Trasformatore rettificatore: principio di funzionamento e applicazioni
1. Trasformatore rettificatore: Principio e panoramica
Un trasformatore rettificatore è un trasformatore specializzato progettato per alimentare i sistemi rettificatori. Il suo principio di funzionamento è lo stesso di un trasformatore convenzionale — opera in base all'induzione elettromagnetica ed è utilizzato per trasformare la tensione alternata. Un trasformatore tipico ha due avvolgimenti elettricamente isolati — primario e secondario — avvolti intorno a un nucleo di ferro comune.
Quando l'avvolgimento primario è collegato a una sorgente di energia AC, la corrente alternata scorre attraverso di esso, generando una forza magnetomotrice (MMF), che produce un flusso magnetico alternato nel nucleo di ferro chiuso. Questo flusso variabile taglia entrambi gli avvolgimenti primario e secondario, inducendo una tensione alternata della stessa frequenza nell'avvolgimento secondario.
Il rapporto tra il numero di spire dell'avvolgimento primario e secondario è uguale al rapporto di tensione. Ad esempio, se un trasformatore ha 440 spire sul primario e 220 spire sul secondario, con un ingresso di 220V sul lato primario, la tensione di uscita sul lato secondario sarà di 110V. Alcuni trasformatori possono avere più avvolgimenti secondari o prese, permettendo di ottenere diverse tensioni di uscita.
2. Caratteristiche dei trasformatori rettificatori
I trasformatori rettificatori lavorano insieme ai rettificatori per formare attrezzature di rettifica, consentendo la conversione dell'energia AC in energia CC. Tali sistemi rettificatori sono le fonti di energia CC più comunemente utilizzate nelle imprese industriali moderne, ampiamente applicate nella trasmissione ad alta tensione continua, trazione elettrica, laminatoi, galvanoplastica, elettrolisi e altri campi.
Il lato primario (anche chiamato lato rete) del trasformatore rettificatore si connette alla rete elettrica AC, mentre il lato secondario (anche chiamato lato valvola) si connette al rettificatore. Anche se la sua struttura e il principio di funzionamento di base sono simili a quelli di un trasformatore convenzionale, il carico — un rettificatore — differisce significativamente dai carichi normali, portando a caratteristiche di progettazione e operazione uniche:
2.2 Forme d'onda di corrente non sinusoidali
In un circuito rettificatore, ogni braccio conduce solo durante una parte del ciclo, risultando in forme d'onda di corrente non sinusoidali — tipicamente vicine a impulsi rettangolari discontinui. Di conseguenza, sia la corrente dell'avvolgimento primario che quella secondario sono non sinusoidali.
Ad esempio, in un rettificatore a ponte trifase con connessione Y/Y, la forma d'onda della corrente mostra schemi di impulsi distinti. Quando vengono utilizzati tiristori per la rettificazione, maggiore è l'angolo di accensione, più ripida sarà la salita/caduta della corrente, aumentando il contenuto armonico. Ciò porta a perdite di corrente di vortice superiori. Poiché l'avvolgimento secondario conduce corrente solo parte del tempo, il tasso di utilizzo del trasformatore rettificatore è inferiore a quello di un trasformatore convenzionale. Pertanto, per la stessa potenza nominale, i trasformatori rettificatori tendono a essere più grandi e pesanti.
2.3 Potenza apparente equivalente (media)
In un trasformatore convenzionale, la potenza di ingresso e di uscita sono uguali (trascurando le perdite), quindi la capacità nominale è semplicemente la potenza apparente di uno degli avvolgimenti. Tuttavia, in un trasformatore rettificatore, le correnti primarie e secondarie possono differire in forma d'onda (ad esempio, nella rettificazione a mezza onda), rendendo le loro potenze apparenti disuguali.
Pertanto, la capacità del trasformatore è definita come la media delle potenze apparenti primaria e secondaria, nota come capacità equivalente:
dove S1 è la potenza apparente primaria e S2 è la potenza apparente secondaria.
2.4 Elevata resistenza a cortocircuito
I trasformatori rettificatori devono avere un'elevata resistenza meccanica per sopportare le forze elettromagnetiche dovute a guasti frequenti o a cambiamenti improvvisi di carico (ad esempio, l'avviamento dei motori). Garantire la stabilità dinamica in condizioni di cortocircuito è una considerazione critica nel progetto e nella fabbricazione.
3. Principali applicazioni dei trasformatori rettificatori
I trasformatori rettificatori fungono da fonte di alimentazione per l'attrezzatura di rettifica. La loro caratteristica principale è la conversione dell'ingresso AC sul lato primario in uscita CC tramite elementi di rettifica sul lato secondario. "Conversione di potenza" include rettificazione, inversione e conversione di frequenza, tra cui la rettificazione è la più ampiamente utilizzata. I trasformatori utilizzati per alimentare i dispositivi rettificatori sono chiamati trasformatori rettificatori. La maggior parte delle fonti di alimentazione DC industriali è ottenuta combinando reti AC con trasformatori rettificatori e circuiti rettificatori.
3.1 Industria elettrochimica
Questa è l'area di applicazione più grande per i trasformatori rettificatori:
Elettrolisi di composti metallici per produrre alluminio, magnesio, rame e altri metalli non ferrosi
Produzione di cloro e soda attraverso l'elettrolisi dell'acqua salata
Generazione di idrogeno e ossigeno attraverso l'elettrolisi dell'acqua
Questi processi richiedono potenza DC ad alta corrente e bassa tensione, simile in alcuni aspetti ai trasformatori per fornaci elettriche. Pertanto, i trasformatori rettificatori condividono caratteristiche strutturali con i trasformatori per fornaci.
La caratteristica più distintiva dei trasformatori rettificatori è che la corrente secondaria non è più AC sinusoidale. A causa della conduzione unidirezionale degli elementi di rettifica, le correnti di fase diventano pulsanti e unidirezionali. Dopo il filtraggio, questa corrente pulsante diventa corrente CC liscia.
La tensione e la corrente secondarie dipendono non solo dalla capacità del trasformatore e dal gruppo di connessione, ma anche dalla configurazione del circuito rettificatore (ad esempio, ponte trifase, doppio antiparallelo con reattore di bilanciamento). Anche per la stessa uscita CC, diversi circuiti rettificatori richiedono tensioni e correnti secondarie diverse. Pertanto, il calcolo dei parametri per i trasformatori rettificatori inizia dal lato secondario e si basa sulla topologia specifica del rettificatore.
Poiché le correnti degli avvolgimenti rettificatori contengono ricchi armonici di ordine superiore, inquinano la rete AC e riducono il fattore di potenza. Per mitigare gli armonici e migliorare il fattore di potenza, il numero di impulsi del sistema rettificatore deve essere aumentato, solitamente ottenuto attraverso tecniche di sfasamento. Lo scopo dello sfasamento è introdurre uno spostamento di fase tra le tensioni di linea agli terminali omologhi degli avvolgimenti secondari.
3.2 Fornitura di energia DC per trazione
Utilizzati in locomotive elettriche minerarie o urbane con linee aeree DC.
Guasti frequenti a cortocircuito a causa dell'esposizione delle linee aeree
Fluttuazioni ampie del carico DC
Avviamenti frequenti dei motori causano sovraccarichi a breve termine
Per gestire queste condizioni:
Limiti inferiori di aumento di temperatura
Densità di corrente ridotta
Impedenza circa 30% superiore rispetto ai trasformatori di potenza standard
3.3 Fornitura di energia DC per drive industriali
Utilizzati principalmente per alimentare i motori DC nei sistemi di trazione elettrica, come:
Armatura e eccitazione del campo per motori di laminatoi
3.4 Trasmissione ad alta tensione continua (HVDC)
Tensioni operative tipicamente superiori a 110 kV
Capacità che variano da decine di migliaia a centinaia di migliaia di kVA
Attenzione particolare richiesta per lo stress di isolamento combinato AC e DC a terra
Altre applicazioni:
Energia DC per galvanoplastica o elettromachining
Fonti di alimentazione di eccitazione per generatori
Sistemi di caricabatterie
Fonti di alimentazione per precipitatori elettrostatici (ESP)
