Индустриални токоизправители

• Токоизправителят е електрическо устройство, използвано за преобразуване на променливия ток в дадена верига в постоянен
  
  
• Токоизправителите са ключов компонент от захранващите блокове на съвременните електроуреди и електронни системи, като намират изключително широко приложение в индустрията
  
  
• До 2031 г. глобалният пазар на индустриални токоизправители се очаква да нарасне близо един път и половина

Токоизправителят е електрическо устройство, използвано за преобразуване на променливия ток (AC) в дадена верига в постоянен (DC), което позволява на тока да протича през устройството само в една посока. Различен брой диоди или тиристори в схемата на токоизправителя функционират като еднопосочни “клапани”, които коригират посоката на тока. За целта могат да се използват вакуумни тръбни диоди, живачни елементи, медни и селенови оксидни клетки/плочи, полупроводникови диоди, тиристори със силициеви елементи за управление и други полупроводникови превключватели.

Токоизправителите са ключов компонент от захранващите блокове на съвременните електроуреди и електронни системи. Те намират изключително широко приложение в съвременната индустрия, включително като основни компоненти на DC захранващи и високоволтови преносни системи. Важни техни характеристики са пулсациите и шумът на напрежението. В промишлени сценарии тези устройства се специфицират в зависимост от приложеното напрежение, необходимия ток, качеството на електрическата енергия и начина, по който ще бъде организирано управлението. На пазара се предлагат богата гама стандартни и специализирани токоизправителни системи и решения, предназначени за използване в енергетиката, включително в електрически централи и подстанции, в металообработката, минния и стоманодобивния отрасъл, химическата промишленост, отбраната, транспорта, водородната индустрия и т. н. До 2031 г. глобалният пазар на индустриални токоизправители се очаква да нарасне близо един път и половина – от малко над 679 млн. щатски долара през 2022 г. до повече от 967,5 млн. долара.

Специфики и приложения

Промишлените токоизправители са приложими в огромно разнообразие от системи, включително за контрол и управление на електродъгови пещи, електролизьори, подемно-транспортни и асансьорни съоръжения, софтстартери, нагреватели и т. н. Нарастващото търсене на решения за надеждно и ефективно захранване в стоманодобива, ръстът в индустриализацията в редица региони на света и все по-масовото внедряване на интелигентни електроразпределителни мрежи са само част от основните фактори, тласкащи напред развитието на пазара на промишлени токоизправители. Сред водещите клиентски отрасли за този сегмент е и автомобилостроенето и в частност производството на електрически превозни средства, където токоизправители се използват все по-широко в бордови зарядни системи и платформи за управление на батериите, където предпазват електронните компоненти от нежелано обръщане на посоката на захранващото напрежение.

Тези устройства се използват масово и в железопътния сектор. Тяговите токоизправители например използват силициеви диоди и алуминиеви радиатори, за да преобразуват променливия ток в постоянен. С опростена схема и дизайн и естествено охлаждане, тези системи са най-разпространени в отрасъла, тъй като са лесни и евтини за производство, справят се ефективно с претоварвания, отличават се с ниски изисквания за поддръжка и дълъг експлоатационен живот.

В практиката се срещат множество типове индустриални токоизправители, включително с полупроводникови (силициеви) управляващи елементи (SCR), импулсни захранвания/с превключващ режим (SMPS), т. нар. “powerstat” токоизправители (с променлив трансформатор), стъпални токоизправители (с прекъсвач на отклонения, “tapswitch”), с превключващ режим (“switch mode”), с биполярни транзистори с изолиран затвор (IGBT), тиристорни и т. н.

Основна характеристика, по която различните дизайни се отличават помежду си, освен по размер/мащаб и приложение, е охлаждането. В допълнение към споменатото по-горе естествено разсейване на топлината чрез радиатори се използват и механизми за принудително охлаждане, включително чрез вентилатори, водни охладителни системи и т. н. Охлаждащите агрегати могат да бъдат вградени като модули в кутията на токоизправителя или да се инсталират отделно. Промишлените токоизправители традиционно се поместват в здрави и високоустойчиви метални корпуси, които осигуряват защитена (със съответния висок IP клас) среда за електрическите и електронните компоненти във вътрешността на системата.

Особеност на т. нар. “tapswitch” и “powerstat” токоизправители е, че предлагат минимални (а често и никакви) възможности за контрол и регулиране на работните параметри от страна на оператора. Тези устройства обикновено се характеризират с нисък ампераж и пулсации, както и с достъпна цена, но традиционно са скъпи за ремонт и поддръжка. Същевременно при SCR, SMPS и IGBT системите опциите за управление на напрежението позволяват задаване на стойности в целия диапазон от 0 до 100%.

Основни типове токоизправители в индустрията

SCR токоизправителят е полупроводников източник на захранване, който измерва електричеството чрез силициеви диоди, които изпълняват ролята на електрически “клапани”, като работят заедно, за да коригират посоката на тока. Колкото по-дълго са отворени, толкова по-високо е напрежението, излизащо от токоизправителя.
SCR токоизправителите са DC захранвания с променливо напрежение, ниска честота и висока пулсация. Тези системи са издръжливи в индустриални приложения, като в практиката се срещат такива с безпроблемна експлоатация от порядъка на повече от 40 или 50 години. Те позволяват регулиране на работните параметри и се отличават с добра стабилност, осигуряват висока мощност благодарение на големите си медни намотки и позволяват лесно отстраняване на неизправности с добре видимите си и удобни за идентифициране компоненти.

SMPS захранванията с режим на превключване са електронни захранващи системи с функция на токоизправители, които превключват от AC към DC, обратно към AC и след това отново обратно към DC. Всичко това се прави при висока честота, което позволява вътрешните компоненти да бъдат по-малки по размер. Те използват високо първично напрежение, с входни модули от 480 VAC и превключващи напрежения вътре в трансформатора 700 VDC. С по-малки елементи, по-стегнати намотки, по-компактен дизайн и малки толеранси тези прецизни устройства предлагат добра ефективност, като през последните години се възползват от модерни компютърни интерфейси и интуитивни инструменти за управление. Импулсните захранвания се използват в практиката от около 40 години, предимно в по-малки системи, като през последното десетилетие стават популярни и в по-мащабни индустриални приложения.

Високомощните IGBT модули и тиристорните токоизправители също са сред често срещаните в промишления сектор типове. Те са подходящи за големи индустриални системи, както съоръжения за добив на електроенергия, производство на зелен водород, хлоралкални инсталации и други специализирани приложения.

На тяхна база могат да бъдат изграждани цялостни системи с функции на трансформаторни токоизправители с висока мощност, включително напълно интегрирани решения за управление за отделни промишлени единици или цели многоблокови SCADA мрежи. В такива платформи към токоизправителите може да бъде добавено необходимото спомагателно оборудване, например разпределителна апаратура, оборудване за корекция на фактора на мощността, филтри за хармоници, топлообменници и свободностоящи охладителни системи.

IGBT токоизправителите, базирани на технология за високочестотно превключване в модулен дизайн, преобразуват вторичното AC напрежение на трансформатора в регулирано изходно DC напрежение. За по-мащабни енергийни системи се използват голям брой такива модули, за да се постигнат заложените спецификации.
Съвременните индустриални токоизправители могат да бъдат модернизирани със сензорни екрани и тъчскрийн контролери за управление с цел удобно и прецизно регулиране на настройките на напрежението, продължителността на импулсите, времената на цикъл и на престой.

Охлаждане и поддръжка

Токоизправителите в индустрията могат да бъдат с въздушно, водно, маслено или хибридно охлаждане. Повечето производители предлагат системи с въздушно или водно охлаждане. Устройствата от първия тип традиционно се характеризират с по-големи размери на ват мощност, защото се нуждаят от повече повърхностна площ, за да разсейват топлината, докато тези с водно охлаждане могат да бъдат изпълнени и по-компактно.

Въпреки че са изключително издръжливи и дълготрайни, промишлените токоизправители все пак се нуждаят от поддръжка, а нерядко и от ремонт. Повечето проблеми при тези устройства са причинени от прегряване на електрически компоненти, например платки, вследствие на корозия, недобре проектирани охлаждащи линии, грешно инсталиран компонент при предишен ремонт, повреда на лаковото покритие в трансформатора или лоши връзки на шините.

Добрият топлинен мениджмънт е ключов за дългосрочната експлоатация на токоизправителите в индустрията. За целта е необходимо регулярно и при необходимост да се провеждат съответните инспекции и обслужване. На щателни проверки с оглед гарантиране на безопасността подлежат всички основни, както и допълнителни компоненти, като термични сензори, възвратни клапани за водно налягане, сензори за охлаждане, поток, химическо замърсяване и др. За да се предотвратят проблеми с токоизправителя, като загуба на ефективност, повреди или продължителни престои, е важно да се прилагат и програми за цялостно почистване.