ตัวแปลงกระแสไฟฟ้า: หลักการการทำงานและการใช้งาน

1.หม้อแปลงปรับกระแสตรง: หลักการและภาพรวม

หม้อแปลงปรับกระแสตรงเป็นหม้อแปลงที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับระบบปรับกระแส โดยหลักการทำงานคล้ายกับหม้อแปลงทั่วไป — ทำงานโดยอาศัยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กและใช้ในการแปลงแรงดันไฟฟ้าสลับ หม้อแปลงทั่วไปมีขดลวดสองชุดที่แยกจากกันคือขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิที่พันรอบแกนเหล็กเดียวกัน

เมื่อขดลวดปฐมภูมิเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าสลับ กระแสไฟฟ้าสลับจะไหลผ่านขดลวดนี้ สร้างแรงขับเคลื่อนแม่เหล็ก (MMF) ซึ่งทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงในแกนเหล็กที่ปิดสนิท ฟลักซ์ที่เปลี่ยนแปลงนี้จะตัดผ่านทั้งขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสลับที่ความถี่เดียวกันในขดลวดทุติยภูมิ

อัตราส่วนของจำนวนรอบขดลวดระหว่างขดลวดปฐมภูมิกับขดลวดทุติยภูมิเท่ากับอัตราส่วนของแรงดัน ตัวอย่างเช่น หากหม้อแปลงมี 440 รอบในขดลวดปฐมภูมิ และ 220 รอบในขดลวดทุติยภูมิ ด้วยแรงดันขาเข้า 220V ในขดลวดปฐมภูมิ แรงดันขาออกในขดลวดทุติยภูมิจะเป็น 110V บางหม้อแปลงอาจมีขดลวดทุติยภูมิหลายชุดหรือแท็ป ทำให้สามารถได้แรงดันขาออกหลายระดับ

2.คุณสมบัติของหม้อแปลงปรับกระแสตรง

หม้อแปลงปรับกระแสตรงทำงานร่วมกับอุปกรณ์ปรับกระแสเพื่อสร้างอุปกรณ์ปรับกระแส ทำให้สามารถแปลงไฟฟ้าสลับเป็นไฟฟ้าตรง อุปกรณ์ปรับกระแสเหล่านี้เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าตรงที่ใช้มากที่สุดในภาคอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ใช้แพร่หลายในระบบส่งไฟฟ้าตรงแรงดันสูง การจ่ายไฟฟ้าสำหรับรถไฟฟ้า เครื่องกลึง งานชุบโลหะ กระบวนการกรด-ด่าง และสาขาอื่นๆ

ขดลวดปฐมภูมิ (หรือเรียกว่าข้างเครือข่าย) ของหม้อแปลงปรับกระแสเชื่อมต่อกับสายไฟฟ้าสลับ ส่วนขดลวดทุติยภูมิ (หรือเรียกว่าข้างวาล์ว) เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ปรับกระแส แม้ว่าโครงสร้างและการทำงานพื้นฐานจะคล้ายกับหม้อแปลงทั่วไป แต่โหลด — ซึ่งเป็นอุปกรณ์ปรับกระแส — แตกต่างจากโหลดปกติอย่างมาก ทำให้มีการออกแบบและคุณสมบัติการดำเนินงานที่เฉพาะเจาะจง:

2.2 รูปแบบคลื่นกระแสไม่เป็นไซนัส

ในวงจรปรับกระแส แขนแต่ละแขนจะนำไฟฟ้าเฉพาะส่วนหนึ่งของวงจร ทำให้เกิดรูปแบบคลื่นกระแสไม่เป็นไซนัส — มักจะใกล้เคียงกับพัลส์สี่เหลี่ยม ผลคือ กระแสในขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิไม่เป็นไซนัส

ตัวอย่างเช่น ในวงจรปรับกระแสแบบสะพานสามเฟส Y/Y รูปแบบคลื่นกระแสจะแสดงรูปแบบพัลส์ที่ชัดเจน เมื่อใช้ไทรสตอร์สำหรับการปรับกระแส ยิ่งมุมการยิงล่าช้ามากเท่าไร กระแสจะขึ้นลงอย่างรวดเร็วมากขึ้น ทำให้ปริมาณฮาร์โมนิกสูงขึ้น นำไปสู่การสูญเสียจากการไหลเวียนของกระแสที่สูงขึ้น เนื่องจากขดลวดทุติยภูมิจะนำกระแสเฉพาะส่วนเวลาเท่านั้น ทำให้อัตราการใช้งานของหม้อแปลงปรับกระแสน้อยกว่าหม้อแปลงทั่วไป ดังนั้น สำหรับกำลังที่เท่ากัน หม้อแปลงปรับกระแสมักจะใหญ่และหนักกว่า

2.3 กำลังตาม apparant ที่เท่ากัน (เฉลี่ย)

ในหม้อแปลงทั่วไป กำลังขาเข้าและขาออกเท่ากัน (ยกเว้นความสูญเสีย) ดังนั้น กำลังที่กำหนดจะเป็นกำลัง apparant ของขดลวดใดขดลวดหนึ่ง แต่ในหม้อแปลงปรับกระแส กระแสในขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิอาจมีรูปแบบคลื่นต่างกัน (เช่น ในการปรับกระแสครึ่งวงจร) ทำให้กำลัง apparant ไม่เท่ากัน

ดังนั้น กำลังของหม้อแปลงถูกกำหนดเป็นค่าเฉลี่ยของกำลัง apparant ของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ ซึ่งเรียกว่ากำลังที่เท่ากัน:

โดย ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">1</span>}}$S1 เป็นกำลัง apparant ของขดลวดปฐมภูมิ และ ${\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-family:\; arial,\; helvetica,\; sans-serif;\; font-size:\; 16px;">2</span>}}$S2 เป็นกำลัง apparant ของขดลวดทุติยภูมิ

2.4 ความสามารถในการทนทานต่อการลัดวงจรสูง

หม้อแปลงปรับกระแสมีความแข็งแรงทางกลสูงเพื่อทนทานต่อแรงแม่เหล็กจากการลัดวงจรที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งหรือการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างฉับพลัน (เช่น การเริ่มต้นมอเตอร์) การรับประกันความมั่นคงทางพลศาสตร์ภายใต้สภาพการลัดวงจรเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบและการผลิต

3.การใช้งานหลักของหม้อแปลงปรับกระแส

หม้อแปลงปรับกระแสมีบทบาทเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ปรับกระแส คุณสมบัติหลักคือการแปลงไฟฟ้าสลับที่ขดลวดปฐมภูมิเป็นไฟฟ้าตรงผ่านอุปกรณ์ปรับกระแสที่ขดลวดทุติยภูมิ "การแปลงพลังงาน" รวมถึงการปรับกระแส การแปลงกระแสกลับ และการแปลงความถี่ ซึ่งการปรับกระแสมีการใช้งานมากที่สุด หม้อแปลงที่ใช้สำหรับอุปกรณ์ปรับกระแสเรียกว่าหม้อแปลงปรับกระแส แหล่งกำเนิดไฟฟ้าตรงส่วนใหญ่ในภาคอุตสาหกรรมได้จากการรวมกันของสายไฟฟ้าสลับกับหม้อแปลงปรับกระแสและวงจรปรับกระแส

3.1 ภาคอุตสาหกรรมเคมีไฟฟ้า

นี่คือพื้นที่การใช้งานที่ใหญ่ที่สุดสำหรับหม้อแปลงปรับกระแส:

• การแยกสารประกอบโลหะเพื่อผลิตอลูมิเนียม แมกนีเซียม ทองแดง และโลหะไม่เป็นเหล็กอื่นๆ

• การผลิตคลอรีน-โซดาโดยการแยกธาตุจากน้ำทะเล

• การผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยการแยกธาตุจากน้ำ

กระบวนการเหล่านี้ต้องการไฟฟ้าตรงที่มีกระแสสูงและแรงดันต่ำ คล้ายคลึงกับหม้อแปลงเตาอาร์กไฟฟ้า ดังนั้น หม้อแปลงปรับกระแสมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกับหม้อแปลงเตาอาร์กไฟฟ้า

คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของหม้อแปลงปรับกระแสมาก็คือ กระแสที่ขดลวดทุติยภูมิไม่เป็นไฟฟ้าสลับ ด้วยการนำกระแสแบบไม่ทิศทางของอุปกรณ์ปรับกระแส กระแสเฟสกลายเป็นกระแสนิ่งและไม่ทิศทาง หลังจากทำการกรอง กระแสนิ่งนี้จะกลายเป็นไฟฟ้าตรงที่ราบรื่น

แรงดันและกระแสที่ขดลวดทุติยภูมิขึ้นอยู่กับไม่เพียงแค่กำลังและความเชื่อมโยงของหม้อแปลง แต่ยังขึ้นอยู่กับการกำหนดวงจรปรับกระแส (เช่น สะพานสามเฟส วงจรคู่ขนานที่มี reactor บาลานซ์) แม้จะมีแรงดันตรงขาออกเดียวกัน แต่วงจรปรับกระแสที่ต่างกันจะต้องการแรงดันและกระแสที่ขดลวดทุติยภูมิที่ต่างกัน ดังนั้น การคำนวณพารามิเตอร์ของหม้อแปลงปรับกระแสเริ่มต้นจากขดลวดทุติยภูมิและขึ้นอยู่กับโครงสร้างวงจรปรับกระแสที่เฉพาะเจาะจง

เนื่องจากกระแสที่ขดลวดทุติยภูมิมีฮาร์โมนิกลำดับสูงจำนวนมาก ทำให้เกิดการปนเปื้อนในสายไฟฟ้าสลับและลดค่าแฟคเตอร์กำลัง เพื่อลดฮาร์โมนิกและเพิ่มค่าแฟคเตอร์กำลัง จำเป็นต้องเพิ่มจำนวนพัลส์ของระบบปรับกระแส ซึ่งสามารถทำได้โดยเทคนิคการเลื่อนเฟส วัตถุประสงค์ของการเลื่อนเฟสคือการทำให้เกิดการเลื่อนเฟสระหว่างแรงดันไลน์ที่ปลายเท่ากันของขดลวดทุติยภูมิ

3.2 การจ่ายไฟฟ้าตรงสำหรับการลากจูง

ใช้ในรถไฟฟ้าที่มีสายไฟฟ้าตรงเหนือศีรษะในเหมืองหรือเมือง

• การลัดวงจรบ่อยครั้งเนื่องจากสายไฟฟ้าตรงเหนือศีรษะ

• โหลดไฟฟ้าตรงมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก

• การเริ่มต้นมอเตอร์บ่อยครั้งทำให้เกิดการโหลดเกินระยะสั้น

เพื่อรับมือกับสภาพเหล่านี้:

• จำกัดอุณหภูมิที่สูงขึ้น

• ลดความหนาแน่นของกระแส

• อิมพีแดนซ์สูงประมาณ 30% มากกว่าหม้อแปลงไฟฟ้าทั่วไป

3.3 การจ่ายไฟฟ้าตรงสำหรับการขับเคลื่อนอุตสาหกรรม

ใช้เพื่อจ่ายไฟฟ้าให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าตรงในระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า เช่น:

• การขับเคลื่อนมอเตอร์โรงกลึงและการกระตุ้นสนามแม่เหล็ก

3.4 การส่งไฟฟ้าตรงแรงดันสูง (HVDC)

• แรงดันทำงานทั่วไปสูงกว่า 110 kV

• กำลังตั้งแต่หลายหมื่นถึงหลายแสน kVA

• ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับความเครียดฉนวนไฟฟ้าสลับและไฟฟ้าตรงต่อพื้น

การใช้งานอื่นๆ:

• ไฟฟ้าตรงสำหรับการชุบโลหะหรือการกลึงด้วยไฟฟ้า

• แหล่งจ่ายไฟสำหรับการกระตุ้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

• ระบบชาร์จแบตเตอรี่

• แหล่งจ่ายไฟสำหรับเครื่องแยกฝุ่นสถิต