Прямоточний трансформатор: принцип роботи та застосування
1.Прямочастотний трансформатор: принцип і огляд
Прямочастотний трансформатор — це спеціалізований трансформатор, призначений для забезпечення прямочастотних систем. Його принцип роботи такий самий, як у звичайного трансформатора — він базується на електромагнітній індукції і використовується для перетворення чергового напруги. Типовий трансформатор має два електрично ізольовані витки — первинний і вторинний — намотані на спільне залізне сердечнико.
Коли первинний виток під'єднаний до джерела чергового струму, черговий струм проходить через нього, генеруючи магнітомотивну силу (ММС), що створює черговий магнітний потік у замкнутому залізному сердечнику. Цей змінюваний потік перетинає як первинний, так і вторинний витки, викликаючи чергове напругу тієї ж частоти у вторинному витку.
Відношення кількості витків між первинним і вторинним витками дорівнює відношенню напруг. Наприклад, якщо трансформатор має 440 витків на первинному і 220 витків на вторинному, з напругою входу 220 В на первинному боку, напруга виходу на вторинному буде 110 В. Деякі трансформатори можуть мати кілька вторинних витків або відводів, що дозволяє отримати кілька різних вихідних напруг.
2.Особливості прямочастотних трансформаторів
Прямочастотні трансформатори працюють разом з прямочастотниками, формуючи прямочастотне обладнання, що дозволяє перетворювати черговий струм на постійний. Такі прямочастотні системи є найпоширенішими джерелами постійного струму в сучасних промислових підприємствах, широко застосовуються в передачі постійного струму високої напруги, електротягі, вальцівих станах, гальванопластиці, електролізі та інших сферах.
Первинний (також називається мережевим) бік прямочастотного трансформатора під'єднується до чергової електромережі, а вторинний (також називається клапанним) — до прямочастотника. Хоча його основна конструкція і принцип роботи подібні до звичайного трансформатора, навантаження — прямочастотник — значно відрізняється від звичайних навантажень, що призводить до унікальних проектних і експлуатаційних характеристик:
2.2 Несинусоїдальні форми струму
У прямочастотному контурі кожне плечо проводить лише протягом певної частини циклу, що призводить до несинусоїдальних форм струму — зазвичай близько до неперервних прямокутних імпульсів. В результаті, струми как первинного, так и вторинного витків є несинусоїдальними.
Наприклад, у трьохфазному мостовому прямочастотнику з Y/Y-з'єднанням, форма струму показує відмінні імпульсні моделі. Коли для прямочастотування використовуються тиристори, чим більший кут запізнення запалювання, тим стрімкіше зростання/спадання струму, що збільшує гармонічні складові. Це призводить до більших втрат завдяки вихорним струмам. Оскільки вторинний виток проводить струм лише частково, коефіцієнт використання прямочастотного трансформатора нижчий, ніж у звичайного трансформатора. Тому, для однакової потужності, прямочастотні трансформатори зазвичай більші і важчі.
2.3 Еквівалентна (середня) очевидна потужність
У звичайному трансформаторі вхідна і вихідна потужності рівні (не враховуючи втрат), тому номінальна потужність просто є очевидною потужністю одного з витків. Однак, у прямочастотному трансформаторі, первинний і вторинний струми можуть відрізнятися за формою (наприклад, при напівперіодному прямочастотуванні), що робить їх очевидні потужності нерівними.
Тому, потужність трансформатора визначається як середнє значення очевидних потужностей первинного і вторинного витків, відоме як еквівалентна потужність:
де S1 — це очевидна потужність первинного витка, а S2 — це очевидна потужність вторинного витка.
2.4 Висока стійкість до коротких замикань
Прямочастотні трансформатори повинні мати високу механічну міцність, щоб витримувати електромагнітні сили коротких замикань через часті аварії або раптові зміни навантаження (наприклад, запуск двигунів). Забезпечення динамічної стабільності при коротких замиканнях є ключовим питанням в проектуванні та виробництві.
3.Основні застосування прямочастотних трансформаторів
Прямочастотні трансформатори служать джерелом живлення для прямочастотного обладнання. Їх основною особливістю є перетворення чергового входу на первинному боку в постійний вихід через прямочастотні елементи на вторинному боку. "Перетворення енергії" включає прямочастотування, інверсію та зміну частоти, з яких прямочастотування є найширше застосованим. Трансформатори, які забезпечують прямочастотні пристрої, називаються прямочастотними трансформаторами. Більшість промислових джерел постійного струму отримуються шляхом комбінації чергових мереж з прямочастотними трансформаторами та прямочастотними контурами.
3.1 Електрохімічна галузь
Це найбільша область застосування прямочастотних трансформаторів:
Електроліз металевих сполук для виробництва алюмінію, магнію, міді та інших цветних металів
Виробництво хлор-гідроксиду через електроліз солоного розчину
Генерація водню та кисню через електроліз води
Ці процеси потребують високострумових, низьконапружних постійних струмів, подібних в деяких аспектах до електродугових печей. Тому, прямочастотні трансформатори мають конструктивні особливості, схожі на печі.
Найбільш видною особливістю прямочастотних трансформаторів є те, що вторинний струм більше не є синусоїдальним черговим. Через однонаправлене провідність прямочастотних елементів, фазові струми стають пульсуючими та однонаправленими. Після фільтрації цей пульсуючий струм стає гладким постійним.
Вторинне напруга та струм залежать не тільки від потужності трансформатора та групи з'єднання, але й від конфігурації прямочастотного контуру (наприклад, трифазний міст, подвійний антипаралельний з балансувальною реактором). Навіть для однакового постійного виходу, різні прямочастотні контури потребують різних вторинних напруг та струмів. Тому, розрахунок параметрів прямочастотних трансформаторів починається з вторинного боку і базується на конкретній топології прямочастотника.
Оскільки струми вторинних витків містять багато високих гармонік, вони забруднюють чергову мережу і зменшують коефіцієнт ефективності. Для зменшення гармонік і покращення коефіцієнта ефективності, число імпульсів прямочастотної системи повинно бути збільшено, зазвичай це досягається за допомогою технік зміщення фаз. Мета зміщення фаз — ввести фазове зміщення між лінійними напругами на однорідних терміналах вторинних витків.
3.2 Постійний струм для електротяги
Використовується в горничу або міських електровозах з постійним струмом над головою.
Часті короткі замикання через відкриті надголовні лінії
Значні коливання постійного навантаження
Часті запуски двигунів, що викликають короткотривалі перевантаження
Для вирішення цих умов:
Нижчі межі підвищення температури
Зменшена густота струму
Імпеданс на 30% вищий, ніж у стандартних силових трансформаторів
3.3 Постійний струм для промислових приводів
Основно використовується для живлення постійних двигунів в електроприводах, таких як:
Арматура та полярне збудження для двигунів вальцівих станов
3.4 Передача постійного струму високої напруги (ППСВН)
Робочі напруги зазвичай вище 110 кВ
Потужності від десятків до сотень тисяч кВА
Спеціальна увага необхідна для комбінованих чергових і постійних напруг до землі
Інші застосування:
Постійний струм для гальванопластики або електромеханічної обробки
Збудження генераторів
Системи зарядки акумуляторів
Живлення електростатичних осаджувачів (ЕОС)
