tekercs csak részben vezet áramot, a rectifikációs transzformátor kihasználtsága alacsonyabb, mint egy hagyományos transzformátoré. Ezért ugyanazon teljesítmény esetén a rectifikációs transzformátorok általában nagyobbak és nehezebbek.
2.3 Ekvivalens (átlagos) látszólagos teljesítmény
Egy hagyományos transzformátorban a be- és kimeneti teljesítmény egyenlő (a veszteségek figyelembe vétele nélkül), ezért a megfelelő kapacitás egyszerűen a tekercsek bármelyikének látszólagos teljesítménye. Azonban egy rectifikációs transzformátorban az elsődleges és a másodlagos áramok hullámforma (például fél hullám rectifikáció esetén) különbözhet, ami miatt a látszólagos teljesítményük nem egyenlő.
Ezért a transzformátor kapacitása az elsődleges és a másodlagos látszólagos teljesítmények átlagaként van definiálva, amit ekvivalens kapacitásnak nevezünk:
ahol S1 az elsődleges látszólagos teljesítmény, és S2 a másodlagos látszólagos teljesítmény.
2.4 Magas rövidzárló tolerancia
A rectifikációs transzformátoroknak nagy mechanikai erősséggel kell rendelkezniük, hogy rövidzárló elektromágneses erőket tudjanak kiállni gyakori hibák vagy váratlan terhelés-változások (például motorkiindítás) esetén. A rövidzárló feltételek melletti dinamikai stabilitás biztosítása kritikus szempont a tervezésben és a gyártásban.
3. A rectifikációs transzformátorok fő alkalmazásai
A rectifikációs transzformátorok a rectifikációs berendezések energiaforrásai. Fő jellemzőjük, hogy az elsődleges oldali AC bemenetet a másodlagos oldali rectifikációs elemek segítségével DC kimenettel alakítják. A "energiaátalakítás" a rectifikációt, inverziót és frekvenciaátalakítást tartalmazza, amelyek közül a rectifikáció a legelterjedtebb. A rectifikációs berendezések ellátására használt transzformátorokat rectifikációs transzformátoroknak nevezik. A legtöbb ipari DC energiaforrás AC hálózatokból, rectifikációs transzformátorokból és rectifikációs áramkörökből áll.
3.1 Elektrokémiai ipar
Ez a legnagyobb alkalmazási terület a rectifikációs transzformátorok számára:
Fém vegyületek elektrolízise alumínium, magnézium, réz és egyéb nemvasfémes fémek előállítására
Klor-alkali termelés sóvíz elektrolízisével
Hidrogén és oxigén előállítása víz elektrolízisével
Ezek a folyamatok nagy áramú, alacsony feszültségű DC energiát igényelnek, néhány aspektusban hasonlóak a sütőtranszformátorokhoz. Így a rectifikációs transzformátorok strukturális jellemzőket osztoznak a sütőtranszformátorokkal.
A rectifikációs transzformátorok legjellemzőbb tulajdonsága, hogy a másodlagos áram már nem sinuszoidális AC. A rectifikációs elemek unidirektiv konduktora miatt a fázisáramok hegyessége és irányossága változik. A szűrés után ez a hegyes áram sima DC lesz.
A másodlagos feszültség és áram nem csak a transzformátor kapacitásától és a csatlakozási csoportotól függ, de a rectifikációs áramkör konfigurációjától is (például háromfázisú híd, kettős antiparalell egyensúlyi reaktor). Még ugyanazon a DC kimeneten is, különböző rectifikációs áramkörök különböző másodlagos feszültségeket és áramokat igényelnek. Így a rectifikációs transzformátor paramétereinek kiszámítása a másodlagos oldalról indul, és a specifikus rectifikációs topológia alapján történik.
Mivel a rectifikációs tekercsek áramai gazdag magasrendű harmonikusokat tartalmaznak, ezek a váltakozó áram hálózatot szennyezik és csökkentik a teljesítménytényezőt. A harmonikusok csökkentésére és a teljesítménytényező javítására a rectifikációs rendszer impulzusszámának növelése szükséges, amit általában fáziseltolási technikákkal érnek el. A fáziseltolás célja, hogy bevezessenek fáziskülönbséget a másodlagos tekercsek homogén végpontjainak vonallal.
3.2 Tengeri DC ellátás
Használják bányászati vagy városi villamos járművek DC felfestett vezetékeivel.
Gyakori rövidzárló hibák a felfestett vezetékek kitartásának következtében
Nagy DC terhelés-fluktuációk
Gyakori motorindítás rövid távú túlterhelést okoz
Ezeknek a feltételeknek megfeleléséhez:
Alacsonyabb hőmérséklet-emelkedési korlátok
Csökkentett áram-sűrűség
Impedanciája körülbelül 30%-kal magasabb, mint a standard energia-transzformátoroké
3.3 Ipari vezetési DC ellátás
Főleg DC motorok ellátására használják elektromos vezetési rendszerekben, például:
Tollműhelymotorok armatúrájának és mező-excitálásának ellátása
3.4 Magasfeszültségű közvetlen áram (HVDC) továbbítás
Működési feszültsége általában 110 kV felett
Kapacitása tízezertől százezrekig kVA
Különös figyelemre méltó a kombinált AC és DC izolációs stressz a földre
Egyéb alkalmazások:
Elektroplaszma vagy elektromachining DC energiaforrása
Generátor excitálási energiaforrása
Akku töltő rendszerek
Elektrostatisztikus szitáló (ESP) energiaforrása
