Quais são os aspectos de design e aplicação do regulador automático de tensão de alimentação 10KV?

Após o projeto de renovação da rede elétrica rural, a rede de distribuição rural teve uma melhoria considerável. No entanto, devido a restrições como terreno, paisagem e escala de investimento, a disposição não é ideal. Como resultado, o raio de fornecimento de algumas linhas de transmissão de 10 kV excede o intervalo razoável. Com as mudanças das estações e do dia e da noite, há flutuações significativas de tensão, levando a problemas como qualidade de energia subpadrão e perdas de linha relativamente altas, que afetam seriamente a vida e a produção dos agricultores. Portanto, este artigo projeta um novo tipo de dispositivo de regulação de tensão: o regulador automático de tensão de alimentação.

1 Princípio de Funcionamento do Regulador de Tensão

Um regulador automático de tensão é um dispositivo que rastreia automaticamente as mudanças na tensão de entrada para garantir uma tensão de saída estável. Pode ser amplamente utilizado em sistemas de fornecimento de 6 kV, 10 kV e 35 kV, e pode ajustar automaticamente a tensão de entrada em um intervalo de 20%. Instalar o dispositivo a 1/2 ou 2/3 da distância do início da linha pode garantir a qualidade de tensão da linha.

Para subestações onde o transformador principal não possui capacidade de regulação de tensão sob carga, o regulador automático de tensão também pode ser instalado no lado de saída do transformador principal da subestação para alcançar a regulação de tensão sob carga. Existem várias derivações no lado secundário do transformador. Usando um microcontrolador para controlar a ativação e desativação de tiristores, são fornecidos diferentes níveis de regulação de tensão, assim, alcançando o objetivo de regulação de tensão de alimentação.

2 Definição da Tensão de Ação de Mudança de Derivação do Regulador de Tensão

O regulador de tensão de alimentação pode ajustar as derivações de acordo com diferentes condições de carga e alterar a relação de transformação com base na tensão da linha para alcançar a regulação de tensão. Ele tem 7 derivações e um intervalo de regulação de tensão de 30%, permitindo que atenda bem aos requisitos de regulação de tensão rural.

2.1 Princípio de Definição da Tensão de Mudança de Derivação do Regulador de Tensão

Devido às flutuações de carga, a tensão no final da linha mudará. Para diferentes quedas de tensão, é necessário ajustar as configurações de derivação do regulador de tensão. A Figura 1 ilustra uma típica rede de transmissão de energia rural. Aqui, o comprimento da linha é definido como L km, e a potência no final da linha é definida como S = P + jQ MVA.

Requisitos para mudança de marcha: Garantir que a tensão no final da linha varie em um intervalo de 7%; geralmente, não é permitido pular marchas; o número de mudanças de marcha deve ser o menor possível.

Assuma que a relação de transformação é K, a tensão no início da linha é U₀, a tensão no final da linha é U₁, a tensão de entrada do regulador de tensão é U_in, e a tensão de saída é U_out, com U_out = KU_in. Segundo o modelo, a seguinte equação se mantém: U₁ = U_out - ΔU₁.

Onde ΔU₁ é a queda de tensão do ponto de instalação do regulador de tensão até o final da linha, e x é a distância do ponto de instalação do regulador de tensão até o início da linha. Consequentemente:

(U₀ - U_in) é a queda de tensão do início da linha até o ponto de instalação. α = U₀/U_out é a relação de nível de tensão da linha antes e depois do ponto de instalação do regulador de tensão. Seja (L - x)/x = K₁, e substituindo, obtemos:

Entre eles, a tensão U₁ no final da linha precisa satisfazer a condição de restrição 9.7 < U₁ < 10.7. Substituindo na fórmula acima, o intervalo de U_in sob a condição de K conhecido pode ser obtido. No entanto, devido à existência de U₀/U_out, é necessário resolver uma equação quadrática de uma variável, e haverá o problema de raízes espúrias. O artigo simplifica essa equação.

Para a análise de α = U₀/U_out, U_out e U₁ têm a mesma tendência de aumento ou diminuição. U₀ é uma constante, então α = U₀/U_out, U_out é inversamente proporcional a U₁. Também pode ser analisado que quando U₁ = 9.3, α ≈ 1; e quando U₁ = 10.7, α é ligeiramente menor que 1. Portanto, a equação de restrição pode ser escrita como:

Ou seja:

2.2 Exemplo de Configuração

Como pode ser visto na Fórmula (5), na verdade, a configuração da ação de mudança de marcha relaciona-se apenas com a tensão de entrada U_in do regulador de tensão e a relação K_t da distância do ponto de instalação do regulador de tensão ao comprimento da linha. Não é necessário medir a carga real no final da linha, o que simplifica muito a dificuldade da engenharia real.

Tomemos uma certa linha de transmissão real como exemplo. Ainda use o modelo mostrado na Figura 1. O comprimento da linha de transmissão é de 20 km. O regulador de tensão é geralmente instalado no meio da linha. Aqui, a distância do início da linha é tomada como x = 9 km, e K_t = 11/9. Substituindo na Fórmula (5), podemos obter:

Para uma certa posição de marcha, o intervalo de tensão de entrada que satisfaz os requisitos de qualidade da energia elétrica no final tem limites superior e inferior, que são as tensões de operação (tensões de mudança) para essa marcha. Cada marcha tem sua tensão de operação correspondente, e essa relação pode ser vista mais intuitivamente no eixo numérico.

Dentre elas, a Marcha 1 é deixada inutilizada porque, em condições normais, a tensão de entrada não ultrapassará o limite superior dessa marcha. A Marcha 1 pode ser usada como uma condição de operação especial, como a operação tolerante a falhas durante um curto-circuito monofásico a terra. A seguir, descrevem-se as condições de comutação quando a marcha atinge a tensão de ação:

Deve-se notar que, ao descer da marcha 4, desce diretamente para a marcha 2. Isso ocorre porque os limites inferiores de ação da marcha 3 e da marcha 4 são relativamente próximos. Se a tensão mudar muito, após descer da marcha 4 para a marcha 3, pode ser necessário imediatamente descer para a marcha 2, o que aumenta o número de ações. Portanto, para reduzir o número de ações, a mudança de marcha cruzada é permitida.

3 Projeto do Controlador de Mudança de Marcha

Atualmente, o método de mudança de marcha comumente adotado é usar um motor para impulsionar o movimento da lâmina do interruptor de marcha. No entanto, como garantir a rotação rápida e precisa do motor sempre foi um problema. Para alcançar um melhor efeito de controle, este artigo adota um sistema de controle por tiristores.

3.1 Princípio de Controle por Tiristor

Tiristores podem ser usados para realizar o controle de circuitos de alta potência com correntes fracas. O regulador de tensão de alimentação usa 7 pares de tiristores bidirecionais para controlar as marchas, conforme mostrado na Figura 2. Cada par de tiristores está conectado a diferentes enrolamentos do transformador, correspondendo a diferentes relações de transformação.

3.2 Projeto do Controlador de Mudança de Marcha com Microcontrolador

O controle de tiristores bidirecionais requer apenas a condução de tensão de circuitos de portas TTL e pode ser conectado diretamente à porta de saída do microcontrolador. Para economizar portas de saída, são usadas apenas 3 portas, e é conectado um decodificador externo 3-para-8 para conduzir o controle de 7 posições de marcha, conforme mostrado na Figura 3.

4 Projeto do Sistema de Controle Inteligente

Para um regulador de tensão com chip de controle, ter apenas a função de regulação automática de tensão é insuficiente, e também não utiliza plenamente o desempenho do microcontrolador. Um sistema de controle completo, conforme mostrado na Figura 4, também inclui entrada de teclado, circuito de exibição, comunicação sem fio, relógio externo, armazenamento externo e proteção contra falhas.

A entrada de teclado permite o ajuste do programa, a comunicação sem fio permite o monitoramento em tempo real da operação do regulador de tensão. O relógio externo garante o registro de tempo durante a falta de energia do microcontrolador. O armazenamento externo armazena com segurança grandes volumes de dados de operação do sistema para pesquisas futuras. A proteção contra falhas faz com que o microcontrolador entre em um modo de operação especial em condições anormais para cumprir tarefas de transmissão de energia, protege-o de danos em caso de falhas e coopera com dispositivos de proteção por relé para proteger as linhas de transmissão.

5 Conclusão

Construindo um modelo de linha de transmissão e realizando cálculos de fluxo de carga, as regras de definição da tensão de ação de mudança de marcha do regulador de tensão são determinadas. Para o controle de derivações do transformador, o controle mecânico tradicional é substituído pelo controle por tiristores, que é mais conveniente e rápido, com design simples e bom efeito de controle. O regulador automático de tensão de alimentação tem um amplo intervalo de regulação de tensão, garantindo eficazmente a qualidade de tensão das linhas de transmissão.