整流変圧器：動作原理と応用

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フィールド: 変圧器解析

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1.整流変圧器：原理と概要

整流変圧器は、整流システムに電力を供給するための特殊な変圧器です。その動作原理は一般的な変圧器と同じで、電磁誘導に基づいて交流電圧を変換します。典型的な変圧器には、共通の鉄心に巻かれた2つの電気的に絶縁された巻線（一次巻線と二次巻線）があります。

一次巻線が交流電源に接続されると、交流が流れ、磁束励起力（MMF）が発生し、閉ループの鉄心内で交流磁束が生成されます。この磁束が一次巻線と二次巻線を横切ることで、同じ周波数の交流電圧が二次巻線に誘導されます。

一次巻線と二次巻線の巻数比は、電圧比に等しいです。たとえば、変圧器が一次側に440巻、二次側に220巻を持ち、一次側に220Vの入力がある場合、二次側の出力電圧は110Vになります。一部の変圧器は複数の二次巻線やタップを持っており、いくつか異なる出力電圧を得ることができます。

2.整流変圧器の特徴

整流変圧器は整流器と組み合わせて整流装置を形成し、交流電力を直流電力に変換します。このような整流システムは、現代の工業企業で最も一般的に使用される直流電源であり、HVDC送電、電気牽引、転轍機、電鍍、電解など、さまざまな分野で広く使用されています。

Rectifier Transformer.jpg

整流変圧器の一側（ネットワーク側とも呼ばれる）は交流電力網に接続され、二次側（バルブ側とも呼ばれる）は整流器に接続されます。基本的な構造と動作原理は一般的な変圧器と似ていますが、負荷である整流器は通常の負荷とは大きく異なり、独自の設計と動作特性を持っています：

2.2 非正弦波形の電流

整流回路では、各アームは周期の一部のみ導通するため、非正弦波形の電流が発生します。これは通常、不連続な矩形パルスに近い形状をしています。結果として、一次巻線と二次巻線の両方の電流が非正弦波形になります。

たとえば、Y/Y接続の三相ブリッジ整流器では、電流波形には明確なパルスパターンが見られます。サイリスタを使用して整流を行う場合、トリガ遅延角が大きくなるほど、電流の上昇/下降が急になり、高調波成分が増えます。これにより渦電流損失が増加します。二次巻線は時間の一部しか電流を流さないため、整流変圧器の利用率は一般的な変圧器よりも低くなります。したがって、同じ定格出力の場合でも、整流変圧器はより大きく重くなります。

2.3 相当容量（平均視在電力）

一般的な変圧器では、入力電力と出力電力は等しく（損失を無視すると）、定格容量はどちらかの巻線の視在電力となります。しかし、整流変圧器では、一次巻線と二次巻線の電流波形が異なる場合（例：半波整流）があり、その視在電力は等しくありません。

そのため、変圧器の容量は一次巻線と二次巻線の視在電力の平均値として定義され、これを相当容量と呼びます：

ここで $S_{1}$ S1 は一次巻線の視在電力、 $S_{2}$ S2 は二次巻線の視在電力です。

2.4 高短絡耐え能力

整流変圧器は、頻繁な障害や突然の負荷変化（例：モーター起動）による短絡電磁力に耐えるための高い機械強度を持つ必要があります。短絡条件での動的安定性の確保は、設計と製造において重要な考慮事項です。

3.整流変圧器の主な用途

整流変圧器は整流装置の電源として機能します。主な特徴は、一次側の交流入力を二次側の整流要素を通じて直流出力に変換することです。「電力変換」には整流、逆変換、周波数変換などが含まれますが、整流は最も広く使用されています。整流装置に電力を供給するための変圧器を整流変圧器と呼びます。多くの産業用直流電源は、交流電力網と整流変圧器および整流回路を組み合わせて得られます。

3.1 電気化学工業

これは整流変圧器の最大の応用分野です：

アルミニウム、マグネシウム、銅などの非鉄金属化合物の電解
塩水電解による塩素・アルカリ生成
水電解による水素・酸素生成

これらのプロセスは、大電流低電圧の直流電力を必要とし、電弧炉変圧器と類似する点があります。そのため、整流変圧器は炉変圧器と共通する構造的特徴を持っています。

整流変圧器の最も特徴的な点は、二次電流が正弦波形の交流ではなくなることです。整流要素の一方方向導通により、位相電流は脈動し、一方方向になります。フィルタリング後、この脈動電流は滑らかな直流になります。

二次電圧と電流は、変圧器の容量と接続グループだけでなく、整流回路の構成（例：三相ブリッジ、バランスリアクタ付きデュアルアンチパラレル）にも依存します。同じ直流出力であっても、異なる整流回路では異なる二次電圧と電流が必要です。そのため、整流変圧器のパラメータ計算は二次側から始まり、具体的な整流トポロジーに基づいています。

整流巻線電流には高次高調波が豊富に含まれているため、交流電力網を汚染し、電力係数を低下させます。高調波を抑制し、電力係数を改善するために、整流システムのパルス数を増やすことが必要で、通常は位相シフト技術によって達成されます。位相シフトの目的は、二次巻線の同位置端子間のライン電圧間に位相ずれを導入することです。

3.2 牽引直流電源

露天掘りまたは都市電車の直流架線に使用されます。