Rektifisertransformator: Arbeidsprinsipp & Anvendelser
1. Rektifisertransformator: Prinsipp og oversikt
En rektifisertransformator er en spesialisert transformator designet for å forsyne rektifiseringsystemer. Dets arbeidsprinsipp er det samme som ved en konvensjonell transformator — den fungerer basert på elektromagnetisk induksjon og brukes til å omforme vekselstrøm. En typisk transformator har to elektrisk isolerte vindinger — primær og sekundær — avviklet rundt et felles jernkjernen.
Når primær vindingen kobles til en vekselstrømkilde, strømmer vekselstrøm gjennom den, noe som genererer en magnetisk motkraft (MMF), som igjen produserer en vekslande magnetisk flate i den lukkede jernkjernen. Denne endringen i flate krysser både primær- og sekundærvindinger, noe som inducerer en vekslande spenning med samme frekvens i sekundærvindingen.
Forholdet mellom antall spoler i primær- og sekundærvindingene er likt spenningforholdet. For eksempel, hvis en transformator har 440 spoler i primær og 220 spoler i sekundær, med 220V inngang på primær siden, vil utgangsspenningen på sekundær være 110V. Noen transformatorer kan ha flere sekundærvindinger eller tapp, som tillater flere forskjellige utgangsspenninger.
2. Karakteristika ved rektifisertransformatorer
Rektifisertransformatorer fungerer sammen med rektifierere for å danne rektifiseringsutstyr, som muliggjør konvertering av vekselstrøm til likestrøm. Slike rektifiseringsystemer er de mest brukte likestrømskildene i moderne industri, og blir vidt anvendt i HVDC-transmisjon, elektrisk trakksjon, rullverker, galvanisering, elektrolyse og andre felt.
Primærsiden (også kjent som nettet) av en rektifisertransformator kobles til vekselstrømnettet, mens sekundærsiden (også kjent som ventilside) kobles til rektifieren. Selv om dens grunnleggende struktur og driftsprinsipp er lignende på en konvensjonell transformator, skiller lasten — en rektifierer — seg betydelig fra vanlige laster, noe som fører til unike design- og driftsegenskaper:
2.2 Ikke-sinusformete strømformer
I et rektifiserkrets føres hver arm bare under en del av syklusen, noe som resulterer i ikke-sinusformete strømformer — ofte nær diskontinuerlige rektangulære impulser. Dermed er både primær- og sekundærvindingstrømmene ikke-sinusformete.
For eksempel, i en tre-fase bro-rektifiser med Y/Y-forbindelse, viser strømformen distinkte pulsformer. Når thyristorer brukes for rektifisering, jo større fyringsforsinkelsenvinkel, jo brattere stigning/fall av strømmen, øker harmoniske innhold. Dette fører til høyere hvirvelstrømtap. Siden sekundærvindingen kun fører strøm en del av tiden, er utnyttelsesgraden av rektifisertransformator lavere enn hos en konvensjonell transformator. Derfor er rektifisertransformatorer for samme effekt, tendensmessig større og tungere.
2.3 Tilsvarande (gjennomsnittlig) synlig effektspesifikasjon
I en konvensjonell transformator er inngangs- og utgangseffekten like (unntatt tap), så den spesifiserte kapasiteten er bare synlig effekt av enten vindingen. Men i en rektifisertransformator kan primær- og sekundærstrømmene variere i form (f.eks., i halvsyklus rektifisering), noe som gjør deres synlige effekter ulike.
Derfor defineres transformatorens kapasitet som gjennomsnittet av primær- og sekundær synlige effekter, kjent som den tilsvarande kapasiteten:
der S1 er den primære synlige effekten, og S2 er den sekundære synlige effekten.
2.4 Høy motstandsdyktighet mot kortslutning
Rektifisertransformatorer må ha høy mekanisk styrke for å motstå kortslutnings-elektromagnetiske krefter på grunn av hyppige feil eller plutselige belastningsendringer (f.eks., motorstart). Sikring av dynamisk stabilitet under kortslutning er et kritisk overveiende i design og produksjon.
3. Hovedanvendelser av rektifisertransformatorer
Rektifisertransformatorer fungerer som strømkilde for rektifiseringsutstyr. Dets hovedegenskap er å konvertere AC-inngang på primærsiden til DC-utgang via rektifiseringskomponenter på sekundærsiden. "Strømkonvertering" inkluderer rektifisering, inversjon og frekvenskonvertering, hvorav rektifisering er den mest brukte. Transformatorer som brukes for å forsyne rektifiseringsenheter, kalles rektifisertransformatorer. De fleste industrielle DC-strømkilder oppnås ved å kombinere AC-nett med rektifisertransformatorer og rektifiseringskretser.
3.1 Elektrokjemisk industri
Dette er den største anvendelsesområdet for rektifisertransformatorer:
Elektrolys av metallforbindelser for å produsere aluminium, magnesium, kobber og andre ikke-jernmetaller
Klor-alkali produksjon gjennom saltvannselektrolys
Hydrogen- og oksyngennering gjennom vannselektrolys
Disse prosessene krever høystrøm, lavspenning DC-strøm, som i noen henseender ligner elektriske ovntransformatorer. Derfor deler rektifisertransformatorer strukturelle egenskaper med ovntransformatorer.
Den mest karakteristiske egenskapen ved rektifisertransformatorer er at sekundærstrømmen lenger er sinusformet AC. På grunn av unidireksjonalt ledning av rektifiseringskomponenter, blir fasestømmene pulsformet og unidireksjonale. Etter filtrering blir denne pulsformede strømmen jevn DC.
Sekundærespennings- og -strøm avhenger ikke bare av transformatorkapasitet og forbindelsesgruppe, men også av rektifiseringskretskonfigurasjon (f.eks., tre-fase bro, dobbelt motparallell med balanserende reaktor). Selv for samme DC-utgang, krever forskjellige rektifiseringskrefter forskjellige sekundærespennings- og -strøm. Derfor starter parameterberegningen for rektifisertransformatorer fra sekundærsiden og baseres på den spesifikke rektifiserstopologien.
På grunn av rike høyordens harmonier i rektifiseringsvindingstrømmene, forurener de AC-nettet og reduserer effektfaktoren. For å mildne harmonier og forbedre effektfaktoren, må pulstallet i rektifiseringsystemet økes, noe som vanligvis oppnås gjennom faseforskyvningsteknikker. Formålet med faseforskyvning er å introdusere en faseforskjell mellom linjespenninger på homologe terminaler i sekundærvindingene.
3.2 Trakksjon DC-strømforsyning
Brukes i gruve- eller byelektriske lokomotiver med DC-overhengende ledninger.
Hyppige kortslutningsfeil på grunn av eksponerte overhengende ledninger
Store variasjoner i DC-belastning
Hyppig motorstart fører til korttidsoverlast
For å håndtere disse forhold:
Lavere temperaturstigningsgrenser
Redusert strømtetthet
Impedans ca. 30% høyere enn standard strømtransformatorer
3.3 Industriell drev DC-strømforsyning
Hovedsakelig brukt for å forsyne DC-motorer i elektriske drevsystemer, som:
Armature- og feltoppkobling for rullverkmotorer
3.4 Høyspenning direkte strøm (HVDC)-transmisjon
Driftsspenninger typisk over 110 kV
Kapasiteter fra titusener til hundretusener av kVA
Spesiell oppmerksomhet kreves for kombinert AC- og DC-isolasjonsspenning til jord
Andre anvendelser:
DC-strøm for galvanisering eller elektroformering
Oppkoblingsstrømforsyninger for generatorer
Batteriladeforsyninger
Elektrostatisk nedfall (ESP) strømforsyninger
