Tranzystor prostujący: Zasada działania i zastosowania

Pole: Analiza transformatora

China

1. Transformator prostownikowy: zasada działania i przegląd

Transformator prostownikowy to specjalizowany transformator zaprojektowany do zasilania systemów prostowniczych. Jego zasada działania jest taka sama jak w przypadku konwencjonalnego transformatora — działa na podstawie indukcji elektromagnetycznej i służy do przekształcania napięcia przemiennego. Typowy transformator ma dwie elektrycznie izolowane cewki — pierwotną i wtórną — nawinięte na wspólną rdzeń żelazny.

Gdy cewka pierwotna jest podłączona do źródła prądu przemiennego, przez nią płynie prąd przemienny, generując siłę magnetostrujową (MMF), która tworzy zmieniający się strumień magnetyczny w zamkniętym rdzeniu żelaznym. Ten zmieniający się strumień przecina zarówno cewkę pierwotną, jak i wtórną, indukując w cewce wtórnej napięcie przemienne o tej samej częstotliwości.

Stosunek liczby zwitek między cewką pierwotną a wtórną równa się stosunkowi napięć. Na przykład, jeśli transformator ma 440 zwitek na cewce pierwotnej i 220 zwitek na cewce wtórnej, a na stronie pierwotnej podane jest napięcie 220V, napięcie wyjściowe na stronie wtórnej wyniesie 110V. Niektóre transformatory mogą mieć wiele cewek wtórnych lub wtyczek, co pozwala uzyskać kilka różnych napięć wyjściowych.

2. Cechy transformatorów prostownikowych

Transformatory prostownikowe działają razem z prostownikami, tworząc urządzenia prostownicze, umożliwiające przekształcanie prądu przemiennego w prąd stały. Takie układy prostownicze są najpopularniejszymi źródłami prądu stałego w nowoczesnych przedsiębiorstwach przemysłowych, szeroko stosowanymi w transmisji HVDC, napędzie elektrycznym, młynach, galwanice, elektrolizie i innych dziedzinach.

Rectifier Transformer.jpg

Strona pierwotna (zwana również stroną sieciową) transformatora prostownikowego jest podłączona do sieci prądu przemiennego, podczas gdy strona wtórna (zwana również stroną zaworową) jest podłączona do prostownika. Mimo że jego podstawowa struktura i zasada działania są podobne do konwencjonalnego transformatora, obciążenie — prostownik — różni się znacząco od normalnych obciążeń, co prowadzi do unikalnych cech projektowych i eksploatacyjnych:

2.2 Niesinusoidalne przebiegi prądu

W obwodzie prostowniczym każda rama przewodzi tylko w części cyklu, co powoduje niesinusoidalne przebiegi prądu — zwykle bliskie nieciągłych impulsów prostokątnych. W rezultacie zarówno prądy w cewkach pierwotnej, jak i wtórnej, są niesinusoidalne.

Na przykład, w trójfazowym prostowniku mostkowym z połączeniem Y/Y przebieg prądu pokazuje charakterystyczne wzory pulsacyjne. Gdy do prostowania używane są tyristory, im większy kąt opóźnienia wyzwalania, tym stromszy jest narastanie/spadanie prądu, co zwiększa zawartość harmonicznych. To prowadzi do wyższych strat wirowych. Ponieważ cewka wtórna przeprowadza prąd tylko częściowo, wykorzystanie transformatora prostownikowego jest niższe niż konwencjonalnego transformatora. Dlatego dla takiej samej mocy, transformatory prostownikowe tendują do bycia większe i cięższe.

2.3 Równoważna (średnia) moc pozorna

W konwencjonalnym transformatorze moc wejściowa i wyjściowa są równe (ignorując straty), więc moc nominalna jest po prostu mocą pozorną jednej z cewek. Jednak w transformatorze prostownikowym prądy pierwotne i wtórne mogą różnić się kształtem (np. w prostowaniu półfalowym), co sprawia, że ich mocy pozorne są nierówne.

Dlatego moc transformatora definiuje się jako średnia mocy pozornej pierwotnej i wtórnej, znana jako równoważna moc:

gdzie $S_{1}$ S1 to moc pozorna pierwotna, a $S_{2}$ S2 to moc pozorna wtórna.

2.4 Wysoka odporność na przepięcia

Transformatory prostownikowe muszą posiadać wysoką wytrzymałość mechaniczną, aby wytrzymać siły elektromagnetyczne spowodowane częstymi awariami lub nagłymi zmianami obciążenia (np. startowanie silników). Zapewnienie dynamicznej stabilności w warunkach przepięć jest kluczowym rozważaniem w projektowaniu i produkcji.

3.Główne zastosowania transformatorów prostownikowych

Transformatory prostownikowe służą jako źródło zasilania dla urządzeń prostowniczych. Ich główną cechą jest przekształcanie wejściowego prądu przemiennego na stronie pierwotnej w prąd stały poprzez elementy prostujące na stronie wtórnej. „Konwersja energii” obejmuje prostowanie, inwersję i konwersję częstotliwości, z których prostowanie jest najbardziej szeroko stosowane. Transformatory używane do zasilania urządzeń prostujących nazywane są transformatorami prostownikowymi. Większość przemysłowych źródeł zasilania DC jest uzyskiwana poprzez połączenie sieci AC z transformatorami prostownikowymi i obwodami prostowniczymi.

3.1 Przemysł elektrochemiczny

To największa dziedzina zastosowania transformatorów prostownikowych:

Elektroliza związków metali do produkcji aluminium, magnezu, miedzi i innych metali nieżelaznych
Produkcja chloru i alkalicznych poprzez elektrolizę wody morskiej
Generowanie wodoru i tlenu poprzez elektrolizę wody

Te procesy wymagają wysokiego prądu i niskiego napięcia DC, podobnie jak transformatory pieców elektrycznych. Dlatego transformatory prostownikowe mają pewne cechy strukturalne podobne do transformatorów pieców.

Najbardziej charakterystyczną cechą transformatorów prostownikowych jest to, że prąd wtórny nie jest już sinusoidalny. W wyniku jednokierunkowej przewodności elementów prostujących, prądy fazowe stają się pulsujące i jednokierunkowe. Po filtrowaniu ten pulsujący prąd staje się gładkim prądem stałym.

Napięcie i prąd wtórne zależą nie tylko od mocy transformatora i grupy połączeń, ale także od konfiguracji obwodu prostowniczego (np. mostek trójfazowy, dwustronny antyrównoległy z reaktorem balansującym). Nawet dla tego samego wyjściowego prądu DC różne obwody prostownicze wymagają różnych napięć i prądów wtórnych. Dlatego obliczenia parametrów transformatorów prostownikowych zaczynają się od strony wtórnej i są oparte na określonej topologii prostowniczej.

Ponieważ prądy w cewkach prostownikowych zawierają bogate harmoniczne wysokiego rzędu, zanieczyszczają sieć AC i obniżają współczynnik mocy. Aby zredukować harmoniczne i poprawić współczynnik mocy, liczba pulsów układu prostowniczego musi być zwiększona, co zwykle osiąga się poprzez techniki przesuwu fazy. Celem przesuwu fazy jest wprowadzenie przesunięcia fazowego między napięciami liniowymi w homologicznych końcówkach cewek wtórnych.

3.2 Zasilanie DC w napędzie trakcyjnym

Używane w górniczych lub miejskich lokomotywach elektrycznych z liniami DC.