Rectifier Transformatort: Werkingsprincipe & Toepassingen
1. Gelijkrichtertransformatoren: Principe en Overzicht
Een gelijkrichtertransformator is een gespecialiseerde transformator ontworpen om gelijkrichtersystemen van stroom te voorzien. Het werkingsprincipe is hetzelfde als dat van een conventionele transformator — het werkt op basis van elektromagnetische inductie en wordt gebruikt om wisselspanning te transformeren. Een typische transformator heeft twee elektrisch geïsoleerde windingen — primaire en secundaire — die om een gemeenschappelijke ijzeren kern zijn gewikkeld.
Wanneer de primaire winding aan een wisselstroombron wordt aangesloten, stroomt er wisselstroom door, wat een magnetomotorische kracht (MMK) genereert, die een wisselende magnetische flux in de gesloten ijzeren kern produceert. Deze veranderende flux snijdt zowel de primaire als de secundaire winding, waardoor een wisselspanning met dezelfde frequentie in de secundaire winding wordt geïnduceerd.
Het verhouding van het aantal windingen tussen de primaire en secundaire windingen is gelijk aan het spanningsverhouding. Bijvoorbeeld, als een transformator 440 windingen heeft op de primaire kant en 220 windingen op de secundaire kant, met een invoerspanning van 220V op de primaire kant, zal de uitvoerspanning op de secundaire kant 110V zijn. Sommige transformators kunnen meerdere secundaire windingen of tappen hebben, waarmee verschillende uitvoerspanningen kunnen worden verkregen.
2.Kenmerken van Gelijkrichtertransformatoren
Gelijkrichtertransformatoren werken samen met gelijkrichters om gelijkrichtapparatuur te vormen, waardoor wisselstroom kan worden omgezet in gelijkstroom. Dergelijke gelijkrichtersystemen zijn de meest gebruikte bronnen van gelijkstroom in moderne industriële ondernemingen, breed toegepast in HVDC-overdracht, elektrische tractie, plaatwalserijen, elektrolyse, galvaniseren en andere gebieden.
De primaire kant (ook wel netwerkzijde genoemd) van een gelijkrichtertransformator is verbonden met het wisselstroomnet, terwijl de secundaire kant (ook wel klepzijde genoemd) verbonden is met de gelijkrichter. Hoewel de basisstructuur en het werkingsprincipe vergelijkbaar zijn met die van een conventionele transformator, verschilt de belasting — een gelijkrichter — aanzienlijk van normale belastingen, wat leidt tot unieke ontwerpen en operationele kenmerken:
2.2 Niet-sinusvormige Stroomvormen
In een gelijkrichtercircuit geleiden elke arm slechts tijdens een deel van de cyclus, wat resulteert in niet-sinusvormige stroomvormen — meestal dicht bij discontinu rechthoekige pulsen. Daarom zijn zowel de stroom in de primaire als de secundaire winding niet-sinusvormig.
Bijvoorbeeld, in een driefase bruggelijkrichter met Y/Y-verbinding toont de stroomvorm duidelijke pulspatronen. Wanneer thyristors worden gebruikt voor gelijkrichting, is de stijging/daling van de stroom steiler naarmate de vuurvertraging groter is, wat leidt tot een hogere harmonische inhoud. Dit leidt tot hogere eddy-stroomverliezen. Aangezien de secundaire winding slechts gedeeltelijk stroom geleidt, is de benutting van de gelijkrichtertransformator lager dan die van een conventionele transformator. Daarom zijn gelijkrichtertransformatoren voor dezelfde vermogensbelasting groter en zwaarder.
2.3 Equivalent (Gemiddeld) Apparent Vermogen
In een conventionele transformator zijn de ingangs- en uitgangsvermogen gelijk (met uitzondering van verliezen), dus de nominale capaciteit is eenvoudigweg het apparent vermogen van een van de windingen. Echter, in een gelijkrichtertransformator kunnen de primaire en secundaire stromen verschillen in vorm (bijvoorbeeld bij halfwaverectificatie), waardoor hun apparent vermogen ongelijk is.
Daarom wordt de capaciteit van de transformator gedefinieerd als het gemiddelde van de primaire en secundaire apparent vermogens, bekend als de equivalente capaciteit:
waar S1 het primaire apparent vermogen is en S2 het secundaire apparent vermogen is.
2.4 Hoge Kortsluitbestendigheid
Gelijkrichtertransformatoren moeten hoge mechanische sterkte hebben om kortsluit-elektromagnetische krachten te weerstaan, veroorzaakt door frequente storingen of plotselinge belastingsveranderingen (bijvoorbeeld motorstart). Het waarborgen van dynamische stabiliteit onder kortsluitcondities is een cruciale overweging bij ontwerp en productie.
3.Hoofdapplicaties van Gelijkrichtertransformatoren
Gelijkrichtertransformatoren fungeren als de stroombron voor gelijkrichtapparatuur. Hun belangrijkste kenmerk is het omzetten van wisselspanning op de primaire kant naar gelijkspanning via gelijkrichtelementen op de secundaire kant. "Stroomomzetting" omvat rectificatie, inversie en frequentieconversie, waarvan rectificatie het meest breed gebruikt wordt. Transformatoren die gebruikt worden om gelijkrichtapparatuur van stroom te voorzien, worden gelijkrichtertransformatoren genoemd. De meeste industriële gelijkstroomvoorzieningen worden verkregen door AC-netwerken te combineren met gelijkrichtertransformatoren en gelijkrichtercircuits.
3.1 Elektrochemische Industrie
Dit is het grootste toepassingsgebied voor gelijkrichtertransformatoren:
Elektrolyse van metalenverbindingen om aluminium, magnesium, koper en andere niet-ferrometalen te produceren
Chloor-alkali-productie via zoutwater-elektrolyse
Hydrogen- en zuurstofproductie door water-elektrolyse
Deze processen vereisen hoogstroom, laagspannings gelijkstroom, vergelijkbaar in sommige opzichten met elektrische boogoven-transformatoren. Daarom delen gelijkrichtertransformatoren structuurkenmerken met oven-transformatoren.
Het meest opvallende kenmerk van gelijkrichtertransformatoren is dat de secundaire stroom niet langer sinusvormige wisselstroom is. Door de eenrichtingsgeleiding van gelijkrichtelementen worden fasespanningen pulsatiërend en eenrichtings. Na filtratie wordt deze pulsatiërende stroom gladde gelijkstroom.
De secundaire spanning en stroom hangen niet alleen af van de transformatorcapaciteit en de verbindinggroep, maar ook van de configuratie van het gelijkrichtercircuit (bijvoorbeeld driefasebrug, dubbele antiparallel met balansreactor). Zelfs voor dezelfde gelijkstroomuitvoer vereisen verschillende gelijkrichtercircuits verschillende secundaire spanningen en stromen. Daarom begint de parameterberekening voor gelijkrichtertransformatoren aan de secundaire kant en is gebaseerd op de specifieke gelijkrichtertopologie.
Omdat de stroom in de gelijkrichterwindingen rijke hogere harmonischen bevat, vervuilt dit het wisselstroomnet en verlaagt de cosinus phi. Om harmonischen te verminderen en de cosinus phi te verbeteren, moet het pulsaantal van het gelijkrichtersysteem worden verhoogd, meestal bereikt door fasenverplaatsingstechnieken. Het doel van fasenverplaatsing is om een faseverschuiving in te voeren tussen lijnspanningen aan homologe eindpunten van de secundaire windingen.
3.2 Traction DC Power Supply
Gebruikt in mijnbouw of stedelijke elektrische locomotieven met DC-overhoofdlijnen.
Veelvuldige kortsluitfouten door blootstelling van overhoofdlijnen
Grote fluctuaties in DC-belasting
Veelvuldige motorkoppelingen veroorzaken korte-termijnoverbelastingen
Om deze omstandigheden te hanteren:
Lagere temperatuurstijginggrenzen
Verlaagde stroomdichtheid
Impedantie is ongeveer 30% hoger dan standaard nettransformatoren
3.3 Industriële Drive DC-voorziening
Voornamelijk gebruikt om DC-motoren in elektrische aandrijfsystemen van stroom te voorzien, zoals:
Armatuur- en veldopwekking voor rollenbankmotoren
3.4 High-Voltage Direct Current (HVDC) Transmission
Werkspanningen meestal boven 110 kV
Capaciteiten variëren van tientallen duizenden tot honderdduizenden kVA
Speciale aandacht vereist voor gecombineerde AC en DC-isolatiestress ten opzichte van de grond
Andere Toepassingen:
DC-voorziening voor elektroplating of elektromachining
Opwekkingsvoorzieningen voor generatoren
Acculaderingssystemen
Elektrostatische neerslag (ESP) voorzieningen
