تضعیف جریان ورودی ترانسفورماتور ولتاژ متوسط با استفاده از دستگاه کنترلی_SWITCHING_DEVICE
دستگاه‌های کنترل شده در دامنه ولتاژ متوسط
بیش از سه دهه پیش، دستگاه‌های کنترل شده (CSDs) برای کاهش نوسانات تغییر وضعیت ناشی از قطعکننده‌های ولتاژ بالا متصل به رآکتورهای موازی و بانک‌های خازنه اولین بار معرفی شدند. تحقیقات بعدی کاربرد آنها را به خطوط انتقال و ترانسفورماتورهای قدرت گسترش داد. در ابتدا، این دستگاه‌ها با استفاده از قطعکننده‌های مستقل هر فاز (IPO) زمان‌های کنترل شده را بهینه می‌کردند.
اخیراً، افزایش تقاضای جهانی برای انرژی باعث یکپارچه‌سازی منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه‌های توزیع ولتاژ متوسط شده است که نه تنها به سیستم‌های انتقال ولتاژ بالا وابسته است. این تغییر لزوم رسیدگی به مشکلات سقوط ولتاژ ناشی از جریان‌های ورودی غیرکنترل شده در زمان فعالسازی ترانسفورماتورها را ایجاد کرده است.
تجهیزات قطع و گذراندن ولتاژ متوسط معمولاً با سه قطب به طور همزمان عمل می‌کنند که با عملکرد مستقل در کاربردهای ولتاژ بالا متفاوت است. این موضوع نیازمند پیشرفت‌های قابل توجه در فناوری CSD برای مدیریت موثر جریان‌های ورودی ترانسفورماتورها با استفاده از قطعکننده‌های استاندارد با عملکرد همزمان قطب‌ها بود. امروزه این نوآوری نه تنها در نصب‌های انرژی تجدیدپذیر مانند مزارع بادی و گیاهان خورشیدی فتوولتائیک بلکه در سیستم‌های صنعتی و حمل و نقل نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد که در آن کنترل جریان‌های ورودی برای فعالسازی قابل اعتماد ترانسفورماتورهای ولتاژ متوسط و بالا ضروری است.
جریان ورودی در ترانسفورماتورهای ولتاژ متوسط
مقدار جریان ورودی در زمان فعالسازی ترانسفورماتور به طور قابل توجهی تحت تأثیر فلوکس باقی‌مانده در هسته ترانسفورماتور قرار دارد؛ سطوح بالاتر فلوکس باقی‌مانده می‌تواند منجر به جریان‌های ورودی بیشتر در زمان فعالسازی تصادفی شود. استراتژی‌های مؤثر برای کاهش این جریان‌ها ضروری است تا از اختلالات عملیاتی جلوگیری شود و ثبات شبکه تضمین شود.
با اجرای تکنیک‌های کنترل شده پیشرفته، می‌توان این جریان‌های ورودی را به حداقل رساند یا حذف کرد. این روش‌ها نه تنها قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهند بلکه عمر تجهیزات را افزایش می‌دهند، هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهند و کارایی کلی شبکه‌های توزیع ولتاژ متوسط را بهبود می‌بخشند. پذیرش چنین تکنولوژی‌هایی یک پیشرفت کلیدی در تطبیق با نیازهای در حال تغییر شبکه‌های توزیع الکتریکی مدرن است.
رابطه بین فلوکس باقی‌مانده و جریان ورودی ترانسفورماتور
داده‌های میدانی جمع‌آوری شده در زمان کمونیشنگ دستگاه‌های کنترل شده (CSDs) روی قطعکننده‌ها و تجهیزات قطع و گذراندن با عملکرد همزمان قطب‌ها رابطه بین فلوکس باقی‌مانده و جریان ورودی ترانسفورماتور را تأیید کرده‌اند. استفاده از CSDs معمولاً منجر به کاهش ۳:۱ در جریان ورودی نسبت به فعالسازی تصادفی می‌شود که به طور قابل توجهی اختلالات پتانسیل را کاهش می‌دهد.
روش‌های کاهش جریان ورودی با قطعکننده‌های همزمان سه فاز
توضیح زیر مفهوم کنترل شده برای کاهش جریان ورودی که به ترانسفورماتورهای قدرت اعمال می‌شود را نشان می‌دهد:
وقتی فاز R یک ترانسفورماتور قدرت که دی‌مغناطیس شده است در عبور صفر ولتاژ (همان‌طور که در سمت چپ شکل ۱ نشان داده شده) فعال می‌شود، این عمل هسته ترانسفورماتور را به طور عمیقی به اشباع می‌رساند و ۲ واحد درصدی (p.u.) فلوکس اضافی به هسته اضافه می‌کند. این شرایط می‌تواند منجر به جریان‌های ورودی قابل توجهی به دلیل اشباع هسته شود.
اما وقتی ترانسفورماتور در قله مثبت ولتاژ فعال می‌شود، این چهارم دوره مثبت اولیه فقط ۱ p.u. فلوکس به هسته اضافه می‌کند. با تغییر ولتاژ به نیمه‌دوره منفی، فلوکس در هسته کاهش می‌یابد. چون ترانسفورماتور تحت این شرایط به حد اشباع نمی‌رسد، اشباع هسته اجتناب می‌شود و بنابراین جریان ورودی اتفاق نمی‌افتد.
این سناریو به فعالسازی حالت پایدار ترانسفورماتور مربوط می‌شود که در آن فلوکس هسته ۹۰ درجه پس از ولتاژ می‌آید. با زمان‌بندی دقیق لحظه فعالسازی به نقاط بهینه در موج ولتاژ، خطر جریان‌های ورودی کاهش می‌یابد و عملکرد صاف‌تر و پایدارتر ترانسفورماتور تضمین می‌شود.
به طور خلاصه، تکنیک‌های کنترل شده از زمان‌بندی دقیق برای کاهش مؤثر جریان‌های ورودی استفاده می‌کنند. با اجتناب از اشباع هسته از طریق نقاط استراتژیک در چرخه ولتاژ، این روش‌ها عملکرد قابل اعتماد ترانسفورماتور را تضمین می‌کنند، ثبات شبکه را افزایش می‌دهند و اختلالات عملیاتی را کاهش می‌دهند. این رویکرد یک پیشرفت مهم در فناوری تجهیزات قطع و گذراندن ولتاژ متوسط است که مزایای قابل توجهی برای نصب‌های جدید و به‌روزرسانی سیستم‌های موجود ارائه می‌دهد.
وضعیت وقتی از یک قطعکننده سه فاز با عملکرد همزمان استفاده می‌شود پیچیده‌تر می‌شود. در واقع، انتخاب لحظه فعالسازی که جریان ورودی یک فاز را کاهش می‌دهد ممکن است برای دو فاز دیگر مضر باشد. این موضوع در شکل ۲ نشان داده شده است که در آن کاهش جریان ورودی برای فاز R یک ترانسفورماتور دی‌مغناطیس شده (سمت چپ) به فازهای Y و B (سمت راست) آسیب می‌رساند.
با بهینه‌سازی لحظه فعالسازی یک فاز برای کاهش جریان ورودی آن، شرایط برای دو فاز دیگر ممکن است منجر به افزایش جریان‌های ورودی شود که نیاز به رویکرد متعادل در سیستم‌های چند فازی را تاکید می‌کند.
همان‌طور که پیش‌تر توضیح داده شد، الگوی فلوکس باقی‌مانده در یک ترانسفورماتور قدرت نتیجه دی‌مغناطیس شدن قبلی آن است.
وقتی یک ترانسفورماتور دوباره فعال می‌شود، فلوکس پویای القایی توسط ولتاژ اعمال شده به فلوکس باقی‌مانده اضافه یا کسر می‌شود بسته به قطبیت ولتاژ اعمال شده. بر اساس اصول کنترل شده، لحظه بهینه فعالسازی یک فاز ترانسفورماتور قدرت زمانی است که فلوکس پیش‌بینی شده القایی با فلوکس باقی‌مانده موجود همخوانی دارد (شکل ۳، سمت چپ). به عنوان مثال، در حضور فلوکس باقی‌مانده مثبت، اعمال ولتاژ منفی ابتدا فلوکس هسته را به صفر در قله منفی ولتاژ می‌رساند و سپس فوراً به عملکرد حالت پایدار ترانسفورماتور بدون اشباع هسته می‌رسد.
به عکس (شکل ۳، سمت راست)، فعالسازی فاز در عبور صفر مثبت ولتاژ ۲ p.u. فلوکس مثبت به هسته اضافه می‌کند که بر روی فلوکس باقی‌مانده ۰.۵ p.u. موجود است. این عمل ترانسفورماتور را به اشباع عمیق می‌رساند و منجر به جریان ورودی مازاد می‌شود. بنابراین، حضور فلوکس باقی‌مانده حداکثر جریان ورودی را در زمان فعالسازی غیرکنترل شده ترانسفورماتور افزایش می‌دهد.
انتخاب دقیق لحظه فعالسازی برای همخوانی فلوکس القایی با فلوکس باقی‌مانده می‌تواند به طور مؤثر اشباع هسته را جلوگیری کند و بنابراین جریان‌های ورودی را کاهش دهد و عملکرد صاف ترانسفورماتور را تضمین کند. این استراتژی نه تنها قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد بلکه عمر تجهیزات را افزایش می‌دهد و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد. زمان‌بندی صحیح فعالسازی به ویژه در سیستم‌های چند فازی برای تعادل عملکرد در میان فاز‌ها ضروری است تا ثبات و کارایی شبکه تضمین شود.
این رویکرد اهمیت در نظر گرفتن تأثیر فلوکس باقی‌مانده را در طراحی و اجرای تکنولوژی‌های کنترل شده برای ترانسفورماتورهای قدرت تاکید می‌کند تا به شبکه‌های انتقال قدرت کارآمدتر و قابل اعتمادتری دست یابند.
وقتی فلوکس باقی‌مانده در هسته ترانسفورماتور وجود دارد، وضعیت با یک قطعکننده همزمان سه فاز پیچیده‌تر می‌شود. لحظه بهینه فعالسازی باید عملکرد همزمان هر سه فاز را با توجه به مقدار و قطبیت فلوکس باقی‌مانده در نظر بگیرد. با این حال، برای هر الگوی فلوکس باقی‌مانده ممکن، همیشه یک لحظه فعالسازی بهینه وجود دارد که به حداقل اشباع ترانسفورماتور منجر می‌شود (شکل ۴).
در مثال زیر، الگوی فلوکس باقی‌مانده ۰، -۰.۵ و +۰.۵ p.u. در فازهای R، Y و B به ترتیب است. فعالسازی ترانسفورماتور قدرت در ۹۰ درجه (قمم ولتاژ فاز R) به حداقل اشباع فاز‌ها منجر می‌شود. اما بستن فاز آبی (با فرض فاز B) در عبور صفر مثبت ولتاژ (۲۴۰ درجه) بدترین جریان ورودی را ایجاد می‌کند که ۶.۵ برابر بالاتر از لحظه بهینه محاسبه شده توسط یک دستگاه کنترل شده (CSD) خواهد بود.
این اهمیت تعیین دقیق لحظه بهینه فعالسازی برای هر شرایط خاص فلوکس باقی‌مانده را برای کاهش اشباع ترانسفورماتور و جریان‌های ورودی تاکید می‌کند. زمان‌بندی صحیح عملکرد صاف‌تر و قابلیت اطمینان و کارایی سیستم قدرت را افزایش می‌دهد.
وقتی فعالسازی یک ترانسفورماتور قدرت کنترل نشده است، بدترین جریان ورودی ممکن همیشه در فاز با بالاترین فلوکس باقی‌مانده ظاهر می‌شود. یک دستگاه کنترل شده (CSD) با محاسبه لحظه بهینه بستن قطب‌ها بر اساس الگوی فلوکس باقی‌مانده جریان ورودی فعالسازی را به حداقل می‌رساند. بنابراین، تحت شرایط خاص فلوکس باقی‌مانده بالا، جریان ورودی می‌تواند کاملاً حذف شود.
شکل ۵ جریان ورودی نسبی نظری در زمان فعالسازی را به عنوان تابعی از بالاترین سه فلوکس باقی‌مانده اندازه‌گیری شده در ترانسفورماتور (با زانوی اشباع ۱.۲ p.u.) نشان می‌دهد. جریان ورودی قله نرمال‌سازی شده به حداکثر جریان فعالسازی هسته دی‌مغناطیس شده است. وقتی فلوکس باقی‌مانده هسته بالا است (در محور افقی)، CSD با جلوگیری از ورود ترانسفورماتور به اشباع (قسمت پایین خط آبی) جریان ورودی را حذف می‌کند. به عکس، فعالسازی ترانسفورماتور قدرت در لحظه تصادفی می‌تواند ترانسفورماتور را به اشباع کامل (خط قرمز) برساند و منجر به جریان ورودی مازاد و سقوط ولتاژ در شبکه شود. این نمودار بنابراین مؤثر بودن کاهش جریان ورودی توسط یک CSD نسبت به فعالسازی تصادفی یا غیرکنترل شده را نشان می‌دهد.
