หม้อแปลงเรกติไฟเออร์: คู่มือข้อกำหนดสำหรับโครงการอิเล็กโทรไลซิส การชุบโลหะ และการขับเคลื่อนด้วยกระแสตรง

เมื่อฤดูใบไม้ผลิที่ผ่านมา โรงงานชุบโลหะแห่งหนึ่งในมองเตอร์เรย์ได้ส่งใบเสนอราคา (RFQ) มาให้เราสำหรับหม้อแปลงขนาด '500 kVA หม้อแปลงแบบปรับกระแส ' และไม่มีอะไรอื่นเพิ่มเติม อีกสองสัปดาห์ต่อมา วิศวกรด้านระบบไฟฟ้าของบริษัทสาธารณูปโภคผู้ให้บริการได้โทรมาหาเรา: เรกติไฟเออร์แบบ 6-pulse บนสายการผลิตใหม่ของพวกเขาทำให้ค่าความบิดเบือนฮาร์โมนิกรวมของกระแสไฟฟ้าเกิน 30% ที่จุดเชื่อมต่อร่วม (point of common coupling) และบทบัญญัติลงโทษในสัญญาจัดหาไฟฟ้าของพวกเขาก็เริ่มมีผลบังคับใช้แล้ว ปัญหาไม่ได้อยู่ที่หม้อแปลง แต่อยู่ที่ข้อกำหนดที่ระบุไว้

 

สิ่งที่หม้อแปลงเรกติไฟเออร์ทำได้ ซึ่งหม้อแปลงแบบมาตรฐานทำไม่ได้

เอ หม้อแปลงแบบปรับกระแส จ่ายไฟให้กับโหลดแบบกระแสตรง — เช่น เซลล์อิเล็กโทรไลซิส ถังชุบโลหะ ไดรฟ์กระแสตรง สถานีจ่ายไฟสำหรับระบบขนส่งมวลชน และแหล่งจ่ายไฟสำหรับเตาหลอม — ผ่านสะพานไดโอดหรือสะพานไทริสเตอร์ ฟังดูเรียบง่าย แต่กลับเปลี่ยนกฎการออกแบบทั้งหมดอย่างสิ้นเชิง

หม้อแปลงจ่ายไฟมาตรฐานถูกออกแบบมาเพื่อรองรับโหลดที่เป็นคลื่นไซน์และคงที่ แต่ หม้อแปลงแบบปรับกระแส ต้องสามารถรองรับกระแสข้างรองที่สูงมากในขณะที่แรงดันต่ำ รูปคลื่นกระแสที่ไม่ใช่คลื่นไซน์ และรอบการทำงานที่มักดำเนินต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง ในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส สายเดียวอาจดึงกระแสหลายหมื่นแอมแปร์ที่แรงดันกระแสตรงเพียงไม่กี่ร้อยโวลต์ ความหนาแน่นของกระแสในขดลวดข้างรอง การเชื่อมต่อของบัสบาร์ และการป้องกันฝาครอบถัง ล้วนต้องออกแบบโดยคำนึงถึงข้อเท็จจริงนี้เป็นหลัก ไม่ใช่ตามเกณฑ์ของสายจ่ายไฟแบบ 480 โวลต์ทั่วไป

ส่วนนี้คือสิ่งที่ผู้ซื้อส่วนใหญ่มักมองข้าม ค่า kVA ที่ระบุบนป้ายชื่อของ หม้อแปลงแบบปรับกระแส เป็นเพียงส่วนหนึ่งของเรื่องราวเท่านั้น ตัวขับเคลื่อนการออกแบบที่แท้จริงคือแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) และกระแสไฟฟ้าของกระบวนการ จำนวนพัลส์ของเรกติไฟเออร์ และฮาร์โมนิกส์ที่โหลดส่งกลับเข้าสู่เครือข่ายกระแสสลับ (AC) การเปลี่ยนแปลงใด ๆ หนึ่งในสามปัจจัยนี้จะทำให้คุณระบุหม้อแปลงที่ต่างออกไป

 

เหตุใดการออกแบบแบบ 12 พัลส์จึงเปลี่ยนเกม

ฮาร์โมนิกส์คือสาเหตุ หม้อแปลงเรกติไฟเออร์แบบ 12 พัลส์ มีอยู่หลายแบบ การใช้เรกติไฟเออร์แบบ 6 พัลส์จะสร้างฮาร์โมนิกส์เฉพาะที่มีลำดับ 6k±1 — โดยฮาร์โมนิกส์อันดับที่ 5 และ 7 มีขนาดใหญ่ที่สุด — และค่ารวมของกระแสขาเข้า (THD) การบิดเบือนฮาร์มอนิก โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างร้อยละ 25 ถึง 35 ที่โหลดเต็ม บนเครือข่ายที่มีความแข็งแกร่งต่ำ ระดับดังกล่าว การบิดเบือนฮาร์มอนิก จะทำให้เกิดความล้มเหลวของธนาคารตัวเก็บประจุ กระแสเกินในสายกลาง และบทลงโทษจากผู้ให้บริการสาธารณูปโภค

การจัดเรียงแบบ 12-pulse ใช้สะพานไดโอดแบบ 6-pulse สองชุดที่จ่ายไฟจากหม้อแปลงที่มีขดลวดรองสองชุด ซึ่งมีเฟสต่างกัน 30 องศาทางไฟฟ้า — หนึ่งชุดต่อกันแบบ delta อีกชุดต่อกันแบบ wye กระแสฮาร์โมนิกอันดับที่ 5 และ 7 จะหักล้างกันที่ขั้วหม้อแปลง ส่วนฮาร์โมนิกที่ยังคงเหลืออยู่มากที่สุดคืออันดับที่ 11 และ 13 และค่า THD ของกระแสจะลดลงเหลือประมาณ 10–15% สำหรับการลดค่า THD ให้ต่ำที่สุด แบบ 24-pulse ที่มีการเลื่อนเฟส 15 องศาจะทำให้ค่า THD ลดลงต่ำกว่าหนึ่งหลัก

ข้อแลกเปลี่ยนเหล่านี้มีจริง และมีการบันทึกไว้อย่างชัดเจน การศึกษาเมื่อปี ค.ศ. 2021 ที่ตีพิมพ์โดย MDPI เปรียบเทียบหน่วยหม้อแปลงแบบ 12-pulse แบบดั้งเดิมกับเวอร์ชันที่ใช้หม้อแปลงอัตโนมัติ และแสดงให้เห็นว่าการเลือกแบบแม่เหล็กส่งผลต่อขนาด ความสูญเสีย และความต้องการตัวกรองอย่างไร — ควรอ่านก่อนตัดสินใจเลือกโครงสร้างวงจรอย่างถาวร เอกสารฉบับเก่าแต่ยังคงถูกอ้างอิงบ่อยครั้งของ IEEE ก็ทำการเปรียบเทียบแบบเดียวกันนี้สำหรับหม้อแปลงเรกติไฟเออร์แบบ 12-pulse และ 24-pulse ที่ใช้ในสถานีจ่ายไฟสำหรับระบบขนส่งมวลชน ทั้งสองเอกสารเน้นประเด็นเดียวกัน: จำนวน pulse เป็นการตัดสินใจระดับระบบ ไม่ใช่เพียงแค่ส่วนประกอบเสริม

 

ข้อกำหนดที่แท้จริงซึ่งมีความสำคัญ

เมื่อคุณเขียนคำขอเสนอราคา (RFQ) ฉบับถัดไป ให้จัดทำตารางข้อมูลทางเทคนิคโดยยึดพารามิเตอร์เหล่านี้เป็นหลัก

พารามิเตอร์	กำหนดรายละเอียดอย่างไร	เหตุ ใด จึง สําคัญ
กำลังที่กำหนดไว้ (kVA/ MVA)	คำนวณจากแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC volts) × กระแสไฟฟ้ากระแสตรง (DC amps) ÷ ประสิทธิภาพ ไม่ใช่จากแนวปฏิบัติแบบกระแสสลับ (AC)	โหลดกระแสตรงมีค่าเพาเวอร์แฟกเตอร์และฟอร์มแฟกเตอร์ที่ห่างไกลจาก 1.0
แรงดันและกระแสไฟฟ้าข้างรอง	แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่ระบุไว้สำหรับกระบวนการ	ความหนาแน่นของกระแสในขดลวดไดรฟ์และการออกแบบบัสบาร์
อุปทาน	โดยทั่วไปอยู่ที่ 5–8%	จำกัดกระแสลัดวงจร; หากต่ำเกินไปจะทำให้เรกติไฟเออร์รับภาระมากเกินไป
ความร้อนเพิ่มขึ้น	อุณหภูมิสูงสุดของน้ำมันที่ผิวบน 65 เคลวิน สำหรับหม้อแปลงแบบจุ่มน้ำมัน	โพรไฟล์โหลดแบบกระแสตรงที่หนักจะเพิ่มการสูญเสียแบบรั่วไหล
ขดลวดและฉนวนกันความร้อน	ทองแดงเทียบกับอลูมิเนียม ระดับฉนวนกันความร้อน	อายุการใช้งานภายใต้ภาวะโหลดเกินอย่างต่อเนื่อง
สวิตช์เปลี่ยนขั้ว	ไม่มีโหลดหรือมีโหลด (OLTC)	เซลล์อิเล็กโทรไลซิสต้องการการควบคุมแรงดันกระแสตรงอย่างแม่นยำ
ข้อกำหนดด้านฮาร์โมนิก	ค่า THD เป้าหมายหรือค่า K-factor ตามมาตรฐาน IEEE 519	ระบุว่าคุณต้องใช้แบบ 6-, 12- หรือ 24-pulse

ตัวเลขหนึ่งที่ควรจดจำ: สำหรับหม้อแปลงแบบจุ่มในน้ำมัน หม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส เมื่อใช้งานแบบต่อเนื่องด้วยกระแสตรง (DC) ที่โหลดเต็ม ค่าอุณหภูมิของน้ำมันสูงสุดเพิ่มขึ้น 65 เคลวิน จะเหลือขอบเขตความร้อนสำรองไว้น้อยมากสำหรับฮาร์โมนิกส์ หากกระบวนการใช้งานหน่วยนี้เกิน 80% ของค่ากำลังที่ระบุบนป้ายชื่อเป็นเวลานาน ควรขอการคำนวณค่าการสูญเสียจากสนามแม่เหล็กรั่ว (stray-loss) ที่ระบุไว้ในรายงานการออกแบบ ความล้มเหลวส่วนใหญ่ที่เราพบในภาคสนามมักเกิดจากฮาร์โมนิกส์ที่ไม่มีการระบุไว้ในข้อกำหนด ไม่ใช่จากค่ากิโลโวลต์-แอมแปร์ (kVA)

 

จุดที่ผู้ซื้อมักเข้าใจผิด

หลังจากเสนอราคาหน่วยเหล่านี้มาเป็นเวลาสิบห้าปี ข้อผิดพลาดเดิมๆ ก็ยังคงเกิดซ้ำอยู่เสมอ

• การระบุข้อกำหนดโดยอ้างอิงจากป้ายชื่อของระบบกระแสสลับ (AC) นิสัยการระบุค่ากำลัง 1,000 กิโลโวลต์-แอมแปร์สำหรับหม้อแปลงแบบจ่ายไฟทั่วไป ถูกนำมาใช้กับกระบวนการกระแสตรง (DC) ซึ่งแท้จริงแล้วต้องการหม้อแปลงที่สามารถให้กำลังได้ถึง 1,400 กิโลโวลต์-แอมแปร์ เมื่อนำผลกระทบของฮาร์โมนิกส์และค่าแฟกเตอร์รูปคลื่น (form factor) มาพิจารณาด้วย
• การละเลยข้อจำกัดของค่าความผิดเพี้ยนรวมของแรงดัน (THD) ที่บริษัทจำหน่ายไฟฟ้ากำหนด ข้อกำหนดที่จุดเชื่อมต่อระบบ (PCC) จะเป็นตัวกำหนดจำนวนพัลส์ (pulse number) หากข้อบังคับของระบบส่งไฟฟ้าระบุว่าค่า THD ของแรงดันต้องไม่เกินร้อยละ 5 แต่ท่านเลือกใช้ระบบเรกติไฟเออร์แบบ 6-pulse ปัญหาที่เกิดขึ้นจะต้องได้รับการแก้ไขโดยท่านเอง ไม่ใช่โดยบริษัทจำหน่ายไฟฟ้า
• การลืมพิจารณาระยะความยาวของสายเคเบิลและบัสบาร์ ระยะทางของสายไฟกระแสตรง (DC) ที่ยาวระหว่างหม้อแปลงกับเรกติไฟเออร์ จะเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำ (inductance) และทำให้เกิดการตกของแรงดัน (voltage drop) ซึ่งหม้อแปลงใดๆ ก็ไม่สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้
• การถือว่ารายงานการทดสอบเป็นเพียงเอกสารทั่วไป การทดสอบการเพิ่มอุณหภูมิด้วยโปรไฟล์โหลดจริง ไม่ใช่เพียงค่าที่รับประกันไว้เท่านั้น คือเอกสารเดียวที่พิสูจน์ได้ว่าอุปกรณ์สามารถทำงานได้ตามภาระงานของท่าน

นี่คือตัวอย่างจริงจากโรงงานของเรา ลูกค้าในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ที่ดำเนินสายการผลิตด้วยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส เดิมสั่งซื้อหน่วยแบบ 6-pulse ที่กระแสตรง 45 kA แต่ระหว่างการทบทวนการออกแบบ เราได้แจ้งเตือนเกี่ยวกับการคาดการณ์ค่า THD และคำสั่งจึงเปลี่ยนมาเป็น หม้อแปลงเรกติไฟเออร์แบบ 12 พัลส์ หน่วยแบบ 12-pulse ที่มีขดลวดรองคู่ที่ถูกเลื่อนเฟส 30° ผลการทดสอบการยอมรับจากบริษัทจำหน่ายไฟฟ้าผ่านในการทดลองครั้งแรก ค่าพรีเมียมสำหรับการจัดเรียงแบบ 12-pulse นี้คืนทุนแล้วจากการหลีกเลี่ยงค่าปรับ ก่อนถึงรอบการบำรุงรักษาครั้งแรก

 

สิ่งที่ผู้ผลิตที่จริงจังควรจัดให้

เอ หม้อแปลงแบบปรับกระแส คือผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบเฉพาะ ผู้จัดจำหน่ายที่จริงจังควรสามารถมอบเอกสารต่อไปนี้ให้ท่านได้โดยไม่ต้องขอซ้ำสามครั้ง: รายงานการคำนวณการออกแบบ บันทึกผลการทดสอบการเพิ่มอุณหภูมิภายใต้โปรไฟล์โหลดของท่าน ข้อมูลผลการทดสอบการปล่อยประจุบางส่วน ข้อมูลนำเข้าสำหรับการศึกษาฮาร์โมนิก และเอกสารรับรอง — เช่น UL, CSA หรือ IEC ตามที่ตลาดของท่านกำหนด

ที่ไรอัน อิเล็กทริก เราผลิต หม้อแปลงจุ่มน้ำมัน หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดสูงสุดถึง 200 MVA และหม้อแปลงแบบแห้ง (dry type) ที่โรงงานของเราซึ่งมีพื้นที่ 120,000 ตารางเมตร โดยมีสิทธิบัตรด้านการออกแบบขดลวดและระบบป้องกันรวมทั้งหมด 37 ฉบับ ในฐานะ อีตัน พันธมิตรร่วมทุนตั้งแต่ปี ค.ศ. 2023 เราได้รับการเข้าถึงเทคโนโลยีส่วนประกอบและวิศวกรรมระบบป้องกันของอีตันโดยตรง และห้องปฏิบัติการทดสอบของเราดำเนินการตรวจสอบอุณหภูมิสูงสุด การปล่อยประจุบางส่วน (partial discharge) และการทนต่อกระแสลัดวงจรก่อนจัดส่งสินค้าทุกชิ้น สำหรับโครงการในอเมริกาเหนือ มีตัวเลือกที่ผ่านการรับรองตามมาตรฐาน UL และ CSA; ส่วนการใช้งานในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสและขับเคลื่อนด้วยกระแสตรง (DC drive) เรามักจัดหาหม้อแปลงแบบ 12-pulse และ 24-pulse พร้อมข้อมูลการสูญเสียแบบไม่ตั้งใจ (stray-loss data) ที่มีเอกสารรับรอง

 

 

ส่งโปรไฟล์โหลดกระแสตรง (DC Load Profile) ของคุณมาให้เรา

วิธีที่เร็วที่สุดในการขอใบเสนอราคาที่ถูกต้องคือการส่งโปรไฟล์โหลดกระแสตรง (DC load profile) มาให้เรา — ไม่ใช่ข้อมูลจากป้ายชื่อหม้อแปลง (nameplate) ที่คุณคิดว่าต้องการ: ได้แก่ แรงดันกระแสตรง (DC voltage) และกระแสไฟฟ้า (current) ที่กำหนดไว้, รอบการทำงาน (duty cycle) (จำนวนชั่วโมงต่อวันและสัดส่วนโหลด), จำนวนคลื่นพัลส์ของเรกติไฟเออร์ (rectifier pulse number) หรือเป้าหมายด้านฮาร์โมนิก, อุณหภูมิแวดล้อม, และรหัสโครงข่ายไฟฟ้า (grid code) ที่สถานที่ติดตั้งต้องปฏิบัติตาม ไม่ว่าโครงการนั้นจะเป็น หม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส สำหรับเตาหลอมหรือชุดเรกติไฟเออร์แบบคอมแพกต์ที่ใช้ในสายชุบโลหะ ข้อมูลดังกล่าวเพียงอย่างเดียวก็เพียงพอแล้วสำหรับวิศวกรของเราในการจัดทำแบบขดลวด คาดการณ์การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ และกำหนดตารางเวลาที่เป็นไปได้จริง

ส่งพารามิเตอร์มาให้เรา ryan-transformers.com แล้วเราจะตอบกลับด้วยข้อเสนอเชิงเทคนิคภายในห้าวันทำการ — รวมถึงคำถามที่คุณลืมถามด้วย

เกี่ยวกับผู้เขียน: บทความนี้เขียนโดยทีมวิศวกรของ Ryan Electric ซึ่งเป็นพันธมิตรร่วมทุนกับ Eaton และผู้ผลิตหม้อแปลงที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน UL/CSA ตั้งอยู่ที่มณฑลเจียงซู ประเทศจีน โดยให้บริการโครงการอิเล็กโทรไลซิส โครงการชุบโลหะ โครงการขับเคลื่อนระบบราง และโครงการขับเคลื่อนกระแสตรง (DC drive) ทั่วอเมริกาเหนือ อเมริกาใต้ เอเชียตะวันออกเฉียงใต้ และตะวันออกกลาง