Αμορφό σύνθετο εξαρτημένο μετατροπέας εφαρμογής στο σύστημα ενεργείας METRO
Τα τελευταία χρόνια, με τη γρήγορη ανάπτυξη της κλίμακας των αστικών σιδηροδρομικών μεταφορών στην Κίνα, η ενεργειακή και φωτιστική φορτία των μετρό έχει αυξηθεί γρήγορα, και το πρόβλημα της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται από τις δικές τους απώλειες των διανεμητικών μετατροπείς έχει γίνει όλο και πιο οξύ. Στο πλαίσιο της εθνικής προώθησης της εξοικονόμησης ενέργειας και της προστασίας του περιβάλλοντος, οι μετατροπείς με πυρήνες αμορφών συνθέτων, που χρησιμοποιούν λωρίδες αμορφών συνθέτων με εξαιρετική μαγνητική διαχειριζόμενη ως μαγνητικό υλικό, έχουν επιτύχει σχετικά χαμηλές απώλειες κενής φορτίας και ρεύματα κενής φορτίας, και έτσι έχουν γίνει μία από τις κατευθύνσεις ανάπτυξης των εξοικονομητικών μετατροπέων. Με βάση τη γραμμή 14 του Μετρό της Πεκίνου, αυτό το έγγραφο ξεκινά από τις αρχές, τις δομές και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των ξηρών μετατροπέων με πυρήνες αμορφών συνθέτων (επισήμως "ξηροί μετατροπείς αμορφών"), περιγράφει σύντομα τα αποτελέσματα εφαρμογής στο χώρο και προτείνει σχετικές προτάσεις για μακροπρόθεσμη λειτουργία, με στόχο να παρέχει αναφορές και εμπειρίες για την επιλογή και εφαρμογή μετατροπέων στα μετρό.
Δομή και Λειτουργική Αρχή των Ξηρών Μετατροπέων Αμορφών
Δομή των Ξηρών Μετατροπέων Αμορφών
Οι μετατροπείς με πυρήνες αμορφών συνθέτων επιλέγουν έναν αμορφό σύνθετο με μαλακά μαγνητικά χαρακτηριστικά ως υλικό πυρήνα. Διαθέτει υψηλή επίπεδη μαγνητική επίδραση, υπερ-χαμηλές απώλειες, χαμηλό εναρμονικό ρεύμα και χαμηλή αναγκαστικότητα, και είναι ένας εξοικονομητικός και φιλικός προς το περιβάλλον μετατροπέας με καλή σταθερότητα. Οι ξηροί μετατροπείς αμορφών συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά των ξηρών μετατροπέων με εποξυδική καστική, όπως χαμηλή περιεχόμενη υποχλωρίδιο, αντιπυρικότητα, χαμηλή παραγωγή καπνού και αυτοσβέστηκη, με τα πλεονεκτήματα χαμηλών απωλειών των λωρίδων αμορφών συνθέτων, επιτρέποντάς τους να εξυπηρετούν καλύτερα τις ανάγκες δημόσιων περιβάλλοντων όπως τα μετρό.
Οι λωρίδες αμορφών συνθέτων είναι ένα είδος λεπτών (με πάχο περίπου 0,03 mm) και ευάλωτων μαγνητικών υλικών. Επομένως, είναι λογικό να σχεδιαστούν σε μια δομή πυρήνα με περιτριγυρισμένη δομή. Σήμερα, οι δομές των ξηρών μετατροπέων αμορφών με εποξυδική καστική κατανέμονται σε δύο κατηγορίες, δηλαδή, τη δομή τριφασικού τριπλού στήριγμα και τη δομή τριφασικού πενταπλού στήριγμα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Ο πυρήνας της δομής τριφασικού πενταπλού στήριγμα σχηματίζεται από την ενώση τεσσάρων πλαισίων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2a; ο πυρήνας της δομής τριφασικού τριπλού στήριγμα σχηματίζεται από την ενώση τριών πλαισίων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2b. Επειδή η τομή του πυρήνα των μετατροπέων αμορφών συνθέτων είναι ορθογώνια, οι κύκλοι υψηλής και χαμηλής τάσης σχεδιάζονται συνήθως σε ορθογώνια δομή με στρογγυλά γωνίες. Επίσης, επειδή η πυκνότητα μαγνητικού ρομπού και ο παράγοντας στρώσεων του πυρήνα αμορφών συνθέτων είναι χαμηλότεροι από εκείνους των πλακών σιλικιού, το όγκος του πυρήνα αμορφών συνθέτων είναι πολύ μεγαλύτερος από εκείνον ενός πυρήνα πλακών σιλικιού της ίδιας ικανότητας. Οι ξηροί μετατροπείς αμορφών σε μια συγκεκριμένη γραμμή μετρό χρησιμοποιούν ένα σχεδιασμό πυρήνα τριφασικού πενταπλού στήριγμα, που έχει τα πλεονεκτήματα καλής θερμοκρασικής απόδοσης, συμπαγούς συνολικής δομής και σχετικά μικρού όγκου.
Λειτουργική Αρχή των Ξηρών Μετατροπέων Αμορφών
Τα κρύσταλλα του υλικού πυρήνα αμορφών συνθέτων, το σιλικιό, είναι πιο ευνοϊκά για μαγνητοποίηση και απομαγνητοποίηση λόγω της δομής και των χαρακτηριστικών τους. Ένας τυπικός αμορφός σύνθετος περιέχει περίπου 80% σίδηρο, με άλλα κύρια συστατικά υλικά όπως το σίλικον και το βόριο. Πολλές δοκιμές έχουν δείξει ότι η θερμοκρασία κρυσταλλοποίησης του αμορφού συνθέτου είναι 550°C, ενώ η θερμοκρασία Curie είναι περίπου 415°C. Αυτές οι θερμοκρασίες μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις για την επεξεργασία του αμορφού συνθέτου, την ανάκαμψη μετά τη σχηματοποίηση του πυρήνα, την κανονική λειτουργική θερμοκρασία και τη θερμοσταθερή θερμοκρασία κατά τις σύντομες συνδέσεις, έτσι δεν υπάρχουν ζητήματα στην εφαρμογή των ξηρών μετατροπέων αμορφών.
Παίρνοντας ως παράδειγμα έναν τριφασικό, τετραπλό, πενταπλό μετατροπέα αμορφών συνθέτων, αφού κάθε περιειλημμένος είναι περιτεταγμένος σε δύο πλαίσια με ανεξάρτητες μαγνητικές διαδρομές, ο μαγνητικός ρομπός κάθε πλαισίου αποτελείται από βασικό-κύμα μαγνητικό ρομπό και κάποιο τρίτο αρμονικό μαγνητικό ρομπό. Το πηλίκο του τρίτου αρμονικού προς το βασικό-κύμα εξαρτάται από την επιθυμητή πυκνότητα μαγνητικού ρομπού. Ωστόσο, οι τρίτοι αρμονικοί μαγνητικοί ρομποί στα δύο πλαίσια πυρήνα ενός περιειλημμένου είναι αντίθετοι σε φάση και ίσοι σε τιμή. Συνεπώς, ο τρίτος αρμονικός μαγνητικός ρομπός σε κάθε περιειλημμένο είναι μηδενικός. Όταν ο κύκλος υψηλής τάσης είναι συνδεδεμένος σε διαδρομή τριγώνου (D), υπάρχει μια διαδρομή για το τρίτο αρμονικό ρεύμα στον κύκλο. Συνεπώς, συνήθως δεν υπάρχει συνιστώσα τρίτου αρμονικού τάσης στην επικαλυμμένη δευτερογενή τάση. Ωστόσο, οι απώλειες κενής φορτίας σε κάθε πλαίσιο εξακολουθούν να επηρεάζονται από το τρίτο αρμονικό ρεύμα μέσα σε αυτό. Τα δύο πλευρικά πλαίσια αυτής της δομής μπορούν να παρέχουν μια διαδρομή για την μηδενική σειρά ή υψηλότερους αρμονικούς στον μαγνητικό ρομπό.
Κύρια Τεχνικά Χαρακτηριστικά των Ξηρών Μετατροπέων Αμορφών
Χαρακτηριστικά των Ξηρών Μετατροπέων Αμορφών
Οι λωρίδες αμορφών συνθέτων είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στην πίεση. Μόλις καταστραφούν, δεν μπορούν να επανακατασταθούν. Συνεπώς, κατά τη διαδικασία παραγωγής, πρέπει να εξασφαλίζονται τα εξής δύο σημεία: Πρώτον, ο πυρήνας φέρει μόνο το βάρος του, ενώ το βάρος των κύκλων υψηλής και χαμηλής τάσης υποστηρίζεται από χάλυβα-δομικά στοιχεία όπως την βάση, τα πάνω και κάτω στεγνά στοιχεία. Δεύτερον, η αντοχή σε σύντομη σύνδεση βελτιώνεται μέσω βελτιωμένης δομής σχεδιασμού.
Οι ορθογώνιες δομές των κύκλων των ξηρών μετατροπέων αμορφών δεν υποστηρίζονται ομοιόμορφα όπως οι κυκλικοί κύκλοι. Όταν ο μετατροπέας αντέχει σύντομη σύνδεση, η κατευθυνση του μεγάλου άξονα είναι πιο ευάλωτη σε μεταμόρφωση. Στην πραγματική παραγωγή, οι κύκλοι υψηλής τάσης είναι στεγνές δομές λείτουργων που είναι χαλυβδισμένες με εποξυδική και σταθεροποιημένες στο επίπεδο εποξυδικής. Υπολογισμοί και πρακτικές προσομοιώσεις θερμοκινητικής και δυναμικής σταθερότητας έχουν αποδείξει ότι οι κύκλοι υψηλής τάσης μπορούν να αντέξουν την ηλεκτροδυναμική δύναμη κατά την σύντομη σύνδεση.
Οι κύκλοι χαμηλής τάσης είναι συνήθως περιτεταγμένοι με χάλυβα και έχουν μια θερμοκατεργασμένη εποξυδική τέλος-σφραγίδα, με ελαφρώς χαμηλότερη σταθερότητα. Είναι πιο ευάλωτοι σε μεταμόρφωση κατά την σύντομη σύνδεση, υποβάλλοντας τις λωρίδες αμορφών συνθέτων σε ένταση. Συνεπώς, κατά τη διαδικασία σχεδιασμού, πρέπει να αποφεύγεται μια μεγάλη λόγος μεταξύ των μεγάλων και μικρών άξονων των κύκλων χαμηλής τάσης. Επίσης, κατά τη διαδικασία συναρμολόγησης, πρέπει να τοποθετούνται υποστηρικτικά διαστημάτα μεταξύ του πυρήνα και των κύκλων χαμηλής τάσης για να ενισχύσουν την αντοχή στη σύντομη σύνδεση.
Η θόρυβος ενός μετατροπέα προέρχεται κυρίως από τη μαγνητοστρέβλωση του πυρήνα. Η μαγνητοστρέβλωση των αμορφών συνθέτων είναι περίπου 10% υψηλότερη από τις πλάκες σιλικιού. Συγκρίνοντας τα εθνικά πρότυπα "JB/T 10088 - 2004 Επίπεδα Θορύβου για Μετατροπείς Ισχύος 6 kV - 500 kV" και "GB/T 22072 - 2008 Τεχνικά Παράμετροι και Απαιτήσεις για Ξηρούς Μετατροπέις Με Πυρήνες Αμορφών Συνθέτων", φαίνεται ότι οι απαιτήσεις θορύβου για ξηρούς μετατροπέις με πυρήνες αμορφών συνθέτων στα εθνικά πρότυπα είναι οι ίδιες με εκείνες για τους μετατροπέις με πυρήνες πλακών σιλικιού.
Αυτό αυξάνει τη δυσκολία της κατασκευής ξηρών μετατροπέων αμορφών. Ωστόσο, μέσω του λογικού σχεδιασμού της δομής των ξηρών μετατροπέων αμορφών, ο θόρυβος μπορεί ακόμη να ελεγχθεί εντός των εθνικών προτύπων. Η πυκνότητα μαγνητικού ρομπού είναι ένα σημαντικό παράγοντας που επηρεάζει τον θόρυβο των ξηρών μετατροπέων αμορφών.
Για κάθε αύξηση 0,05 T στην πυκνότητα μαγνητικού ρομπού, ο θόρυβος κενής φορτίας αυξάνεται περίπου κατά 2 dB(A), και ο θόρυβος του μετατροπέα αυξάνεται κατά 5 dB(A)[1]. Συνεπώς, η πυκνότητα μαγνητικού ρομπού των ξηρών μετατροπέων αμορφών πρέπει να επιλεγεί λογικά για να επιτευχθεί η μείωση του θορύβου. Σε κανονικές συνθήκες, μια πυκνότητα μαγνητικού ρομπού λιγότερη από 1,25 T είναι επαρκής για τους ξηρούς μετατροπέις αμορφών.
Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη την ειδική κατάσταση υψηλής πυκνότητας επιβατών στα μετρό, ο επίπεδος θορύβου πρέπει να ελέγχεται ακόμη και χαμηλότερα, και η πυκνότητα μαγνητικού ρομπού επιλέγεται συνήθως να είναι λιγότερη από 1,2 T. Επιπλέον, ο θόρυβος των ξηρών μετατροπέων αμορφών πρέπει να ελαχιστοποιηθεί μέσω της βελτιστοποίησης της δομής. Για παράδειγμα, πρέπει να αφήνεται κατάλληλος χώρος στο πλαίσιο που αποτελείται από τον πυρήνα και τα στεγνά στοιχεία για να αποφευχθεί η υπερβολική ένταση στον
