La guía definitiva de los transformadores de rectificadores: desde principios de diseño hasta aplicaciones industriales

Introducción

El transformador del rectificador es una forma especializada de Transformador de potencia diseñado para suministrar corriente continua (CC) a los circuitos de rectificadores renunciando o aumentando los niveles de voltaje de corriente alterna (CA). A diferencia de los transformadores convencionales, los transformadores rectificadores deben soportar cargas no lineales, altas corrientes armónicas y rigurosos tensiones térmicas. Esta guía explora las características de diseño central, los métodos de construcción, las áreas de aplicación y las consideraciones de rendimiento de los transformadores de rectificadores, proporcionando un recurso integral para ingenieros, técnicos y especialistas en adquisiciones.

1. Principios de diseño de núcleo

1.1 Transformación y aislamiento de voltaje

• Adaptación de voltaje: Convierte el voltaje de CA de utilidad (por ejemplo, 11 kV, 33 kV) al nivel preciso que necesita el rectificador, a menudo en el rango de voltaje bajo a medio (p. Ej., 400 V a 2 kV).

• Aislamiento eléctrico: proporciona separación galvánica entre la red y la carga de CC, mejorando la seguridad del sistema y mitigando la propagación de fallas.

1.2 Gestión armónica

• Entradas de cambio de fase: implementa configuraciones delta-wye o zigzag para introducir cambios de fase (por ejemplo, 30 °) que cancelan los armónicos específicos, reduciendo la distorsión armónica total (THD).

• Diseños de viento múltiple: utiliza devanados terciarios o con devanados secundarios múltiples dispuestos para neutralizar los armónicos triple, asegurando el cumplimiento de la calidad de la potencia.

1.3 robustez térmica y mecánica

• Capacidad de sobrecarga: diseñado para corrientes de CC sostenidas con baja impedancia de cortocircuito e inercia térmica alta, evitando la saturación bajo carga no sinusoidal.

• Amortiguación de la vibración: incorpora refuerzos y devanados impregnados de resina para resistir fuerzas electromagnéticas y tensiones mecánicas durante las condiciones de entrada y fallas.

2. Construcción y materiales

2.1 ensamblaje de núcleo

• Acero del núcleo: las laminaciones de acero de silicio orientadas al grano minimizan las pérdidas de núcleo y las corrientes de remolino.

• Blindaje magnético: los escudos laminados o de aluminio reducen el flujo de fugas y las pérdidas perdidas, mejorando la eficiencia.

2.2 Bobinado y aislamiento

• Selección de conductores: conductores de cobre de alta pureza, a veces aluminio para diseños sensibles a los costos, dimensionados para corrientes continuas de CC.

• Sistemas de aislamiento: clase F o H aislamiento (p. Ej., Nomex, resina epoxi) soporta temperaturas elevadas del calentamiento armónico.

• Cambiadores de grifos: los cambiadores de tap (OLTC) en carga permiten la regulación de voltaje fino (± 2.5 % a ± 10 %) bajo carga completa.

2.3 Arreglos de enfriamiento

• Enfriamiento de aceite: Onan (Aceite Natural Air Natural) o ONAF (Aceite Natural Air fored) diseños para unidades de alta capacidad.

• Enfriamiento de tipo seco: encapsulación de aire forzado o presión de vacío para instalaciones interiores y ambientalmente sensibles.

3. Tipos de transformadores de rectificadores

4. Aplicaciones clave

4.1 Procesamiento electroquímico

• Extracción de metal: suministra corrientes de CC precisas para el aluminio de electrocesamiento, cobre y zinc, donde la ondulación de voltaje afecta directamente la calidad del producto.

• Electroplatación y anodización: garantiza un grosor de depósito uniforme al mantener la salida de CC estable.

4.2 Industrias de acero y metal

• Hornos de arco eléctrico (EAF): proporciona suministro de CC para electrodos de horno, que permite un control de arco liso y un parpadeo reducido.

• Rolling Mills & Galvanizing Lines: potencia motores DC y bancos de resistencia para la nivelación de carga y control de tensión.

4.3 Transporte y tracción

• Subestaciones ferroviarias: alimenta sistemas de tracción DC para metros urbanos y rieles de alta velocidad, a menudo como configuraciones de 12 pulsos para minimizar los armónicos en la cuadrícula de CA.

• Propulsión del barco: suministra unidades de CC para motores marinos eficientes.

4.4 Corriente continua de alto voltaje (HVDC)

• Enlaces de larga distancia: convierte el CA a DC para la transmisión durante cientos de kilómetros con pérdidas mínimas; instalado tanto en los extremos de envío como receptores.

• Interconexiones y estabilización de la cuadrícula: habilita el intercambio de energía entre las redes asincrónicas.

4.5 Carga de batería e integración renovable

• Sistemas de almacenamiento de energía de la batería (Bess): suministros de CC controlado para cargar baterías de gran formato en microrredes y granjas renovables.

• Inverteros fotovoltaicos: interfaces con enlaces de CC bidireccionales para funciones de soporte de cuadrícula.

5. Consideraciones de rendimiento y mantenimiento

5.1 Eficiencia y pérdidas

• Pérdidas del núcleo: se mantienen bajas a las laminaciones de alto grado; crítico a cargas parciales.

• Pérdidas de cobre: ​​aumento con sesgo de CC; Optimizado seleccionando el tamaño adecuado del conductor y el diseño del devanado.

5.2 Monitoreo y protección

• Sensores de temperatura: sondas PT100/RTD incrustadas en devanados y aceite para el monitoreo térmico en tiempo real.

• Relé de Buchholz y alivio de presión: detecta la acumulación de gas y la sobrepresión en los tanques de petróleo, activando alarmas o aislamientos.

5.3 Ciclo de vida y confiabilidad

• Prueba de rutina: relación de giros, índice de polarización y análisis de gas disuelto (DGA) para evaluar la integridad del devanado y la salud del petróleo.

• Renovación: el rebobinado y el reemplazo de petróleo extienden la vida útil de 10 a 15 años cuando se realizan de manera proactiva.

Conclusión

Los transformadores de rectificadores son indispensables en los sistemas de energía modernos donde el suministro de CC estable y la calidad de la potencia son primordiales. A través de configuraciones avanzadas de devanado, aislamiento robusto y métodos de enfriamiento a medida, estos transformadores satisfacen las estrictas demandas de procesos electroquímicos industriales, transmisión de CC de alta capacidad y sistemas de tracción críticos. Al comprender sus matices de diseño y necesidades de mantenimiento, los ingenieros pueden garantizar un rendimiento óptimo, longevidad y eficiencia energética en cualquier aplicación de energía de CC.