Kako transformator omogoča spremembo napetosti v elektroenergetskeh sistemih?
Kako preoblikovalniki napetosti omogočajo preoblikovanje napetosti v električnih sistemih?
Preoblikovalniki napetosti so ključni napravi, uporabljene v električnih sistemih za povečevanje ali zmanjševanje napetosti izmenične struje (AC). Preoblikujete električno energijo s enega nivoja napetosti na drugega brez spremembe frekvence, temelječi na principu elektromagnetne indukcije. Preoblikovalniki igrajo ključno vlogo v sistemih prenosa in distribucije električne energije, z izboljšanjem učinkovitosti prenosa, zmanjšanjem izgub in zagotavljanjem varnega in stabilnega delovanja električnih sistemov.
1. Osnovni delovni način preoblikovalnikov
Preoblikovalniki delujejo na osnovi Faradayevih zakonov elektromagnetne indukcije. Njihova osnovna struktura vključuje dva navijanja: primarno navijanje in sekundarno navijanje, obe ovite okoli skupnega železnega jedra. Železano jedro služi za koncentriranje in izboljšanje magnetnega polja, kar izboljša učinkovitost prenosa energije.
Primarno navijanje: Povezan je z virom napajanja in prejme vhodno napetost.
Sekundarno navijanje: Povezan je z opto in posreduje izhodno napetost.
Ko izmenična struja teče skozi primarno navijanje, ustvari spreminjajoče se magnetno polje znotraj železnega jedra. Po Faradayevem zakonu to spreminjajoče se magnetno polje inducira elektromotorni pogoj (EMF) v sekundarnem navijanju, ki na vrsti generira tok. Z prilagajanjem razmerja števila ovitev med primarnim in sekundarnim navijanjem lahko dosežemo preoblikovanje napetosti.
2. Princip preoblikovanja napetosti
Možnost preoblikovanja napetosti preoblikovalnika odvisna je od razmerja števila ovitev med primarnim in sekundarnim navijanjem. Ta odnos je opisan z formulo za razmerje napetosti:
Kjer:
V1 je vhodna napetost primarnega navijanja.
V2 je izhodna napetost sekundarnega navijanja.
N1 je število ovitev v primarnem navijanju.
N2 je število ovitev v sekundarnem navijanju.
Z spreminjanjem razmerja števila ovitev lahko dosežemo različna preoblikovanja napetosti:
Povečevalni preoblikovalniki: Ko je število ovitev v sekundarnem navijanju N2 večje od števila ovitev v primarnem navijanju N1, je izhodna napetost V2 višja od vhodne napetosti V1, torej V2 > V1. Povečevalni preoblikovalniki se uporabljajo za povečevanje nizke napetosti na visoko napetost, običajno v sistemih prenosa električne energije, da se zmanjšajo izgube moči na dolgih razdaljah.
Zmanjševalni preoblikovalniki: Ko je število ovitev v sekundarnem navijanju N2 manjše od števila ovitev v primarnem navijanju N1, je izhodna napetost V2 nižja od vhodne napetosti V1, torej V2 < V1. Zmanjševalni preoblikovalniki se uporabljajo za zmanjševanje visoke napetosti na nizko napetost, običajno v sistemih distribucije, da se pretvorijo visokonapetostne prenosne linije v napetosti, primerne za stanovanjsko in industrijsko uporabo.
3. Močni odnosi v preoblikovalnikih
Po zakonu o ohranitvi energije je vhodna moč in izhodna moč preoblikovalnika skoraj enaka (brez upoštevanja majhnih izgub energije). Močni odnosi v preoblikovalniku lahko izrazimo kot:
Kjer:
I1 je vhodni tok v primarnem navijanju.
I2 je izhodni tok v sekundarnem navijanju.
Ker sta napetost in tok obratno sorazmerna, ko se napetost poveča, se tok zmanjša, in obratno. To pomaga pri zmanjševanju izgub moči v prenosnih linijah, ker so izgube moči sorazmerne s kvadratom toka (Ploss = I2 × R). S povečanjem napetosti se zmanjša tok, s čimer se minimizirajo izgube.
4. Uporaba preoblikovalnikov v sistehmih za prenos električne energije
Preoblikovalniki imajo več ključnih uporab v sistemih za prenos električne energije:
Elektrarne:V elektrarnah je napetost, generirana z turbo-generatorji, tipično nizka (npr. 10 kV). Za zmanjšanje izgub moči med prenosom na dolge razdalje se uporabljajo povečevalni preoblikovalniki, da se napetost poveča na stotine kilovolt (npr. 500 kV) preden se električna energija prenaša po visokonapetostnih prenosnih linijah.
Sistemi prenosa:Visokonapetostne prenosne linije se uporabljajo za prevoz električne energije iz elektrarn do različnih regij. Povečevalni preoblikovalniki so široko uporabljeni v sistemih prenosa, da se poveča napetost, zmanjša tok in minimizira izgube v linijah.
Podstanci:Podstanci so ključni vozlišči med sistemom prenosa in distribucije. Zmanjševalni preoblikovalniki se uporabljajo v podstancih, da se visoka napetost prenosnih linij zmanjša na ravni, primerne za lokalno distribucijo (npr. 110 kV, 35 kV ali 10 kV).
Sistemi distribucije:V sistemih distribucije zmanjševalni preoblikovalniki dodatno zmanjšajo napetost na ravni, primerne za stanovanjsko in industrijsko uporabo (npr. 380 V ali 220 V). Ti preoblikovalniki so običajno nameščeni blizu stanovanjskih območij ali industrijskih objektov, da se zagotovi varno in učinkovito dostavljanje električne energije.
Posebne uporabe:V posebnih aplikacijah, kot so sistema trakcijskega napajanja železnic, medicinska oprema in komunikacijska naprava, se preoblikovalniki uporabljajo za zagotavljanje specifičnih napetost in tokov, ki zagotavljajo pravilno delovanje teh naprav.
5. Vrste preoblikovalnikov
Glede na različne uporabne situacije in značilnosti dizajna se preoblikovalniki lahko razdelijo na več vrst:
Enofazni preoblikovalniki:Uporabljeni v enofaznih AC sistemih, običajno najdeni v stanovanjskih in majhno trgovskih napajanju.
Trofazni preoblikovalniki:Uporabljeni v trofaznih AC sistemih, široko uporabljeni v industrijskih, trgovskih in velikih sistemih prenosa električne energije. Trofazni preoblikovalniki ponujajo večjo kapaciteto prenosa moči in boljšo učinkovitost.
Olični preoblikovalniki:Uporabljajo izolacijsko olje kot hladilno sredstvo in izolacijsko material, primerne za visokokapacitivne in visokonapetostne uporabe. Olični preoblikovalniki ponujajo odlično odvajanje toplote in visoko izolacijsko čvrsto, kar jih čini idealnimi za podstanci in sisteme prenosa.
Suhi preoblikovalniki:Ne uporabljajo tekočih hladilnih sredstev, temveč se zanašajo na naravno hlačenje z zrakom ali prisilno hlačenje z zrakom. Suhi preoblikovalniki so manjši, zahtevajo manj vzdrževanja in so primerne za notranje namestitve in okolja z strogi okoljskimi zahtevami, kot so trgovska zgradba in bolnišnice.
Samopreoblikovalniki:Primarno in sekundarno navijanje delita del istega navijanja, primerne za uporabe, kjer so spremembe napetosti relativno majhne. Samopreoblikovalniki imajo enostavnejšo strukturo in višjo učinkovitost, vendar ponujajo nižjo varnost glede na tradicionalne preoblikovalnike, običajno uporabljajo v specifičnih aplikacijah regulacije napetosti.
6. Prednosti preoblikovalnikov
Visoka učinkovitost:Preoblikovalniki imajo zelo visoko učinkovitost pretvorbe energije, tipično presegajo 95%. Moderni preoblikovalniki uporabljajo napredne materiale in tehnologije, da še bolj izboljšajo učinkovitost in zmanjšajo izgube energije.
Brez gibljivih delov:Preoblikovalniki nimajo gibljivih mehanskih delov, kar pripomore k visoki zanesljivosti, nizkim stroškom vzdrževanja in dolgi servisni življenjski dobi.
Prilagodljiva preoblikovanja napetosti:Z prilagajanjem razmerja števila ovitev lahko preoblikovalniki prilagodljivo povečujejo ali zmanjšujejo napetost, da bi zadovoljili potrebe različnih aplikacij.
Električna izolacija:Preoblikovalniki zagotavljajo električno izolacijo, ki preprečuje neposredni kontakt med krmi, ki delujejo na različnih nivojih napetosti, kar zagotavlja varnost in stabilnost sistema.
Zmanjšane izgube v linijah:S povečanjem napetosti preoblikovalniki značilno zmanjšajo tok v prenosnih linijah, s čimer minimizirajo izgube v linijah in izboljšajo učinkovitost prenosa.
7. Sklep
Preoblikovalniki napetosti omogočajo preoblikovanje napetosti v električnih sistemih na osnovi principa elektromagnetne indukcije. Igrajo ključno vlogo v sistemih prenosa in distribucije, z izboljšanjem učinkovitosti, zmanjšanjem izgub in zagotavljanjem varnega in stabilnega delovanja električnih sistemov. Preoblikovalniki so široko uporabljeni v elektrarnah, sistemih prenosa, podstancih in sistemih distribucije, z zadovoljevanjem raznolikih potreb napetosti in tokov različnih uporabnikov. Glede na uporabo se preoblikovalniki lahko razdelijo na enofazne, trofazne, olične, suhe in samopreoblikovalnike, vsaki ponujajo edinstvene prednosti in so primerne za specifične uporabne situacije.
