Трансформатор выпрямителя: принцип работы и применения
1. Регулирующий трансформатор: принцип и обзор
Регулирующий трансформатор — это специализированный трансформатор, предназначенный для питания регуляторных систем. Его рабочий принцип такой же, как у обычного трансформатора — он работает на основе электромагнитной индукции и используется для преобразования переменного напряжения. Типичный трансформатор имеет две электрически изолированные обмотки — первичную и вторичную — намотанные вокруг общего железного сердечника.
Когда первичная обмотка подключена к источнику переменного тока, через нее протекает переменный ток, создавая магнитодвижущую силу (МДС), которая порождает переменный магнитный поток в замкнутом железном сердечнике. Этот изменяющийся поток пересекает как первичную, так и вторичную обмотки, вызывая возникновение переменного напряжения той же частоты во вторичной обмотке.
Отношение числа витков между первичной и вторичной обмотками равно отношению напряжений. Например, если трансформатор имеет 440 витков на первичной обмотке и 220 витков на вторичной, с входным напряжением 220 В на первичной стороне, выходное напряжение на вторичной стороне будет 110 В. Некоторые трансформаторы могут иметь несколько вторичных обмоток или выводов, что позволяет получать несколько различных выходных напряжений.
2. Характеристики регулирующих трансформаторов
Регулирующие трансформаторы работают вместе с выпрямителями, образуя выпрямительные устройства, позволяющие преобразовывать переменный ток в постоянный. Такие системы выпрямления являются наиболее распространенными источниками постоянного тока в современных промышленных предприятиях, широко применяются в передаче постоянного тока высокого напряжения, электротяге, прокатных станах, гальванических и электролизных процессах и других областях.
Первичная (также называемая сетевой) сторона регулирующего трансформатора подключается к сети переменного тока, а вторичная (также называемая клапанной) сторона подключается к выпрямителю. Хотя его основная структура и принцип работы похожи на те, что у обычного трансформатора, нагрузка — выпрямитель — значительно отличается от обычных нагрузок, что приводит к уникальным особенностям проектирования и эксплуатации:
2.2 Несинусоидальные формы тока
В цепи выпрямителя каждое плечо проводит ток только в течение части цикла, что приводит к несинусоидальным формам тока — обычно близким к дискретным прямоугольным импульсам. В результате токи как в первичной, так и во вторичной обмотках несинусоидальны.
Например, в трехфазном мостовом выпрямителе с соединением Y/Y форма тока имеет характерные пульсирующие паттерны. При использовании тиристоров для выпрямления, чем больше угол задержки, тем круче рост/падение тока, увеличивая гармоническое содержание. Это приводит к более высоким потерям вихревых токов. Поскольку вторичная обмотка проводит ток только часть времени, коэффициент использования регулирующего трансформатора ниже, чем у обычного трансформатора. Поэтому при одинаковой мощности регулирующие трансформаторы, как правило, крупнее и тяжелее.
2.3 Эквивалентная (средняя) номинальная мощность
В обычном трансформаторе входная и выходная мощности равны (пренебрегая потерями), поэтому номинальная мощность просто является полной мощностью одной из обмоток. Однако, в регулирующем трансформаторе токи в первичной и вторичной обмотках могут различаться по форме (например, при половинном выпрямлении), делая их полные мощности неравными.
Поэтому мощность трансформатора определяется как среднее значение полных мощностей первичной и вторичной обмоток, известное как эквивалентная мощность:
где S1 — полная мощность первичной обмотки, а S2 — полная мощность вторичной обмотки.
2.4 Высокая способность к выдерживанию короткого замыкания
Регулирующие трансформаторы должны обладать высокой механической прочностью, чтобы выдерживать электромагнитные силы короткого замыкания, возникающие из-за частых отказов или внезапных изменений нагрузки (например, запуск двигателей). Обеспечение динамической устойчивости при коротком замыкании является важным фактором при проектировании и производстве.
3. Основные применения регулирующих трансформаторов
Регулирующие трансформаторы служат источником питания для выпрямительных устройств. Их основная особенность — преобразование переменного входного напряжения на первичной стороне в постоянное выходное напряжение через выпрямительные элементы на вторичной стороне. "Преобразование энергии" включает выпрямление, инвертирование и преобразование частоты, среди которых выпрямление является наиболее широко используемым. Трансформаторы, используемые для питания выпрямительных устройств, называются регулирующими трансформаторами. Большинство промышленных источников постоянного тока получают путем объединения сетей переменного тока с регулирующими трансформаторами и цепями выпрямления.
3.1 Электрохимическая промышленность
Это самая большая область применения регулирующих трансформаторов:
Электролиз металлических соединений для производства алюминия, магния, меди и других цветных металлов
Производство хлора и щелочи путем электролиза солевого раствора
Генерация водорода и кислорода путем электролиза воды
Эти процессы требуют высокого тока и низкого напряжения постоянного тока, что в некоторых аспектах похоже на трансформаторы электродуговых печей. Таким образом, регулирующие трансформаторы имеют конструктивные особенности, сходные с печными трансформаторами.
Наиболее характерной особенностью регулирующих трансформаторов является то, что ток вторичной обмотки уже не является синусоидальным переменным током. Из-за односторонней проводимости выпрямительных элементов фазные токи становятся пульсирующими и односторонними. После фильтрации этот пульсирующий ток становится гладким постоянным током.
Напряжение и ток вторичной обмотки зависят не только от мощности трансформатора и группы соединений, но и от конфигурации цепи выпрямления (например, трехфазный мост, двойной антипараллельный с балансирующим реактором). Даже при одинаковом постоянном выходе различные цепи выпрямления требуют разных вторичных напряжений и токов. Таким образом, расчет параметров регулирующих трансформаторов начинается со стороны вторичной обмотки и основан на конкретной топологии выпрямителя.
Поскольку токи вторичной обмотки содержат богатый спектр высших гармоник, они загрязняют сеть переменного тока и снижают коэффициент мощности. Для уменьшения гармоник и улучшения коэффициента мощности число импульсов системы выпрямления должно быть увеличено, что обычно достигается с помощью фазосдвигающих техник. Цель фазового сдвига — введение фазового смещения между линейными напряжениями на соответствующих выводах вторичных обмоток.
3.2 Питание постоянным током в тяговых системах
Используется в горнодобывающих или городских электровозах с контактной сетью постоянного тока.
Частые короткие замыкания из-за открытой контактной сети
Большие колебания постоянной нагрузки
Частые запуски двигателей, вызывающие кратковременные перегрузки
Для работы в этих условиях:
Более низкие пределы повышения температуры
Уменьшенная плотность тока
Индуктивное сопротивление примерно на 30% выше, чем у стандартных силовых трансформаторов
3.3 Питание постоянным током в промышленных приводах
Основное применение — питание постоянных двигателей в электроприводных системах, таких как:
Обмотка якоря и возбуждения для двигателей прокатных станов
3.4 Передача постоянного тока высокого напряжения (ПТВН)
Рабочие напряжения, как правило, выше 110 кВ
Мощности варьируются от десятков до сотен тысяч кВА
Особое внимание уделяется комбинированному воздействию напряжений переменного и постоянного тока на землю
Другие применения:
Постоянный ток для гальванического покрытия или электрообработки
Источники питания возбуждения генераторов
Системы зарядки аккумуляторов
Источники питания электростатических осадителей (ЭО)
