Pravokotni transformator: Delovanje in uporaba
1. Pravilnik in pregled pretvarjalnega transformatorja
Pretvarjalni transformator je specializiran transformator, zasnovan za oskrbovanje pretvarjalnih sistemov. Njegov delovni način je enak kot pri običajnem transformatorju – deluje na osnovi elektromagnetske indukcije in se uporablja za pretvarjanje izmenične napetosti. Tipičen transformator ima dve električno ločeni viti – primarno in sekundarno – natančene okoli skupnega železnega jedra.
Ko se primarna vit poveže na izmenični vir, teče skozi njo izmenični tok, ki generira magnetomotorno silo (MMS), ki ustvari izmenično magnetno tokovno gosto v zaprtih železnih jehrih. Ta spreminjajoča se tokovna gosta preseka tako primarno kot tudi sekundarno vit, s čimer se v sekundarni viti inducira izmenična napetost z enako frekvenco.
Razmerje števila zavojnic med primarno in sekundarno vito je enako razmerju napetosti. Na primer, če ima transformator 440 zavojnic na primarni in 220 zavojnic na sekundarni viti, z 220V vhodno napetostjo na primarni strani, bo izhodna napetost na sekundarni strani 110V. Nekateri transformatorji lahko imajo več sekundarnih vit ali odvodov, kar omogoča, da se doseže več različnih izhodnih napetosti.
2. Značilnosti pretvarjalnih transformatorjev
Pretvarjalni transformatorji delujejo skupaj s pretvarjalniki in oblikujejo pretvarjalno opremo, ki omogoča pretvorbo izmenične energije v enosmerni tok. Takšni pretvarjalni sistemi so najpogosteje uporabljena viri enosmernega toka v sodobnih industrijskih podjetjih, široko uporabljeni v prenosu visokonapetostnega enosmernega toka, električnem vlečnem, valjnici, elektrodeponiranju, elektrolizi in drugih področjih.
Primarna (tudi mrežna) stran pretvarjalnega transformatorja je povezana z izmenično mrežo, medtem ko sekundarna (tudi ventilna) stran povezuje na pretvarjalnik. Čeprav je njegova osnovna struktura in delovni način podoben običajnemu transformatorju, se obremenitev – pretvarjalnik – bistveno razlikuje od običajnih obremenitev, kar vodi do edinstvenih značilnosti dizajna in delovanja:
2.2 Nesinusoidalne tokovne oblike
V pretvarjalnem krogu vsaka vrata prevajajo le del cikla, kar vodi do nesinusoidalnih tokovnih oblik – tipično blizu nezveznih pravokotnih impulsov. Torej so tokovne oblike v obeh, primarni in sekundarni viti, nesinusoidalne.
Na primer, v trehfasnem mostu pretvarjalnika z Y/Y povezavo, tokovna oblika kaže različne vzorce pulzov. Ko se za pretvarjanje uporabijo tiristorji, je večji odlagalni kot, točnejši naraštaj/padec toka, kar poveča harmonske komponente. To vodi do višjih strujnih izgub. Ker sekundarna vit vodi tok le del časa, je uporabnost pretvarjalnega transformatorja nižja kot običajnega transformatorja. Zato so za isto moč pretvarjalni transformatorji običajno večji in težji.
2.3 Ekvivalentna (povprečna) aparentna moč
Običajnem transformatorju sta vhodna in izhodna moč enaki (brez upoštevanja izgub), zato je nominalna moč preprosto aparentna moč katere koli vite. Vendar pa v pretvarjalnem transformatorju lahko primarni in sekundarni tokovi razlikujejo po obliki (na primer, pri polvalnem pretvarjanju), kar povzroča, da njune aparentne moči niso enake.
Zato je moč transformatorja definirana kot povprečje aparentnih moči primarne in sekundarne vite, znano kot ekvivalentna moč:
kjer S1 je aparentna moč primarne vite in S2 je aparentna moč sekundarne vite.
2.4 Visoka zmogljivost za kratične tokove
Pretvarjalni transformatorji morajo imeti visoko mehansko trdoto, da bi odvrščali kratične elektromagnetske sile zaradi pogostih napak ali nenadnih sprememb obremenitve (na primer, pri zaganjanju motorja). Zagotavljanje dinamske stabilnosti ob kratičnih stanjih je ključna predpostavka v dizajnu in proizvodnji.
3. Glavne uporabe pretvarjalnih transformatorjev
Pretvarjalni transformatorji služijo kot vir energije za pretvarjalno opremo. Njihova glavna značilnost je, da pretvarjajo izmenični vhod na primarni strani v enosmerni izhod preko pretvarjalnih elementov na sekundarni strani. "Pretvorba energije" vključuje pretvarjanje, inverzijo in frekvenčno pretvorbo, med katerimi je pretvarjanje najširše uporabljeno. Transformatorji, ki se uporabljajo za oskrbovanje pretvarjalnih naprav, se imenujejo pretvarjalni transformatorji. Večina industrijskih virjev enosmernega toka se pridobi s kombinacijo izmeničnih mrež, pretvarjalnih transformatorjev in pretvarjalnih krogov.
3.1 Elektrokemijska industrija
To je največja področje uporabe pretvarjalnih transformatorjev:
Elektroliza kovinskih spojin za proizvodnjo aluminija, magnija, bakra in drugih netaležnih kovin
Proizvodnja hlor-alkali preko solane vode
Generiranje vodika in kisika preko vodne elektrolize
Ti postopki zahtevajo visok tok in nizko napetost enosmernega toka, podobno v nekaterih vidikih transformatorjem za pečnice. Torej delitev strukturnih značilnosti pretvarjalnih transformatorjev z pečnimi transformatorji.
Najbolj izstopajoča značilnost pretvarjalnih transformatorjev je, da sekundarni tok ni več sinusoidalni izmenični tok. Zaradi unidirekcijskega prevajanja pretvarjalnih elementov faze tokov postanejo pulsirajoči in unidirekcijski. Po filtriranju ta pulsirajoči tok postane gladki enosmerni tok.
Sekundarna napetost in tok so odvisni ne le od moči transformatorja in skupine povezav, ampak tudi od konfiguracije pretvarjalnega kroga (na primer, trehfasni most, dvojni protiparlalelni z ravnotežnim reaktorjem). Še za isti enosmerni izhod različni pretvarjalni krogi zahtevajo različne sekundarne napetosti in tokove. Torej se začnejo izračuni parametrov pretvarjalnih transformatorjev na sekundarni strani in temeljijo na specifični topologiji pretvarjalnika.
Ker pretvarjalne vitove vsebujejo bogate višje harmonske, onesnažujejo izmenično mrežo in zmanjšujejo faktor moči. Za zmanjšanje harmonskih in izboljšanje faktorja moči mora biti število pulzov pretvarjalnega sistema povečano, običajno doseženo z faznimi zamiki. Namen faznega zamika je, da se uvede fazni pomik med linijami napetosti na homoloških koncih sekundarnih vit.
3.2 DC zasilanje za vlečno silo
Uporablja se v rudarskih ali mestnih električnih lokomotivah s DC nadzvezom.
Pogoste napake kratičnega toka zaradi izpostavljenosti nadzveza
Velike fluktuacije DC obremenitve
Pogosto zaganjanje motorjev povzroča kratkoročne preobremenitve
Za obravnavo teh pogojev:
Nižji mejniki temperaturnega dviga
Manjša gostota toka
Utrip je približno 30% višji kot pri standardnih močnih transformatorjih
3.3 Industrijsko pogonsko DC zasilanje
Glavno uporabljajo za oskrbovanje DC motorjev v električnih pogonskih sistemih, kot so:
Armatura in navadna ozračna žarka za motorje valjnice
3.4 Prenos visokonapetostnega enosmernega toka (HVDC)
Delovne napetosti običajno presegajo 110 kV
Moči segajo od deset tisoč do sto tisoč kVA
Posebna pozornost je potrebna za kombinirano AC in DC izolacijsko obremenitev do zemlje
Druge uporabe:
DC zasilanje za elektroplakanje ali elektrometalurgijo
Zasilanje generatorjev
Sistemi za polnenje baterij
Zasilanje elektrostatičnih prašnih lovljajev (ESP)
