Biến áp chỉnh lưu: Nguyên lý hoạt động & Ứng dụng

1. Biến áp chỉnh lưu: Nguyên lý và Tổng quan

Biến áp chỉnh lưu là một loại biến áp chuyên dụng được thiết kế để cung cấp cho hệ thống chỉnh lưu. Nguyên lý hoạt động của nó giống như biến áp thông thường - hoạt động dựa trên cảm ứng điện từ và được sử dụng để biến đổi điện áp xoay chiều. Một biến áp điển hình có hai cuộn dây cách điện - sơ cấp và thứ cấp - quấn xung quanh lõi sắt chung.

Khi cuộn dây sơ cấp được kết nối với nguồn điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chảy qua nó, tạo ra lực từ động (MMF), sinh ra từ thông xoay chiều trong lõi sắt kín. Từ thông thay đổi này cắt qua cả cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, tạo ra điện áp xoay chiều cùng tần số trong cuộn dây thứ cấp.

Tỷ lệ giữa số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp bằng tỷ lệ điện áp. Ví dụ, nếu biến áp có 440 vòng dây ở cuộn sơ cấp và 220 vòng dây ở cuộn thứ cấp, với đầu vào 220V ở cuộn sơ cấp, điện áp đầu ra ở cuộn thứ cấp sẽ là 110V. Một số biến áp có thể có nhiều cuộn dây thứ cấp hoặc điểm đấu, cho phép có nhiều mức điện áp đầu ra khác nhau.

2. Đặc điểm của Biến áp Chỉnh lưu

Biến áp chỉnh lưu làm việc cùng với bộ chỉnh lưu để tạo thành thiết bị chỉnh lưu, cho phép chuyển đổi điện năng xoay chiều thành điện năng một chiều. Các hệ thống chỉnh lưu như vậy là nguồn điện một chiều phổ biến nhất trong các doanh nghiệp công nghiệp hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong truyền tải điện một chiều cao áp, kéo điện, nhà máy cán, điện phân, điện đốt và các lĩnh vực khác.

Phía sơ cấp (còn gọi là phía mạng) của biến áp chỉnh lưu kết nối với lưới điện xoay chiều, trong khi phía thứ cấp (còn gọi là phía van) kết nối với bộ chỉnh lưu. Mặc dù cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động tương tự như biến áp thông thường, nhưng tải - bộ chỉnh lưu - khác biệt đáng kể so với tải bình thường, dẫn đến đặc điểm thiết kế và vận hành độc đáo:

2.2 Dạng sóng dòng điện không phải dạng sin

Trong mạch chỉnh lưu, mỗi cánh chỉ dẫn điện trong một phần chu kỳ, dẫn đến dạng sóng dòng điện không phải dạng sin - thường gần với xung hình chữ nhật gián đoạn. Do đó, cả dòng điện cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp đều không phải dạng sin.

Ví dụ, trong mạch chỉnh lưu cầu ba pha với kết nối Y/Y, dạng sóng dòng điện cho thấy các mẫu xung rõ rệt. Khi thyristor được sử dụng cho chỉnh lưu, góc kích thích càng lớn, sự tăng/giảm dòng điện càng dốc, tăng hàm lượng谐波。这导致涡流损耗增加。由于次级绕组仅在部分时间内导通，整流变压器的利用率低于常规变压器。因此，对于相同的功率等级，整流变压器往往更大、更重。 **2.3 等效（平均）视在功率额定值** 在常规变压器中，输入和输出功率相等（忽略损耗），因此额定容量就是任一绕组的视在功率。然而，在整流变压器中，初级和次级电流可能具有不同的波形（例如，在半波整流中），使它们的视在功率不相等。 因此，变压器的容量被定义为初级和次级视在功率的平均值，称为等效容量： \[ S_{\text{eq}} = \frac{S_1 + S_2}{2} \] 其中 \( S_1 \) 是初级视在功率，\( S_2 \) 是次级视在功率。 **2.4 高短路耐受能力** 由于频繁的故障或突然的负载变化（例如电机启动），整流变压器必须具有高机械强度以承受短路电磁力。确保在短路条件下的动态稳定性是设计和制造中的关键考虑因素。 **3. 整流变压器的主要应用** 整流变压器作为整流设备的电源。其主要特点是将初级侧的交流输入通过次级侧的整流元件转换为直流输出。“电力转换”包括整流、逆变和变频，其中整流是最广泛使用的。用于供应整流设备的变压器称为整流变压器。大多数工业直流电源是通过将交流电网与整流变压器和整流电路结合获得的。 **3.1 电化学工业** 这是整流变压器最大的应用领域： - 金属化合物电解生产铝、镁、铜和其他有色金属 - 盐水电解生产氯碱 - 水电解产生氢气和氧气 这些过程需要大电流、低电压的直流电源，在某些方面类似于电弧炉变压器。因此，整流变压器与炉变压器具有类似的结构特征。 整流变压器最显著的特点是次级电流不再是正弦交流。由于整流元件的单向导通，相电流变得脉动且单向。经过滤波后，这种脉动电流变成平滑的直流。 次级电压和电流不仅取决于变压器容量和连接组，还取决于整流电路配置（例如，三相桥式、带平衡电抗器的双反并联）。即使对于相同的直流输出，不同的整流电路也需要不同的次级电压和电流。因此，整流变压器的参数计算从次级侧开始，并基于具体的整流拓扑。 由于整流绕组电流包含丰富的高次谐波，它们会污染交流电网并降低功率因数。为了减少谐波和提高功率因数，必须增加整流系统的脉冲数，通常是通过移相技术实现的。移相的目的是在次级绕组同名端之间的线电压之间引入相位差。 **3.2 牵引直流电源** 用于矿山或城市电动机车的直流架空线路。 - 由于架空线路暴露而频繁发生短路故障 - 直流负载大幅波动 - 电机频繁启动导致短期过载 为了应对这些条件： - 较低的温升限制 - 降低电流密度 - 阻抗比标准电力变压器高出约30% **3.3 工业驱动直流电源** 主要用于为电动驱动系统中的直流电机供电，例如： - 轧机电机的电枢和励磁 **3.4 高压直流输电 (HVDC)** - 运行电压通常高于110 kV - 容量范围从数万到数十万kVA - 需要特别注意对地的交直流绝缘应力 其他应用： - 电镀或电加工的直流电源 - 发电机励磁电源 - 电池充电系统 - 静电除尘器 (ESP) 电源 请严格按照要求翻译成越南语，保持原文格式和结构不变。