Korkeajänniteelektronisten muuntimien keskeiset teknologiat ja haasteet

Perinteisillä sähkömuuntimilla on luontaisia ongelmia sensoreihin liittyen. Kriittisesti ne ovat olennaisia sähkövoimaloiden valvonnalle, ohjaukselle ja suojalle (esim. vika-merkintät, turvallisuusohjaus). Suuren sähköenergian siirtäminen tietokanavien kautta ja digitaalisten järjestelmien puute oman digitaalisen signaalin tuottamisessa monimutkaistavat toissijaisia viestintöjä. Monimutkainen toissijainen johtaminen korvaa mikrotietokoneiden korkean luotettavuuden, yksinkertaistaen suojauksen ja toissijaiset laitteet. Tämä innovaatio integroi toissijaiset laitteet järjestelmiin, nopeuttaen alustan digitalisaatiota/tietokoneistumista ja muuttaen sähköverkon automatisointia/suojaa.

Sähköiset muunnin käsittelevät optista siirron eristyksen, mutta signaalin tallentamiseen/siirtämiseen tarkoitettujen korkean jännitteen linjojen tarvitsevat vakaita, luotettavia jatkuvajännite-voimantiloja – tämä on keskeinen tekninen haaste fysiikasta peräisin. Muuttuva sähkömagneettinen kenttä mitattavan korkean jännitteen johtimen ympärillä, saavutettavissa sähkömagneettisen induktiivisuuden kautta, on ideaali (energia on "itse stimuloinen", poimitaan ja käytetään mitatuille kohteille vaihtovirtasähkömagneettisen stimulaation pohjalta). Silti tekniset esteet pakottavat kalliisiin menetelmiin (esim. lasertekniikka, mikroaalto). Tämä artikkeli tutkii voimantilanteen itse säätelyä modernin elektronisen tekniikan avulla, kattaa optisen kommunikaation ja magneettiset materiaalit.

1 Ilmakertymainen spiraali

Tässä vaiheessa korkean jännitteen ETA käyttää ilma-kertymainen spiraaleja sensorina. Matalajännite-mikrolaserit, joita optiset kaapeliin korkean jännitteen moduloiduilla linjoilla voitetaan, muuntavat jännitesignaaleja. Mitatun sähköisen tiedon (syötetty digitaalisina signaaleina) ajama LED:t, optiset kaapelit siirtävät signaaleja matalajännitteen puolelle optisina pulssina.

Perinteisiin muuntimien kierron verrattuna ilma-kertymainen spiraalit noudattavat tiukkoja sääntöjä: Toissijaiset kierron jakautuvat tasaisesti metallisilla magneettisilla ruumiilla (tasainen leikkaus); spiraalit jakavat saman muodon; kukin kierron vaakasuora taso on asetettava kohtisuorasti spiraalikuoren tangenttiin (muuten mittausvirheet kasvavat). Puolimanuaalinen kierron usein epäonnistuu näitä kriteereitä käytännössä, lisäämällä energiankulutusta massatuotannossa. Yleensä ilma-kertymainen spiraalirakenne tarkkuus huipussa 0,1% (keskimäärin 2%).

Vaikka lämpötilaan liittyvä toiminta on yksinkertaista, IEC-standardit edellyttävät selkeitä kvantitatiivisia vaatimuksia toissijaiselle tulokselle nimellisessä virrassa - kaikki alkuperäiset poikkeamat lasketaan mittausvirheitä. Ratkaiseminen ilma-kertymainen muuntimen atomisointi tuotannossa on ratkaiseva. Muunnin vastuumerkit tarvitsevat erityistä hyväksyntää (sähkö- ja mekaniikkapalveluiden osastolta) toissijaiselle tulokselle, estäen teollistumista. Siksi uusia ilma-kertymainen spiraali-optiset anturirakenteita tarvitaan. PCB-teknologian avulla tutkijat kehittivät innovatiivisia suunnitelmia, parantamalla mittaus tarkkuutta ja vakautta.

2 Transient ominaisuudet

Korkean jännitteen verkossa, suuri järjestelmän kapasiteetti johtaa pitkään, suhteellisen pitkään ensimmäiseen sykliseen. Välityssuojauksen aktivoituu siirtymäajoissa, pitkäkestoisilla lyhytkiertosähkövirroilla. Varmistaa suojalaitteiden toiminnan, muuntimet on pysyttää hieman vääristyneinä; toinen ulostulo signaali korvaa ensimmäisen katkaisuvirran, ja tilapäiset puutteet asetettuun aikaan eivät saa ylittää rajoja. Ilma-kertymainen spiraali-pohjaisen elektroniikan muuntimen tilapäinen suorituskyky on keskeinen vahvuus.

Integroija, rajatulla aikavakiolla, palauttaa mitatut sähkösignaalit. Jos piirissä on jodi-aikaisia komponentteja, virheominaisuudet riippuvat enemmän matalista taajuudesta. Alemmat taajuudet parantavat seurantaa ja vähentävät virheitä (esim. järjestelmän avaajan heikentyminen 0,5 sekunnissa vaatii voimansiirron matalan taajuuden pysyä alle 2 Hz:n paremmaksi vaimennyksen syklin seuraamiseksi). Hitaampi tilapäinen hajoaminen ja ulostulo signaalin heikkeneminen tapahtuu kun ilmakertymainen sähkövirtamuunnin ja integroija suljetaan nollan ensimmäisen virran. Epäyhteensopivuus nollasijan suljetun järjestelmän kanssa aiheuttaa mittausvirheitä. Siksi integroijan suunnittelu ja optimointi ovat olennaisia ilma-kertymainen muuntimen suorituskyvylle.

3 Korkean jännitteen puolen voimantila

Ilmakertymainen voimamuunnin käyttää "energiavarmuus" voimantileja vedävän energiaa ensimmäisen johtimen korkean jännitteen. Elektroniset piirit tarjoavat voimantilan, mutta hyvin matala ensimmäinen virrat (esim. ≤5% nimellinen virra) estävät virransiirtojen ylläpitämästä normaalia intohimoa tai siirtämästä energiaa, luoden voiman kuolleelle alueelle. Suunnittelu optisia kaapeleita matalan puolen mikrolaserien korkean jännitteen modulaatiopiireihin kohtaa korkean energiankulutuksen (≈60mW).

Energiankäytön ja suorituskyvyn tasapainottaminen on keskeistä: 30% fotoelektrinen muuntaminen tehokkuuden, mikrolaserit tarvitsevat vähintään 180mW ulostuloa - lyhentää niiden elinkaarta ja nostaa kustannuksia. Hybridien energiantoimittajien ratkaiseminen: KT toimittaa voimantilan korkean ensimmäisen virran; laseripohjaiset toimittajat pidentävät elinkaarta matalan virran. Luottaminen laseriin riski muuntimen epäonnistuminen, jos ne lopetetaan, joten kaksi optista modulaattoria ja älykkäät ohjausstrategiat (ennustaa tilan vaihtoa ja käsittelee lyhytkierroksia) tarvitaan, lisää kustannuksia, mutta varmistaa luotettava voima.

4 Luotettavuuden suunnittelu

Elektroniset tynnyrit ylittävät perinteiset, mutta perustuvat monimutkaisiin tekniikoihin (esim. teknologian siirto, korkean jännitteen asiantuntemus), lopulta korvaavat ne. Lisävarusteet parantavat luotettavuutta: suojakanavat käyttävät kaksois-toissijaisia ilma-kertymainen spiraaleja ja muuntimia. Avain työkalut (esim. voimansiirto-moduulin muuntimet) tarvitsevat yksinkertaista automaatiota. Suojatoimet käsittelevät lyhytkiertosähkövirroilla näytepiirien ja korkean suorituskyvyn laserien ATM-suojakanavissa. Korkean suorituskyvyn laserit aiheuttavat operaattorien riskit, mutta ne sulkeutuvat voimansiirto-moduuleilla estääkseen vaarat.