چه جنبه‌های طراحی و کاربردی در تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار خط تغذیه ۱۰ کیلوولت وجود دارد

پس از پروژه تجدید ساخت شبکه برق روستایی، شبکه توزیع برق روستایی بهبود قابل توجهی داشته است. با این حال، به دلیل محدودیت‌هایی مانند زمین‌شناسی، منظر و مقیاس سرمایه‌گذاری، طراحی بهینه نیست. بنابراین، شعاع تامین برق برخی خطوط انتقال 10 کیلوولت از محدوده منطقی فراتر می‌رود. با تغییر فصل‌ها و روز و شب، نوسانات ولتاژ قابل توجهی وجود دارد که منجر به مشکلاتی مانند کیفیت برق غیراستاندارد و ضریب خسارت خط بالا می‌شود که جدیاً زندگی و تولید کشاورزان را تحت تأثیر قرار می‌دهد. بنابراین، در این مقاله یک دستگاه تنظیم‌کننده ولتاژ جدید طراحی شده است: تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار خط.

1 اصل عملکرد تنظیم‌کننده ولتاژ

تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار یک دستگاه است که تغییرات ولتاژ ورودی را به صورت خودکار ردیابی می‌کند تا ولتاژ خروجی پایدار را تضمین کند. این دستگاه می‌تواند به طور گسترده‌ای در سیستم‌های تامین برق 6 کیلوولت، 10 کیلوولت و 35 کیلوولت استفاده شود و می‌تواند ولتاژ ورودی را در محدوده 20٪ به صورت خودکار تنظیم کند. نصب این دستگاه در 1/2 یا 2/3 فاصله از آغاز خط می‌تواند کیفیت ولتاژ خط را تضمین کند.

برای زیرстан‌هایی که ترانسفورماتور اصلی آن‌ها قابلیت تنظیم ولتاژ تحت بار ندارد، تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار می‌تواند روی سمت خروجی خط از ترانسفورماتور اصلی زیرستان نصب شود تا تنظیم ولتاژ تحت بار را تحقق بخشید. چندین تاپ در سمت ثانویه ترانسفورماتور وجود دارد. با استفاده از میکروکنترلر برای کنترل روشن و خاموش شدن تایریستورها، سطوح مختلف تنظیم ولتاژ ارائه می‌شود و هدف تنظیم ولتاژ خط تحقق می‌یابد.

2 تنظیم ولتاژ عملیاتی تغییر تاپ تنظیم‌کننده ولتاژ

تنظیم‌کننده ولتاژ خط می‌تواند تاپ‌ها را بر اساس شرایط بار مختلف تنظیم کند و نسبت تبدیل را بر اساس ولتاژ خط تغییر دهد تا تنظیم ولتاژ را تحقق بخشید. این دستگاه 7 تاپ دارد و محدوده تنظیم ولتاژ 30٪ است که می‌تواند به خوبی نیازهای تنظیم ولتاژ روستایی را برآورده کند.

2.1 اصل تنظیم ولتاژ تغییر تاپ تنظیم‌کننده ولتاژ

به دلیل نوسانات بار، ولتاژ در انتهای خط تغییر می‌کند. برای نوسانات ولتاژ مختلف، لازم است تنظیمات تاپ تنظیم‌کننده ولتاژ تغییر کند. شکل 1 یک شبکه انتقال برق روستایی نمونه را نشان می‌دهد. در اینجا، طول خط L کیلومتر و توان در انتهای خط S = P + jQ MVA تنظیم شده است.

شرایط تغییر تاپ: اطمینان حاصل کنید که ولتاژ در انتهای خط در محدوده 7٪ متغیر باشد؛ معمولاً پرش تاپ مجاز نیست؛ تعداد تغییرات تاپ باید حداقل باشد.

فرض کنید نسبت تبدیل K است، ولتاژ در ابتدای خط U₀، ولتاژ در انتهای خط U₁، ولتاژ ورودی تنظیم‌کننده ولتاژ U_in و ولتاژ خروجی U_out است، با U_out = KU_in.

با توجه به مدل، معادله زیر برقرار است: U₁ = U_out - ΔU₁.

که در آن ΔU₁ کاهش ولتاژ از نقطه نصب تنظیم‌کننده ولتاژ تا انتهای خط است و x فاصله از نقطه نصب تنظیم‌کننده ولتاژ تا ابتدای خط است. بنابراین:

(U₀ - U_in) کاهش ولتاژ از ابتدای خط تا نقطه نصب است. α = U₀/U_out نسبت ولتاژ خط قبل و بعد از نقطه نصب تنظیم‌کننده ولتاژ است. با (L - x)/x = K₁ و جایگزینی آن، داریم:

در این میان، ولتاژ U₁ در انتهای خط باید شرط 9.7 < U₁ < 10.7 را برآورده کند. با جایگزینی آن در فرمول فوق، محدوده U_in تحت شرایطی که K شناخته شده است، به دست می‌آید. با این حال، به وضوح، به دلیل وجود U₀/U_out، لازم است یک معادله درجه دوم یک متغیر حل شود و مشکل ریشه‌های غیرواقعی وجود دارد. این مقاله این معادله را ساده می‌کند.

برای تحلیل α = U₀/U_out، U_out و U₁ همان روند افزایش یا کاهش را دارند. U₀ ثابت است، بنابراین α = U₀/U_out، U_out با U₁ عکس تناسب دارد. همچنین می‌توان تحلیل کرد که وقتی U₁ = 9.3، α ≈ 1؛ و وقتی U₁ = 10.7، α کمی کمتر از 1 است. بنابراین، معادله محدودیت می‌تواند به صورت زیر نوشته شود:

یعنی:

2.2 مثال تنظیم

همانطور که از فرمول (5) مشخص است، در واقع تنظیم عملیات تغییر تاپ فقط مربوط به ولتاژ ورودی U_in تنظیم‌کننده ولتاژ و نسبت K_t فاصله از نقطه نصب تنظیم‌کننده ولتاژ تا طول خط است. لازم نیست بار واقعی در انتهای خط اندازه‌گیری شود، که به طور قابل توجهی سختی مهندسی واقعی را ساده می‌کند.

به عنوان یک مثال، خط انتقال واقعی را در نظر بگیرید. همچنان از مدل نشان داده شده در شکل 1 استفاده می‌کنیم. طول خط انتقال 20 کیلومتر است. تنظیم‌کننده ولتاژ معمولاً در وسط خط نصب می‌شود. در اینجا، فاصله از آغاز خط x = 9 کیلومتر و K_t = 11/9 است. با جایگزینی در فرمول (5)، می‌توانیم به دست آوریم:

برای هر موقعیت تاپ، محدوده ولتاژ ورودی که کیفیت انرژی الکتریکی در انتهای خط را برآورده می‌کند، دارای حد بالا و پایین است که ولتاژ عملیاتی (ولتاژ تغییر تاپ) برای آن موقعیت است. هر تاپ ولتاژ عملیاتی خود را دارد و این رابطه می‌تواند به صورت بصری‌تر روی محور عددی دیده شود.

در این میان، تاپ 1 استفاده نمی‌شود زیرا در شرایط عادی ولتاژ ورودی از حد بالای این تاپ عبور نمی‌کند. تاپ 1 می‌تواند در شرایط خاص عملیاتی مانند عملیات تحمل خطا در زمان کوتاه‌مداری تک‌فازی استفاده شود. در ادامه شرایط تغییر تاپ زمانی که به ولتاژ عملیاتی می‌رسد توضیح داده می‌شود:

باید توجه داشت که هنگام کاهش تاپ از تاپ 4، مستقیماً به تاپ 2 کاهش می‌یابد. این به این دلیل است که حدود عملیاتی پایین تاپ 3 و تاپ 4 نسبتاً نزدیک هستند. اگر ولتاژ به طور قابل توجهی تغییر کند، پس از کاهش از تاپ 4 به تاپ 3، ممکن است لازم باشد بلافاصله به تاپ 2 کاهش یابد که تعداد عملیات را افزایش می‌دهد. بنابراین، برای کاهش تعداد عملیات، تغییر تاپ‌های متقاطع مجاز است.

3 طراحی کنترل‌کننده تغییر تاپ

در حال حاضر، روش معمول تغییر تاپ استفاده از موتور برای حرکت تیغه تاپ است. با این حال، چگونگی تضمین چرخش سریع و دقیق موتور همواره یک مشکل بوده است. برای دستیابی به یک کنترل بهتر، این مقاله از سیستم کنترل تایریستور استفاده می‌کند.

3.1 اصل کنترل تایریستور

تایریستورها می‌توانند کنترل مدارهای توان بالا با جریان‌های ضعیف را محقق کنند. تنظیم‌کننده ولتاژ خط از 7 جفت تایریستور دوطرفه برای کنترل تاپ‌ها استفاده می‌کند، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. هر جفت تایریستور به سیم‌پیچ‌های مختلف ترانسفورماتور متصل می‌شود و بدین ترتیب به نسبت‌های تبدیل مختلف متناظر است.

3.2 طراحی کنترل‌کننده تغییر تاپ با میکروکنترلر

کنترل تایریستورهای دوطرفه فقط نیاز به محرک ولتاژ از مدارهای دریچه TTL دارد و می‌تواند مستقیماً به پورت خروجی میکروکنترلر متصل شود. برای صرفه‌جویی در پورت‌های خروجی، فقط 3 پورت استفاده می‌شود و یک دکودهنده خارجی 3-به-8 متصل می‌شود تا کنترل 7 موقعیت تاپ را انجام دهد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

4 طراحی سیستم کنترل هوشمند

برای یک تنظیم‌کننده ولتاژ با چیپ کنترل، تنها داشتن قابلیت تنظیم ولتاژ خودکار کافی نیست و همچنین عملکرد کامل میکروکنترلر را به خوبی استفاده نمی‌کند. یک سیستم کنترل کامل، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، شامل ورودی کیبورد، مدار نمایش، ارتباطات بی‌سیم، ساعت خارجی، ذخیره‌سازی خارجی و محافظت از خطا است.

ورودی کیبورد امکان تنظیم برنامه را فراهم می‌کند، ارتباطات بی‌سیم امکان نظارت زنده بر عملکرد تنظیم‌کننده ولتاژ را فراهم می‌کند. ساعت خارجی تضمین می‌کند که زمان در حین قطع برق میکروکنترلر ثبت شود. ذخیره‌سازی خارجی داده‌های عملکرد سیستم را به طور ایمن ذخیره می‌کند تا برای تحقیقات آینده استفاده شود. محافظت از خطا میکروکنترلر را در شرایط غیرمعمول به یک حالت عملیاتی خاص می‌برد تا وظایف انتقال برق را برآورده کند، آن را از آسیب در شرایط خرابی محافظت می‌کند و با دستگاه‌های محافظت رله‌ای همکاری می‌کند تا خطوط انتقال را محافظت کند.

5 نتیجه‌گیری

با ساخت مدل خط انتقال و انجام محاسبات جریان بار، قوانین تنظیم ولتاژ عملیاتی تغییر تاپ تنظیم‌کننده ولتاژ تعیین شده است. برای کنترل تاپ‌های ترانسفورماتور، کنترل مکانیکی سنتی با کنترل تایریستور که راحت‌تر و سریع‌تر است جایگزین شده است و دارای طراحی ساده و کنترل خوب است. تنظیم‌کننده ولتاژ خط خودکار دارای محدوده تنظیم ولتاژ گسترده‌ای است که به طور مؤثر کیفیت ولتاژ خطوط انتقال را تضمین می‌کند.