Rektifiertransformator: Arbetsprincip & tillämpningar
1. Rektifiertransformator: Princip och översikt
En rektifiertransformator är en specialiserad transformator designad för att försörja rektifiersystem. Dess fungeringsprincip är densamma som för en konventionell transformator — den fungerar baserat på elektromagnetisk induktion och används för att omvandla växelströmspanning. En typisk transformator har två elektriskt isolerade vindningar — primär och sekundär — virade runt en gemensam järnkärna.
När den primära vindningen ansluts till en växelströmskälla flödar växelström genom den, vilket genererar en magnetisk drivkraft (MMF), som producerar en växlande magnetflöde i den slutna järnkärnan. Denna förändring av flux skär båda den primära och sekundära vindningen, vilket inducerar en växelströmspanning med samma frekvens i den sekundära vindningen.
Förhållandet mellan antalet varv mellan den primära och sekundära vindningen är lika med spänningsförhållandet. Till exempel, om en transformator har 440 varv på den primära och 220 varv på den sekundära, med 220V ingång på den primära sidan, kommer utgångsspanningen på den sekundära att vara 110V. Vissa transformatorer kan ha flera sekundära vindningar eller kopplingar, vilket möjliggör flera olika utgångsspänningar.
2. Karaktäristika hos rektifiertransformatorer
Rektifiertransformatorer fungerar tillsammans med rektifierare för att forma rektifieringsekipement, vilket möjliggör omvandling av växelström till likström. Sådana rektifiersystem är de mest vanligt använda likströmskällorna i moderna industriella företag, vidt spridda inom högspänningsdirekttransmission, eldrivning, rullverk, lackering, elektrolys och andra områden.
Den primära (också kallad nät-sidan) av en rektifiertransformator ansluts till växelströmsnätet, medan den sekundära (också kallad ventil-sidan) ansluts till rektifieraren. Trots att dess grundläggande struktur och fungeringsprincip är liknande de hos en konventionell transformator, skiljer sig lasten — en rektifierare — betydligt från normala laster, vilket leder till unika design- och driftkarakteristika:
2.2 Icke-sinusformade strömförmågor
I ett rektifiercircuit konducerar varje gren endast under en del av cykeln, vilket resulterar i icke-sinusformade strömförmågor — ofta nära diskontinuerliga rektangulära pulser. Konsekvent är både den primära och sekundära vindningsströmmarna icke-sinusformade.
Till exempel, i en trefasbrorrektifierare med Y/Y-förbindelse visar strömförmågen tydliga pulsformer. När thyristorer används för rektifiering, desto större avfyrdelayvinkel, desto brantare strömstigande/sinkande, vilket ökar harmoniskt innehåll. Detta leder till högre vridströmsförluster. Eftersom den sekundära vindningen konducerar ström endast delvis, är utnyttjandegraden för rektifiertransformatorerna lägre än för en konventionell transformator. Därför tendenserar rektifiertransformatorer för samma effektklass att vara större och tyngre.
2.3 Ekvivalent (medel) uppenbar effekt
I en konventionell transformator är ingångs- och utgångseffekten lika (bortsett från förluster), så den nominella kapaciteten är helt enkelt den uppenbara effekten för någon av vindningarna. Men i en rektifiertransformator kan den primära och sekundära strömmen skilja sig i form (t.ex. vid halvveckrektifiering), vilket gör deras uppenbara effekter olik.
Därför definieras transformatorns kapacitet som medelvärdet av den primära och sekundära uppenbara effekten, känd som ekvivalentkapacitet:
där S1 är den primära uppenbara effekten och S2 är den sekundära uppenbara effekten.
2.4 Hög motståndskraft mot kortslutning
Rektifiertransformatorer måste ha hög mekanisk styrka för att stå emot kortslutningsmagnetiska krafter på grund av frekventa fel eller plötsliga laständringar (t.ex. motorstart). Att säkerställa dynamisk stabilitet under kortslutningsförhållanden är en viktig övervägelse vid design och tillverkning.
3. Huvudtillämpningar för rektifiertransformatorer
Rektifiertransformatorer fungerar som energikälla för rektifieringequipement. Deras huvudfunktion är att omvandla växelströmsingång på den primära sidan till likströmsutgång via rektifierande element på den sekundära sidan. "Energioverföring" inkluderar rektifiering, inversering och frekvensomvandling, därav är rektifiering den mest använda. Transformatorer som används för att försörja rektifieringsenheter kallas rektifiertransformatorer. De flesta industriella likströmskällor erhålls genom att kombinera växelströmsnät med rektifiertransformatorer och rektifieringscirkuit.
3.1 Elektrokemisk industri
Detta är det största tillämpningsområdet för rektifiertransformatorer:
Elektrolys av metallkomplex för produktion av aluminium, magnesium, koppar och andra icke-järnmetaller
Chlor-alkali produktion genom saltvattelektrolys
Hydrogen- och syreproduktion genom vattenlektrolys
Dessa processer kräver högströms, lågspännings likström, liknande vissa aspekter av elektriska bugeleldsfurnace-transformatorer. På detta sätt delar rektifiertransformatorer strukturella egenskaper med furnace-transformatorer.
Den mest distinktiva egenskapen hos rektifiertransformatorer är att den sekundära strömmen inte längre är sinusformad växelström. På grund av den ensidiga ledningen av rektifierande element blir fasströmmar pulserande och ensidiga. Efter filtrering blir denna pulserande ström jämn likström.
Den sekundära spänningen och strömmen beror inte bara på transformatorkapacitet och anslutningsgrupp utan också på rektifieringscirkuitkonfiguration (t.ex. trefasbro, dubbel antiparallel med balanserande reaktor). Även för samma likströmsutgång kräver olika rektifieringscirkuit olika sekundära spänningar och strömmar. Därför börjar parameterräkningen för rektifiertransformatorer från den sekundära sidan och baseras på den specifika rektifieringskonfigurationen.
Eftersom rektifieringsvindningsströmmar innehåller rika högordningsharmoniska, förorenar de växelströmsnätet och minskar effektfaktorn. För att minska harmoniska och förbättra effektfaktorn måste pulsningsantalet i rektifieringssystemet ökas, vanligtvis genom fasförskjutningsteknik. Syftet med fasförskjutning är att införa en fasförskjutning mellan linjespänningar vid homologa terminaler för den sekundära vindningen.
3.2 Traction DC energiförsörjning
Används i gruva eller stadsbaserade elektriska lokomotiv med likströmsöverhängande linjer.
Frekventa kortslutfel på grund av exponerade överbryggningar
Stora svängningar i likströmslast
Frekventa motorstarter orsakar korttidsöverbelastningar
För att hantera dessa villkor:
Lägre temperaturupphettninggränser
Minskad strömtäthet
Impedans är cirka 30% högre än standardenergiförsörjningstransformatorer
3.3 Industriell drivlikströmsförsörjning
Främst används för att försörja likströmsmotorer i elektriska drivsystem, såsom:
Armature och fältexitation för rullverksmotorer
3.4 Högspänningsdirektströmsöverföring (HVDC)
Driftsspänningar vanligtvis över 110 kV
Kapaciteter varierar från tiotusentals till hundratusentals kVA
Särskild uppmärksamhet krävs för kombinerad växel- och likströmsisoleringstryck mot mark
Andra tillämpningar:
Likströmsförsörjning för lackering eller elektronisk bearbetning
Uppspänningsförsörjning för generatorer
Batteriladdningssystem
Elektrostatischer precipitator (ESP) energiförsörjning
