چه جنبه های طراحی و کاربردی برای تنظیم خودکار ولتاژ خط تغذیه ۱۰ کیلوولت وجود دارد

پس از پروژه بازسازی شبکه برق روستایی، شبکه توزیع برق روستایی بهبود قابل توجهی دیده است. با این حال، به دلیل محدودیت‌هایی مانند توپوگرافی، منظر و مقیاس سرمایه‌گذاری، طراحی بهینه نیست. بنابراین، شعاع تامین برق برخی خطوط انتقال ۱۰ کیلوولت از محدوده منطقی خارج شده است. با تغییر فصل‌ها و روز و شب، نوسانات ولتاژ قابل توجهی وجود دارد که منجر به مشکلاتی مانند کیفیت برق زیراستاندارد و ضریب خطی بالا می‌شود که جدیاً زندگی و تولید کشاورزان را تحت تأثیر قرار می‌دهد. بنابراین، این مقاله یک دستگاه تنظیم‌کننده ولتاژ جدید-نوع: تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار فیدر را طراحی می‌کند.

۱ اصل کار تنظیم‌کننده ولتاژ

تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار یک دستگاه است که به صورت خودکار تغییرات ولتاژ ورودی را ردیابی می‌کند تا ولتاژ خروجی پایدار را تضمین کند. این دستگاه می‌تواند در سیستم‌های تامین برق ۶ کیلوولت، ۱۰ کیلوولت و ۳۵ کیلوولت به طور گسترده‌ای استفاده شود و می‌تواند ولتاژ ورودی را در محدوده ۲۰٪ به صورت خودکار تنظیم کند. نصب این دستگاه در فاصله ۱/۲ یا ۲/۳ خط از نقطه شروع می‌تواند کیفیت ولتاژ خط را تضمین کند.

برای زیرстанسیون‌هایی که ترانسفورماتور اصلی آنها قابلیت تنظیم ولتاژ تحت بار ندارد، تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار می‌تواند روی سمت خروجی ترانسفورماتور اصلی زیرستانس نصب شود تا تنظیم ولتاژ تحت بار را فراهم کند. چندین تاپ در سمت ثانویه ترانسفورماتور وجود دارد. با استفاده از میکروکنترلر تک‌بلوری برای کنترل روشن و خاموش شدن تایریستورها، سطوح مختلف تنظیم ولتاژ فراهم می‌شود و هدف تنظیم ولتاژ فیدر به دست می‌آید.

۲ تنظیم ولتاژ عملیاتی تغییر تاپ تنظیم‌کننده ولتاژ

تنظیم‌کننده ولتاژ فیدر می‌تواند تاپ‌ها را بر اساس شرایط بار مختلف تنظیم کند و نسبت تبدیل را بر اساس ولتاژ خط تغییر دهد تا تنظیم ولتاژ را به دست آورد. این دستگاه ۷ تاپ دارد و محدوده تنظیم ولتاژ ۳۰٪ است که می‌تواند نیازهای تنظیم ولتاژ روستایی را به خوبی برآورده کند.

۲.۱ اصل تنظیم ولتاژ تغییر تاپ تنظیم‌کننده ولتاژ

به دلیل نوسانات بار، ولتاژ در انتهای خط تغییر می‌کند. برای نقص ولتاژ مختلف، لازم است تنظیمات تاپ تنظیم‌کننده ولتاژ تغییر کند. شکل ۱ یک شبکه انتقال برق روستایی معمولی را نشان می‌دهد. در اینجا، طول خط L کیلومتر و توان در انتهای خط S = P + jQ مگاوات تنظیم شده است.

شرایط تغییر تاپ: تضمین کنید که ولتاژ در انتهای خط در محدوده ۷٪ متغیر باشد؛ معمولاً پرش تاپ مجاز نیست؛ تعداد تغییرات تاپ باید حداقل باشد.

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

بر اساس مدل، معادله زیر برقرار است: U₁ = U_out - ΔU₁.

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

(U₀ - U_in) نقص ولتاژ از ابتدا 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 جایگذاری آن، داریم:

در آن، ولتاژ U₁ در انتهای خط باید شرط ۹.۷ < U₁ < ۱۰.۷ را برآورده کند. با جایگذاری آن در فرمول بالا، محدوده U_in در شرایطی که K شناخته شده است، به دست می‌آید. با این حال، به وضوح، به دلیل وجود U₀/U_out، باید یک معادله درجه دوم یک متغیر حل شود و مشکل ریشه‌های غیرقابل قبول وجود دارد. این مقاله این معادله را ساده می‌کند.

برای تحلیل α = U₀/U_out، U_out و U₁ روند افزایش یا کاهش یکسانی دارند. U₀ ثابت است، بنابراین α = U₀/U_out، U_out با U₁ نسبت عکس دارد. همچنین می‌توان تحلیل کرد که وقتی U₁ = ۹.۳، α ≈ ۱؛ و وقتی U₁ = ۱۰.۷، α کمی کمتر از ۱ است. بنابراین، معادله محدودیت می‌تواند به صورت زیر نوشته شود:

یعنی:

۲.۲ مثال تنظیم

مانند فرمول (۵)، در واقع تنظیم عملیات تغییر تاپ فقط با ولتاژ ورودی U_in تنظیم‌کننده ولتاژ و نسبت K_t فاصله از نقطه نصب تنظیم‌کننده ولتاژ تا طول خط مرتبط است. لازم نیست بار واقعی در انتهای خط اندازه‌گیری شود، که به طور قابل توجهی دشواری‌های مهندسی واقعی را ساده می‌کند.

به عنوان یک مثال از یک خط انتقال واقعی. همچنان از مدل نشان داده شده در شکل ۱ استفاده می‌کنیم. طول خط انتقال ۲۰ کیلومتر است. تنظیم‌کننده ولتاژ معمولاً در وسط خط نصب می‌شود. در اینجا، فاصله از شروع خط x = ۹ کیلومتر است و K_t = ۱۱/۹. با جایگذاری در فرمول (۵)، می‌توانیم به دست آوریم:

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

در آن، تاپ ۱ استفاده نمی‌شود زیرا در شرایط عادی ولتاژ ورودی از حد بالای این تاپ عبور نمی‌کند. تاپ ۱ می‌تواند به عنوان یک شرایط عملیاتی خاص، مانند عملیات تحمل خطا در حالت خرابی یک‌فازی زمینی، استفاده شود. شرایط تغییر تاپ زمانی که به ولتاژ عملیاتی می‌رسد به شرح زیر است:

باید توجه داشت که هنگام کاهش تاپ از ۴ به ۲ مستقیم کاهش می‌یابد. این به دلیل نزدیک بودن حد پایین تاپ ۳ و ۴ است. اگر ولتاژ تغییر زیادی داشته باشد، پس از کاهش تاپ ۴ به ۳، ممکن است بلافاصله باید به ۲ کاهش یابد که تعداد عملیات را افزایش می‌دهد. بنابراین، برای کاهش تعداد عملیات، تغییر تاپ‌های متقاطع مجاز است.

۳ 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 همیشه یک مشکل بوده است. برای دستیابی به یک کنترل بهتر، این مقاله از سیستم کنترل تایریستور استفاده می‌کند.

۳.۱ اصل کنترل تایریستور

تایریستورها می‌توانند کنترل مدارهای با توان بالا با جریان ضعیف را فراهم کنند. تنظیم‌کننده ولتاژ فیدر از ۷ جفت تایریستور دوطرفه برای کنترل تاپ‌ها استفاده می‌کند، مانند آنچه در شکل ۲ نشان داده شده است. هر جفت تایریستور به سیم‌پیچ‌های مختلف ترانسفورماتور متصل شده است و بنابراین به نسبت‌های تبدیل مختلف متناظر است.

۳.۲ طراحی کنترل‌کننده تغییر تاپ با میکروکنترلر تک‌بلوری

کنترل تایریستورهای دوطرفه فقط نیاز به راندمان ولتاژ از مدارهای دروازه TTL دارد و می‌تواند مستقیماً به پورت خروجی میکروکنترلر تک‌بلوری متصل شود. برای صرفه‌جویی در پورت‌های خروجی، فقط ۳ پورت استفاده می‌شود و یک دکومنتور ۳ به ۸ خارجی متصل می‌شود تا کنترل ۷ موقعیت تاپ را فراهم کند، مانند آنچه در شکل ۳ نشان داده شده است.

۴ طراحی سیستم کنترل هوشمند

برای یک تنظیم‌کننده ولتاژ با چیپ کنترل، تنها داشتن قابلیت تنظیم ولتاژ خودکار کافی نیست و نمی‌تواند عملکرد میکروکنترلر تک‌بلوری را به طور کامل بهره‌برداری کند. یک سیستم کنترل کامل، مانند آنچه در شکل ۴ 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 ضمانت می‌کند که زمان در حین قطع برق میکروکنترلر ثبت شود. ذخیره‌سازی خارجی به طور ایمن داده‌های عملکرد سیستم را برای تحقیقات آینده ذخیره می‌کند. محافظت از خطا می‌کند تا میکروکنترلر در شرایط غیرطبیعی وارد یک حالت عملیاتی خاص شود تا وظایف انتقال برق را برآورده کند، از آسیب در مواقع خطا محافظت کند و با دستگاه‌های محافظت مداری همکاری کند تا خطوط انتقال را محافظت کند.

۵ نتیجه‌گیری

با ساخت مدل خط انتقال و انجام محاسبات جریان بار، قوانین تنظیم ولتاژ عملیاتی تغییر تاپ تنظیم‌کننده ولتاژ تعیین شد. برای کنترل تاپ ترانسفورماتور، کنترل مکانیکی سنتی با کنترل تایریستوری ساده‌تر و سریع‌تر جایگزین شد که طراحی ساده و کنترل خوبی دارد. تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار فیدر محدوده تنظیم ولتاژ گسترده‌ای دارد و به طور مؤثر کیفیت ولتاژ خطوط انتقال را تضمین می‌کند.