Pravougaoni transformator: Način rada i primene
1. Rektifikacioni transformator: princip i pregled
Rektifikacioni transformator je specijalizovan transformator dizajniran za snabdevanje rektifikacionih sistema. Njegov radni princip je isti kao kod konvencionalnog transformatora — radi na osnovu elektromagnetske indukcije i koristi se za transformaciju napona strujanja. Tipičan transformator ima dve električki izolovane viti — primarnu i sekundarnu — namotane oko zajedničkog železnog jezgra.
Kada se primarna vitica poveže na AC izvor struje, struja strujanja teče kroz nju, generišući magnetni pokret (MMF), što stvara promenljiv magnetični tok u zatvorenom železnom jezgru. Ova promenljiva tok preseca oba vitanja, indukujući promenljivi napon iste frekvencije u sekundarnom vitanju.
Odnos broja navojaka između primarnog i sekundarnog vitanja jednak je odnosu napona. Na primer, ako transformator ima 440 navojaka na primarnom i 220 navojaka na sekundarnom vitanju, sa ulaznim naponom od 220V na primarnoj strani, izlazni napon na sekundarnoj strani će biti 110V. Neke transformatori mogu imati više sekundarnih vitanja ili tapova, omogućavajući postizanje nekoliko različitih izlaznih napona.
2. Karakteristike rektifikacionih transformatora
Rektifikacioni transformatori rade zajedno sa rektifikatorima kako bi formirali rektifikaciono opreme, omogućavajući pretvaranje AC snage u DC snagu. Takvi rektifikacioni sistemi su najčešći DC izvori snage u modernim industrijskim preduzećima, široko primenjeni u HVDC prijenosu, električnom vlačenju, valjanicama, galvanizaciji, elektrolizi i drugim oblastima.
Primarna strana (takođe poznata kao mrežna strana) rektifikacionog transformatora povezuje se na AC mrežu, dok se sekundarna strana (takođe poznata kao ventilska strana) povezuje na rektifikator. Iako je njegova osnovna struktura i radni princip sličan onima konvencionalnog transformatora, opterećenje — rektifikator — značajno se razlikuje od normalnih opterećenja, što dovodi do jedinstvenih dizajnerskih i operativnih karakteristika:
2.2 Nelinearne talase struje
U rektifikacionom krugu svaki ramus provodi samo tokom deo ciklusa, što rezultira nelinearnim talasima struje — tipično bliskim diskontinuiranim pravougaonim impulsnim talasima. Kao posledica, struje u primarnom i sekundarnom vitanju su nelinearne.
Na primer, u tri-faznom mostu rektifikacije sa Y/Y vezom, talas struje pokazuje oštre impulsne uzorke. Kada se tijistori koriste za rektifikaciju, veći ugao kašnjenja paljenja dovodi do bržeg porasta/padanja struje, povećavajući harmonijski sadržaj. To dovodi do većih gubitaka struja. Budući da sekundarno vitanje provodi struju samo deo vremena, iskoristivost rektifikacionog transformatora je niža nego kod konvencionalnog transformatora. Stoga, za istu snagu, rektifikacioni transformatori često budu veći i teži.
2.3 Ekvivalentna (prosječna) aparentna snaga
U konvencionalnom transformatoru, ulazna i izlazna snaga su jednake (ignorisajući gubitke), tako da je nominalna snaga jednostavno aparentna snaga bilo kog vitanja. Međutim, u rektifikacionom transformatoru, primarni i sekundarni talasi struje mogu se razlikovati u obliku (na primjer, u poluvolni rektifikaciji), čime se njihove aparentne snage ne podudaraju.
Stoga, kapacitet transformatora definiše se kao prosjek aparentne snage primarnog i sekundarnog vitanja, poznat kao ekvivalentna snaga:
gde S1 je aparentna snaga primarnog vitanja, a S2 je aparentna snaga sekundarnog vitanja.
2.4 Visoka otpornost na kratkospojne struje
Rektifikacioni transformatori moraju imati visoku mehaničku čvrstoću kako bi otpirali elektromagnetske sile nastale usled čestih grešaka ili naglog promene opterećenja (na primjer, pokretanje motora). Osiguranje dinamičke stabilnosti u uslovima kratkospoja je ključna smatra u dizajnu i proizvodnji.
3. Glavne primene rektifikacionih transformatora
Rektifikacioni transformatori služe kao izvor snage za rektifikaciono opreme. Njihova glavna karakteristika je pretvaranje AC unosa na primarnoj strani u DC izlaz kroz rektifikacione elemente na sekundarnoj strani. "Pretvaranje snage" uključuje rektifikaciju, inverziju i promenu frekvencije, od kojih je rektifikacija najšire korišćena. Transformatori koji se koriste za snabdevanje rektifikacionih uređaja nazivaju se rektifikacioni transformatori. Većina industrijskih DC izvora snage dobija se kombinacijom AC mreža, rektifikacionih transformatora i rektifikacionih krugova.
3.1 Elektro-hemijska industrija
Ovo je najveća oblast primene rektifikacionih transformatora:
Elektroliza metalnih spojeva za proizvodnju aluminija, magnezija, bakra i drugih nemetala
Proizvodnja hlor-alkalnih spojeva putem elektrolize solane vode
Generisanje vodonika i kiseonika putem elektrolize vode
Ovi procesi zahtevaju visok-strujni, niskonaponski DC izvor snage, sličan u nekim aspektima transformatorima za električne lukove. Tako, rektifikacioni transformatori dele strukturne karakteristike sa pećnim transformatorima.
Najznačajnija karakteristika rektifikacionih transformatora jeste da sekundarna struja više nije sinusoidna AC. Zbog unidirekcionog provođenja rektifikacionih elemenata, fazi struje postaju pulsirajuće i unidirekciono. Nakon filtriranja, ovaj pulsirajući tok postaje glatki DC.
Sekundarni napon i struja zavise ne samo od kapaciteta transformatora i grupe veza, već i od konfiguracije rektifikacionog kruga (na primjer, trofazni most, dvostruki antiparalelni sa balansirajućim reaktorom). Čak i za isti DC izlaz, različiti rektifikacioni krugovi zahtevaju različite sekundarne napone i struje. Dakle, izračunavanje parametara rektifikacionih transformatora počinje sa sekundarne strane i bazira se na specifičnoj topologiji rektifikatora.
Zbog toga što sekundarne struje sadrže bogate viši harmonijske, one zagađuju AC mrežu i smanjuju faktor snage. Da bi se smanjili harmonici i poboljšao faktor snage, broj impulsa rektifikacionog sistema mora se povećati, obično kroz tehniku faznog pomerenja. Cilj faznog pomerenja jeste da se uvede fazni pomak između linijskih napona na homolognim terminalima sekundarnih vitanja.
3.2 DC snabdijevanje trakcijskom snabdevanjem
Koristi se u rudarskim ili gradske električne lokomotive sa DC prekoplinskim linijama.
Česti kratkospojni grešci zbog izloženosti prekoplinskih linija
Veliki fluktuacije DC opterećenja
Često pokretanje motora dovodi do kratkoročnih preopterećenja
Da bi se suzbijali ovi uslovi:
Niži granice temperature
Smanjena gustoća struje
Impedansa je oko 30% veća od standardnih transformatora snage
3.3 Industrijsko pogonsko DC snabdijevanje
Glavno se koristi za snabdevanje DC motorima u električnim pogonskim sistemima, kao što su:
Armatura i magnetsko podsticanje za valjanice
3.4 Visokonaponski direktni tok (HVDC) prijenos
Radni naponi obično iznad 110 kV
Kapaciteti od desetina do stotina hiljada kVA
Posebna pažnja potrebna za kombinovani AC i DC izolacijski stres prema zemlji
Ostale primene:
DC snaga za galvanizaciju ili elektro-obradu
Izvori snage za podsticanje generatora
Sistemi za punjenje baterija
Izvori snage za elektrostatičke prašnjakove (ESP)
