정류 변압기: 작동 원리 및 응용 분야

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필드: 변압기 분석

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1.정류 변압기: 원리와 개요

정류 변압기는 정류 시스템에 전력을 공급하도록 설계된 특수한 변압기입니다. 그 작동 원리는 일반 변압기와 동일하며, 전자기 유도를 기반으로 교류 전압을 변환하는 데 사용됩니다. 일반적인 변압기는 공통 철심 주위에 감겨 있는 두 개의 전기적으로 분리된 권선, 즉 일차 권선과 이차 권선을 가지고 있습니다.

일차 권선이 교류 전원에 연결되면 교류가 흐르며 자력동기력(MMF)을 생성합니다. 이는 폐쇄 철심에서 교류 자기장을 발생시킵니다. 이 변화하는 자기장은 일차 및 이차 권선을 가로지르며, 이차 권선에서 동일한 주파수의 교류 전압을 유도합니다.

일차와 이차 권선 사이의 회전 수 비율은 전압 비율과 같습니다. 예를 들어, 변압기가 일차 권선에 440회전, 이차 권선에 220회전을 가지고 있고, 일차 측에 220V 입력이 있을 경우, 이차 측의 출력 전압은 110V가 됩니다. 일부 변압기는 여러 개의 이차 권선이나 탭을 가지며, 여러 다른 출력 전압을 얻을 수 있도록 합니다.

2.정류 변압기의 특성

정류 변압기는 정류기와 함께 작동하여 정류 장비를 형성하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환합니다. 이러한 정류 시스템은 현대 산업 기업에서 가장 널리 사용되는 직류 전원이며, HVDC 전송, 전기 추력, 압연기, 도금, 전해 등 다양한 분야에서 널리 적용됩니다.

Rectifier Transformer.jpg

정류 변압기의 일차(네트워크 측이라고도 함)는 교류 전력망에 연결되고, 이차(밸브 측이라고도 함)는 정류기에 연결됩니다. 기본 구조와 작동 원리는 일반 변압기와 유사하지만, 부하인 정류기는 일반 부하와 크게 다르므로 고유한 설계 및 운영 특성이 있습니다:

2.2 비정현파 전류 파형

정류 회로에서는 각 팔이 주기의 일부분 동안만 전도되므로, 비정현파 전류 파형, 특히 불연속적인 직사각형 펄스에 가까운 파형이 생성됩니다. 따라서 일차 및 이차 권선 전류 모두 비정현파입니다.

예를 들어, Y/Y 연결의 3상 다리형 정류기에서는 전류 파형이 명확한 펄스 패턴을 보입니다. 정류에 싸이리스트를 사용할 때, 발화 지연 각도가 클수록 전류 상승/하강이 더 급격해져 고조파 성분이 증가합니다. 이로 인해 와전류 손실이 증가합니다. 이차 권선이 부분적으로만 전류를 전도하므로, 정류 변압기의 활용률은 일반 변압기보다 낮습니다. 따라서 동일한 용량에서도 정류 변압기는 더 크고 무거울 경향이 있습니다.

2.3 등가(평균) 표면 전력 등급

일반 변압기에서는 입력 및 출력 전력이 동일하므로(손실 무시), 정격 용량은 어느 권선의 표면 전력과 같습니다. 그러나 정류 변압기에서는 일차 및 이차 전류의 파형이 다를 수 있으므로(예: 반파 정류), 그들의 표면 전력은 같지 않습니다.

따라서 변압기의 용량은 일차 및 이차 표면 전력의 평균으로 정의되며, 이를 등가 용량이라고 합니다:

여기서 $S_{1}$ S1은 일차 표면 전력이고 $S_{2}$ S2는 이차 표면 전력입니다.

2.4 높은 단락 내구성

정류 변압기는 자주 발생하는 고장이나 갑작스러운 부하 변화(예: 모터 시작)로 인한 단락 전자기력을 견디기 위해 높은 기계적 강도를 가져야 합니다. 단락 조건 하에서의 동적 안정성을 보장하는 것은 설계 및 제조에서 중요한 고려 사항입니다.

3.정류 변압기의 주요 응용 분야

정류 변압기는 정류 장비의 전원 역할을 합니다. 주요 기능은 일차 측의 교류 입력을 이차 측의 정류 요소를 통해 직류 출력으로 변환하는 것입니다. "전력 변환"에는 정류, 역변환, 주파수 변환이 포함되며, 그 중 정류가 가장 널리 사용됩니다. 정류 장치에 전력을 공급하기 위한 변압기를 정류 변압기라고 합니다. 대부분의 산업용 DC 전원은 AC 그리드와 정류 변압기, 정류 회로를 결합하여 얻어집니다.

3.1 전기화학 산업

이는 정류 변압기의 가장 큰 응용 분야입니다:

알루미늄, 마그네슘, 구리 등 비철금속 생산을 위한 금속 화합물의 전해
염수 전해를 통한 염소-알칼리 생산
수전해를 통한 수소 및 산소 생산

이러한 과정들은 고전류 저전압 직류 전력을 필요로 하며, 일부 측면에서는 전기 아크로 가열로 변압기와 유사합니다. 따라서 정류 변압기는 가열로 변압기와 구조적 특징을 공유합니다.

정류 변압기의 가장 눈에 띄는 특징은 이차 전류가 더 이상 정현파 교류가 아니라는 것입니다. 정류 요소의 일방향 전도로 인해 위상 전류는 맥동적이고 일방향적이 됩니다. 필터링 후, 이 맥동 전류는 매끄러운 직류가 됩니다.

이차 전압 및 전류는 변압기 용량 및 연결 그룹뿐만 아니라 정류 회로 구성을(예: 3상 다리형, 균형 리액터를 갖춘 쌍극성 반병렬) 따라 달라집니다. 동일한 DC 출력이라도 다른 정류 회로는 다른 이차 전압 및 전류를 필요로 합니다. 따라서 정류 변압기의 매개변수 계산은 특정 정류 위상을 기반으로 이차 측에서 시작됩니다.

정류 권선 전류에는 고차 고조파가 풍부하게 포함되어 있어 AC 그리드를 오염시키고 전력 인자를 낮춥니다. 고조파를 줄이고 전력 인자를 개선하기 위해서는 정류 시스템의 펄스 수를 늘려야 하며, 이는 일반적으로 위상 이동 기법을 통해 이루어집니다. 위상 이동의 목적은 이차 권선의 동종 단자 사이의 선 전압 사이에 위상 이동을 도입하는 것입니다.

3.2 궤도 DC 전력 공급

노출된 궤도선으로 인한 빈번한 단락 고장