Yüksek Gerilimli Elektronik Dönüşüm Cihazlarının Ana Teknolojileri ve Zorlukları

Geleneksel güç transformatörleri, sensörlerinden kaynaklanan doğal sorunlarla karşı karşıyadır. Kritik olarak, bu transformatörler enerji santrallerinin izlenmesi, kontrolü ve korunması (örneğin, arıza kaydı, güvenlik kontrolü) için hayati öneme sahiptir. Ancak, bilgi taşıyıcıları yoluyla büyük elektrik enerjisinin iletimi ve dijital sistemlerden gelen dijital sinyal çıktısının eksikliği, ikincil iletişim karmaşık hale getirmektedir. Karmaşık ikincil kablaj, mikrobilgisayarların yüksek güvenilirliğini telafi eder, koruma ve ikincil cihazları basitleştirir. Bu yenilik, ikincil ekipmanları sistemlere entegre edecek, alt istasyonun dijitalleşmesini/bilgisayarlaşmasını hızlandıracak ve güç sistemi otomasyonunu/korumasını dönüştürecektir.

Elektronik transformatörler optik iletim izolasyonu ile ilgilenir, ancak sinyal kaydı/iletimi için yüksek gerilim hatları, stabil ve güvenilir bir DC gücü gerektirir—bu, fizik kökenli bir teknik zorluktur. Ölçüm yapılan yüksek gerilimli iletken etrafındaki değişken elektromanyetik alan, AC elektromanyetik uyarlamaya dayanarak elde edilebilir (enerji "kendiliğinden uyarılır", ölçüm yapılan nesneden çıkarılır ve kullanılır). Yine de, teknik engeller pahalı yöntemlere (örneğin, lazerler, mikrodalga) güvenmeye zorlar. Bu makale, optik iletişim ve manyetik malzemeleri kapsayan en son elektronik teknoloji aracılığıyla güç kaynağı kendi kendine düzenlemeyi incelemektedir.

1 Hava Çekirdeği Bobini

Bu aşamada, yüksek gerilimli ETA, algılama elemanı olarak hava çekirdeği bobinleri kullanır. Düşük gerilimli yarı iletken lazerler, yüksek gerilimli modüle edilmiş hatlarda optik liflerle beslenerek, gerilim sinyallerini dönüştürür. Ölçülen elektriksel bilgiler (dijital sinyaller olarak giriş verilir) LED'leri çalıştırır ve optik lifler, sinyalleri düşük gerilim tarafına optik darbeler olarak iletir.

Geleneksel transformatör sarımı aksine, hava çekirdeği bobinleri sıkı kurallara uymaktadır: İkincil sarımlar, metaldışı manyetik iskeletler üzerinde (düzenli kesit) eşit olarak dağıtılmıştır; bobinler aynı şekle sahiptir; her sarımın yatay düzlemi, bobin kabuğunun teğetine dik olmalıdır (aksi halde, ölçüm hataları artar). Yarı manuel sarım genellikle pratikte bu kriterlere uymaz, toplu üretim sırasında güç tüketimini artırır. Genellikle, hava çekirdeği bobin yapısı hassaslığının zirvesi %0,1 (ortalama %2)'dir.

Sıcaklıkla ilgili işlemler basittir, ancak IEC standartları, nominal akım altında ikincil çıkış için açık niceliksel gereklilikler belirler—tüm ilk sapmalar ölçüm hatalarına sayılır. Üretimde hava çekirdeği transformatörün parçalanmasının çözümü önemlidir. Direnç etiketleri olan transformatörler, ikincil çıkış için özel onay (Elektrik ve Mekanik Hizmetler Departmanı'ndan) gerektirir, bu da endüstriyelleşmeyi zorlaştırır. Bu nedenle, yeni hava çekirdeği bobin optik sensör yapıları gereklidir. PCB teknolojisi aracılığıyla araştırmacılar, ölçüm doğruluğunu ve istikrarlığını artıran yenilikçi tasarımlar geliştirdi.

2 Geçici Özellikler

Yüksek gerilimli ağlarda, büyük sistem kapasitesi sürekli ve nispeten uzun birincil döngüye yol açar. Geçişler sırasında röle koruması etkinleştirilir, uzun süreli kısa devre akımları ortaya çıkar. Koruma cihazlarının çalışması için transformatörler hafifçe çarpık kalmalı; ikinci çıkış sinyali ilk kesme akımını değiştirir ve belirlenen süre içinde geçici hatalar sınırların üzerinde olmamalıdır. Hava çekirdeği bobin tabanlı elektronik güç transformatörlerinin geçici performansı önemli bir avantajdır.

Bir integratör, sınırlı bir zaman sabiti ile ölçülen elektrik sinyallerini geri kazanır. Devrelerde iot periyodik bileşenleri varsa, hata özellikleri daha çok düşük frekanslara bağlıdır. Düşük frekanslar, izlemeyi iyileştirir ve hataları azaltır (örneğin, bir sistemin 0,5 saniyede açılış elemanının zayıflaması, güç dönüştürücünün düşük frekansının daha iyi sönüm döngüsü izlemesi için 2 Hz'nin altında olması gerektiği anlamına gelir). Hava çekirdeği akım transformatörleri ve integratörler, birincil akım sıfır olduğunda kapanırken, geçici bozulma ve çıkış sinyalinin zayıflaması yavaşlar. Sıfır pozisyon kapatma sistemleriyle uyumsuzluk ölçüm hatalarına neden olur. Bu nedenle, hava çekirdeği transformatör performansı için integratör tasarım ve optimizasyonu kritiktir.

3 Yüksek Gerilim Taraflı Güç Kaynağı

Hava çekirdeği güç transformatörleri, yüksek gerilimde birincil iletkenlerden enerji çeken "enerji alıcı güç kaynaklarını" kullanır. Elektronik devreler güç sağlar, ancak çok düşük birincil akımlar (örneğin, nominal akımın %5 veya daha azı), akım dönüştürücülerinin normal uyarlamayı sürdürmesini veya enerji iletmeyi önler, bu da bir güç ölü bölgesi oluşturur. Düşük taraflı yarı iletken lazerlerin yüksek gerilimli modülasyon devreleri için optik lif güç tasarımında yüksek güç tüketimi (%60 mW civarında) ortaya çıkar.

Enerji kullanımı ve performans arasındaki denge kritiktir: %30 fotoelektrik dönüşüm verimliliği ile yarı iletken lazerler en az 180 mW çıkışa ihtiyaç duyar—bu, ömrünü kısaltır ve maliyeti artırır. Hibrit enerji taşıyıcıları bu sorunu çözer: KT, yüksek birincil akımlar için güç sağlar; lazer tabanlı kaynaklar, düşük akımlar için ömrü uzatır. Lazerlerin durması durumunda transformatör başarısız olabilir, bu nedenle iki optik modülatör ve akıllı kontrol stratejileri (mod geçişini öngörmek ve kısa devreleri yönetmek için) gereklidir, bu ek maliyetler olsa da güvenilir güç sağlar.

4 Güvenilirlik Tasarımı

Elektronik sönükleme, geleneksel sönüklemeden daha iyi performans gösterir, ancak karmaşık teknolojilere (örneğin, teknoloji transferi, yüksek gerilim uzmanlığı) bağımlıdır ve sonunda bunları değiştirir. Fazlalık, güvenilirliği artırır: koruma kanalları çift fazlalık hava çekirdeği bobinleri ve dönüştürücüleri kullanır. Ana araçlar (örneğin, güç modülü dönüştürücüleri) basit otomasyona ihtiyaç duyar. Koruma önlemleri, ATM koruma kanallarındaki örnek alma döngüleri üzerinde kısa devre etkilerini ve yüksek performanslı lazerleri ele alır. Yüksek performanslı lazerler operatör riskleri taşır, ancak güç modüllerle birlikte kapatılarak tehlikeler önlenir.