چه نوع ریاکتورها وجود دارد؟ نقش های کلیدی در سیستم های برق

ریاکتور (اندکتور): تعریف و انواع

ریاکتور، که به عنوان اندکتور نیز شناخته می‌شود، زمانی که جریان از رسانا عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی در فضای اطراف ایجاد می‌کند. بنابراین، هر رسانای حامل جریان به طور ذاتی دارای خاصیت القایی است. با این حال، القای یک رسانای مستقیم کوچک است و یک میدان مغناطیسی ضعیف تولید می‌کند. ریاکتورهای عملی با پیچاندن رسانا به شکل سولنوئید، که به آن ریاکتور هوا-هسته‌ای گفته می‌شود، ساخته می‌شوند. برای افزایش بیشتر القایی، یک هسته مغناطیسی در سولنوئید قرار داده می‌شود که به آن ریاکتور آهن-هسته‌ای گفته می‌شود.

۱. ریاکتور شانل
پروتوتیپ ریاکتورهای شانل برای تست بار کامل ژنراتورها استفاده می‌شد. ریاکتورهای شانل آهن-هسته‌ای نیروهای مغناطیسی متناوب بین بخش‌های تقسیم‌شده هسته تولید می‌کنند که معمولاً سطح صدای آن‌ها ۱۰ دسی‌بل بیشتر از ترانسفورماتورهای هم‌ظرفیت است. ریاکتورهای شانل جریان متناوب (AC) را حمل می‌کنند و برای جبران واکنش ظرفیتی سیستم استفاده می‌شوند. آن‌ها اغلب به صورت سری با تایریستورها متصل می‌شوند تا تنظیم مداوم جریان واکنشی را امکان‌پذیر کنند.

۲. ریاکتور سری
ریاکتورهای سری جریان متناوب (AC) را حمل می‌کنند و به صورت سری با خازنهای قدرت متصل می‌شوند تا یک مدار رزونانس سری برای هارمونیک‌های حالت پایدار (مثلاً ۵ام، ۷ام، ۱۱ام، ۱۳ام) تشکیل دهند. مقادیر معمول امپدانس ریاکتورهای سری ۵-۶٪ است و آن‌ها به عنوان نوع‌های با القای بالا در نظر گرفته می‌شوند.

۳. ریاکتور تنظیم‌کننده
ریاکتورهای تنظیم‌کننده جریان متناوب (AC) را حمل می‌کنند و به صورت سری با خازنهای متصل می‌شوند تا رزونانس سری در یک فرکانس هارمونیک مشخص (n) ایجاد کنند، بنابراین آن هارمونیک را جذب می‌کنند. ترتیبات معمول تنظیم‌کننده n = ۵, ۷, ۱۱, ۱۳ و ۱۹ هستند.

۴. ریاکتور خروجی
ریاکتور خروجی جریان شارژ خازنی در کابل‌های موتور را محدود می‌کند و نرخ افزایش ولتاژ در سیم‌پیچ‌های موتور را به حداقل ۵۴۰ V/μs محدود می‌کند. معمولاً وقتی طول کابل بین یک درایو فرکانس متغیر (VFD) (۴–۹۰ kW) و موتور بیش از ۵۰ متر است، نیاز به آن است. همچنین، این ریاکتور ولتاژ خروجی VFD را صاف می‌کند (کاهش شیب لبه‌های تغییر ولتاژ)، اختلالات و تنش روی اجزای مبدل مانند IGBTs را کاهش می‌دهد.

یادداشت‌های کاربردی برای ریاکتورهای خروجی:
برای افزایش فاصله بین VFD و موتور، از کابل‌های ضخیم‌تر با عایق‌بندی بهبود یافته، بهترین گزینه‌ها غیراشتراکی هستند.

ویژگی‌های ریاکتورهای خروجی:

• مناسب برای جبران توان واکنشی و کاهش هارمونیک;

• جبران ظرفیت توزیع‌شده در کابل‌های بلند و کاهش جریان‌های هارمونیک خروجی;

• حفاظت مؤثر VFDs، بهبود عامل توان، مسدود کردن تداخل سمت شبکه و کاهش آلودگی هارمونیک از واحد مستقیم‌کننده به شبکه.

۵. ریاکتور ورودی
ریاکتور ورودی کاهش ولتاژ سمت شبکه در زمان تبدیل مبدل را محدود می‌کند، هارمونیک‌ها را کاهش می‌دهد و گروه‌های مبدل موازی را جدا می‌کند. همچنین جریان‌های ناگهانی ناشی از ترانزیت‌های ولتاژ شبکه یا عملیات سوییچینگ را محدود می‌کند. وقتی نسبت ظرفیت کوتاه‌مدار شبکه به ظرفیت VFD بیش از ۳۳:۱ است، کاهش نسبی ولتاژ ریاکتور ورودی باید ۲٪ برای عملیات یک‌ربع و ۴٪ برای عملیات چهار‌ربع باشد. ریاکتور ممکن است در صورتی که ولتاژ کوتاه‌مدار شبکه بیش از ۶٪ باشد، عمل کند. برای واحد مستقیم‌کننده ۱۲ پالسی، ریاکتور ورودی خط با حداقل ۲٪ کاهش ولتاژ مورد نیاز است. ریاکتورهای ورودی در سیستم‌های کنترل خودکار صنعتی و کارخانه‌ای به طور گسترده استفاده می‌شوند. آن‌ها بین شبکه برق و VFDs یا تنظیم‌کننده‌های سرعت نصب می‌شوند تا ولتاژ و جریان‌های ناگهانی تولید شده توسط این دستگاه‌ها را کاهش دهند و هارمونیک‌های مرتبه بالا و پیچیده در سیستم را به طور قابل توجهی کاهش دهند.

ویژگی‌های ریاکتورهای ورودی:

• مناسب برای جبران توان واکنشی و فیلتر کردن هارمونیک;

• محدود کردن جریان‌های ناگهانی ناشی از ترانزیت‌های ولتاژ شبکه و ولتاژ‌های ناگهانی سوییچینگ؛ فیلتر کردن هارمونیک‌ها برای کاهش تحریف موج ولتاژ;

• صاف کردن نوک‌های ولتاژ و نوک‌های تبدیل مستقیم در مدارهای پلی.

۶. ریاکتور محدودکننده جریان
ریاکتورهای محدودکننده جریان معمولاً در مدارهای توزیع استفاده می‌شوند. آن‌ها به صورت سری با خطوط تغذیه‌ای که از یک بارهای مشترک شاخه می‌گیرند متصل می‌شوند تا جریان کوتاه‌مدار را محدود کنند و پایداری ولتاژ بارهای در حین خطا را حفظ کنند، از کاهش بیش از حد ولتاژ جلوگیری می‌کنند.

۷. سیم پیچ خاموش‌کننده قوس (سیم پیچ پیترسن)
سیم پیچ‌های خاموش‌کننده قوس به طور گسترده در سیستم‌های زمین‌دار رزونانسی در فشار ۱۰kV-۶۳kV استفاده می‌شوند. به دلیل روند به سمت زیرآستانه‌های بدون روغن، به ویژه برای سیستم‌های زیر ۳۵kV، سیم پیچ‌های خاموش‌کننده قوس به طراحی رزین ریخته مایع بیشتر می‌شوند.

۸. ریاکتور دمپینگ (اغلب همنام با ریاکتور سری)
با خازنهای بانک یا خازنهای فشرده به صورت سری متصل می‌شوند، ریاکتورهای دمپینگ جریان ورودی در زمان سوییچینگ خازن را محدود می‌کنند—شبیه عملکرد ریاکتورهای محدودکننده جریان. ریاکتور فیلتر: وقتی به صورت سری با خازنهای فیلتر متصل می‌شوند، آن‌ها مدارهای فیلتر رزونانس تشکیل می‌دهند که معمولاً برای فیلتر کردن هارمونیک‌های ۳ تا ۱۷ یا فیلتر عبوری مرتبه بالا استفاده می‌شوند. ایستگاه‌های تبدیل HVDC، جبران‌کننده‌های VAR ثابت فاز-کنترل شده، مستقیم‌کننده‌های بزرگ، راه‌آهن‌های الکتریکی و مدارهای الکترونیکی با تایریستورهای بزرگ منبع جریان هارمونیک هستند که باید فیلتر شوند تا از تزریق هارمونیک به شبکه جلوگیری شود. شرکت‌های برق قوانین خاصی در مورد سطوح هارمونیک در سیستم‌های توان دارند.

۹. ریاکتور صاف‌کننده (ریاکتور پیوند DC)
ریاکتورهای صاف‌کننده در مدارهای DC پس از مستقیم‌سازی استفاده می‌شوند. چون مدارهای مستقیم‌ساز تعداد محدودی پالس تولید می‌کنند، ولتاژ DC خروجی شامل ریپل است که اغلب مضر است و باید توسط یک ریاکتور صاف‌کننده کاهش یابد. ایستگاه‌های تبدیل HVDC با ریاکتورهای صاف‌کننده تجهیز می‌شوند تا ولتاژ DC خروجی به حد امکان نزدیک به ایده‌آل باشد. ریاکتورهای صاف‌کننده در موتورهای DC کنترل‌شده با تایریستور نیز ضروری هستند. در مدارهای مستقیم‌ساز، به ویژه تأمین‌کننده‌های توان متوسط‌فرکانس، توابع اصلی آن‌ها شامل:

• محدود کردن جریان کوتاه‌مدار (در زمان تبدیل تایریستورهای مبدل معکوس، همزمانی هدایت معادل یک کوتاه‌مدار مستقیم در خروجی پل مستقیم‌ساز); بدون ریاکتور، این موجب یک کوتاه‌مدار مستقیم خواهد شد;

• کاهش تأثیر مولفه‌های متوسط‌فرکانس بر شبکه برق;

• اثر فیلتر—جریان مستقیم‌ساز دارای مولفه‌های AC است؛ AC با فرکانس بالا توسط القای بزرگ مسدود می‌شود—اطمینان از پیوسته بودن موج جریان خروجی. جریان ناپیوسته (با فواصل بدون جریان) باعث توقف مبدل معکوس و ایجاد وضعیت باز در پل مستقیم‌ساز خواهد شد;

• در مدارهای مبدل معکوس موازی، توان واکنشی در ورودی مبادله می‌شود؛ بنابراین، عناصر ذخیره‌کننده انرژی—ریاکتورها—در مدار ورودی ضروری هستند.

نکات مهم

ریاکتورها در شبکه‌های برق برای جذب توان واکنشی ظرفیتی تولید شده توسط خطوط کابل استفاده می‌شوند. با تنظیم تعداد ریاکتورهای شانل، ولتاژ عملیاتی سیستم را می‌توان تنظیم کرد. ریاکتورهای شانل فشار فوق‌عالی (UHV) توابع متعددی در مدیریت توان واکنشی در سیستم‌های توان دارند، از جمله:

• کاهش تأثیر ظرفیتی در خطوط انتقال با بار کم یا بدون بار، کاهش ولتاژ گذرا فرکانس توان;

• بهبود توزیع ولتاژ در طول خطوط انتقال بلند;

• تعادل توان واکنشی محلی در شرایط بار کم، جلوگیری از جریان توان واکنشی غیرمنطقی و کاهش تلفات خط;

• کاهش ولتاژ پایدار فرکانس توان در بارهای فشار بالا هنگام همگام‌سازی ژنراتورهای بزرگ با شبکه، تسهیل همگام‌سازی ژنراتورها;

• جلوگیری از رزونانس خود-القاء که ممکن است هنگام اتصال ژنراتورها به خطوط انتقال بلند رخ دهد;

• وقتی که نوترال ریاکتور از طریق یک ریاکتور کوچک به زمین متصل می‌شود، ریاکتور کوچک می‌تواند ظرفیت بین فازی و فاز-به-زمین را جبران کند، تسریع در خود-خاموشی جریان‌های باقی‌مانده و امکان بازسازی خودکار تک‌قطبی را فراهم می‌کند.

ریاکتورها به صورت سری یا شانل متصل می‌شوند. ریاکتورهای سری معمولاً برای محدود کردن جریان استفاده می‌شوند، در حالی که ریاکتورهای شانل معمولاً برای جبران توان واکنشی استفاده می‌شوند.

• ریاکتور شانل: در سیستم‌های انتقال فشار فوق‌عالی و بلندمسافت، آن‌ها به سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور متصل می‌شوند تا جریان شارژ خازنی خطوط انتقال را جبران کنند، افزایش ولتاژ و ولتاژ‌های سوییچینگ را محدود کنند و عملکرد قابل اعتماد سیستم را تضمین کنند.

• ریاکتور سری: در مدارهای خازن نصب می‌شوند و زمانی استفاده می‌شوند که بانک خازن تغذیه می‌شود.