معرفی یک تغییردهنده ولتاژ الکترونیکی تحت بار جدید

0
2917

در این‌ نوشتار، روش‌ جدیدی‌ برای‌ تغییر ولتاژ خروجی‌ ترانسفورماتورها با استفاده‌از کلیدهای‌ الکترونیکی‌ و تعدادی‌ سیم‌پیچ‌ تغییر وضعیت‌ معرفی‌ می‌شود. از جمله‌ مزایای‌این‌ روش‌ می‌توان‌ به‌ امکان‌ ایجاد ۴۸ پله‌ در ولتاژ در مقایسه‌ با سیستمهای‌ مکانیکی‌تغییر ولتاژ که‌ معمولا ۱۶ سطح‌ ولتاژ را ایجاد می‌کند، امکان‌ گذر از یک‌ ولتاژ به‌ ولتاژ دیگربدون‌ عبور از مقادیر میانی‌ آنها و استفاده‌ از تعداد کمتری‌ سیم‌پیچ‌ برای‌ تغییردهنده‌ ولتاژاشاره‌ کرد. در متن‌ نوشتار مثالهایی‌ برای‌ تغییردهنده‌ ولتاژ برای‌ ترانسهای‌ با ظرفیت‌ ۳۰و ۱۰۰ مگاولت‌ آمپر مطرح‌ شده‌ و نتایج‌ آزمایشهای‌ انجام‌ شده‌ برای‌ یک‌ نمونه‌ عملی‌ وساخته‌ شده‌ با ظرفیت‌ ۶ کیلوولت‌ آمپر ارایه‌ شده‌ که‌ نشانگر کاهش‌ میزان‌ هارمونیکها وفیلکوهاست‌. همچنین‌ بررسی‌ اقتصادی‌، حکایت‌ از کاهش‌ هزینه‌های‌ این‌ تغییردهنده‌ولتاژ در مقایسه‌ با انواع‌ الکترونیکی‌ قبلی‌ دارد.
استفاده‌ از تغییردهنده‌های‌ ولتاژالکترونیکی‌ به‌ دلیل‌ عملکرد مناسبتر وهزینه‌های‌ نگهداری‌ کمتر، نسبت‌ به‌ سایرانواع‌ آن‌ برتری‌ دارد. از سوی‌ دیگر بالا بودن‌هزینه‌ اولیه‌ این‌ سیستمها در مقایسه‌ با انواع‌مکانیکی‌ آن‌، بکارگیری‌ آنها را در عمل‌ بامحدودیت‌ مواجه‌ کرده‌ است‌. روش‌ ارایه‌ شده‌در این‌ نوشتار ترکیبی‌ از تغییردهنده‌ ولتاژالکترونیکی‌ با تغییردهنده‌های‌ ولتاژمکانیکی‌ است‌. به‌ این‌ صورت‌ که‌ با استفاده‌ ازتعاد کمتری‌ سیم‌پیچ‌ تغیر دهنده‌ ولتاژ (درمقایسه‌ با نوع‌ مکانیکی‌) بکارگیری‌ کلیدهای‌الکترونیکی‌ و اعمال‌ روش‌ کنترلی‌ مناسب‌،سطوح‌ ولتاژ بیشتری‌ را با صرف‌ هزینه‌ کمتربرای‌ ترانسفورماتور ایجاد می‌کند.

فکر اصلی‌ در این‌ کار استفاده‌ ازمدولاسیون‌ سیکل‌ گسسته‌ (DCM) است‌. دراین‌ روش‌ می‌توان‌ با ترکیب‌ دو موج‌ بادامنه‌های‌ متفاوت‌ وابسته‌ با اختلاف‌ کم‌ ازیکدیگر، موج‌ خروجی‌ موردنظر را که‌ دامنه‌ای‌بین‌ این‌ دو موج‌ دارد، به‌ دست‌ آورد. موضوع‌دیگر شکل‌ مداری‌ (توپولوژی‌) مورد نیاز برای‌دستیابی‌ به‌ اهداف‌ فنی‌ موردنظر و همزمان‌،کاهش‌ هزینه‌هاست‌. پس‌ از بررسیهای‌ بعمل‌آمده‌، در نهایت‌ آرایشی‌ شامل‌ یک ‌سیم‌پیچی‌ تغییردهنده‌ ولتاژ ترانسفورماتور به‌همراه‌ چهار کلید الکترونیکی‌ استفاده‌ شده‌است‌.

سابقه‌ موضوع‌
تغییردهنده‌های‌ ولتاژ ترانسها یکی‌ ازتجهیزات‌ هزینه‌ بر سیستمهای‌ قدرت‌ است‌.این‌ وسیله‌ کاربردهای‌ متعددی‌ دارد که‌ ازجمله‌ می‌توان‌ به‌ ترانسفورماتورهای‌تنظیم‌کننده‌ ولتاژ AC، ترانسفورماتورهای‌مورد استفاده‌ در یکسوکننده‌ و معکوس‌کننده‌سیستمهای‌ ولتاژ بالای‌ مستقیم‌ (HVDC) وتنظیم‌کننده‌های‌ زاویه‌ فاز تجهیزات‌ تحت‌بارهای‌ مختلف‌ نام‌ برد. در تمام‌ روشهایی‌ که‌برای‌ تغییر ولتاژ خروجی‌ ترانسفورماتورها استفاده‌ می‌شود، مسأله‌ کلیدزنی‌ مطرح‌ است‌.در یک‌ روش‌ متداول‌ از کنتاکت‌های‌ ثابت‌ ومتحرک‌ نسبتا گران‌ قیمت‌ اتفاده‌ می‌شود،کنتاکت‌های‌ متحرک‌ با تغییر وضعیت‌ واتصال‌ به‌ یک‌ سری‌ کنتاکت‌ ثابت‌، تعدادحلقه‌های‌ سیم‌پیچ‌ اولیه‌ و به‌ دنبال‌ آن‌ ولتاژ راتغییر می‌دهند. این‌ کار در زمانی‌ کمتر از ۱۰میلی‌ثانیه‌ انجام‌ می‌شود. در روش‌ دیگرکلیدزنی‌، با استفاده‌ از کلیدهای‌ الکترونیکی‌،با استفاده‌ از کلیدهای‌ الکترونیکی‌، تغییرتعداد حلقه‌های‌ سیم‌پیچ‌ در زمان‌ کوتاه‌تری‌ انجام‌ می‌شود، با کنترل‌ گیت‌ کلیدهایی‌ نظیرتریستور (SCR) و یا تریستور با قابلیت‌ قطع‌توسط گیت‌ (GTO)که‌ به‌ صورت‌ زوجی‌ و به‌شکل‌ معکوس‌ به‌ یکدیگر متصل‌ شده‌اند،می‌توان‌ کلیدزنی‌ سیم‌پیچ‌ها را انجام‌ داد. دراین‌ روش‌ با یک‌ سیستم‌ کنترل‌ از قبل‌ تنظیم ‌شده‌، می‌توان‌ با روشن‌ کردن‌ مناسب‌ کلیدها،تعدادی‌ از سیم‌پیچها را اتصال‌ کوتاه‌ کرده‌ وتعدادی‌ دیگر را در مدار آورد. در صورت‌استفاده‌ از تعداد بیشتری‌ سیم‌پیچ‌ که‌ نیروی‌محرکه‌ القا شده‌ در تعدادی‌ از آنها در جهت‌مخالف‌ ولتاژ اصلی‌ است‌ و نیز استفاده‌ از تعدادبیشتری‌ کلید الکترونیکی‌، می‌توان‌ محدوده‌وسیعی‌ را برای‌ ولتاژ خروجی‌ ایجاد کرد.
تغییردهنده‌های‌ ولتاژ مکانیکی‌، همواره‌سمت‌ ولتاژ بالای‌ ترانسفورماتور که‌ جریان‌کمتری‌ دارد، نصب‌ می‌شود. اما در نوع ‌الکترونیکی‌، برای‌ کاهش‌ هزینه‌ و دستیابی‌به‌ محدوده‌ وسیعتر برای‌ ولتاژ خروجی‌،تغیردهنده‌ در سمت‌ اولیه‌ ترانس‌ یا در ثانویه‌و در صورت‌ لزوم‌ در هر دو سمت‌ می‌توانداستفاده‌ نشود. از سوی‌ دیگر، استفاده‌ از تغییردهنده‌های‌ ولتاژ الکترونیکی‌ مشکلات‌ ومحدودیتهایی‌ نیز دارد، هزینه‌ بالای‌کلیدهای‌ الکترونیک‌ موردنیاز که‌ باید تحمل‌جریان‌ و ولتاژ زیادی‌ را داشته‌ باشند، تلفات‌این‌ کلیدها درحالت‌ کار که‌ جریان‌ از آنها عبورمی‌کند و سیم‌پیچ‌های‌ خاصی‌ که‌ برای‌ تأمین‌محدوده‌ مورد نظر به‌ منظور تأمین‌ ولتاژخروجی‌ موردنیاز هستند، از جمله‌ این‌ موارداست‌. بنابراین‌ هدف‌ اصلی‌ کاهش‌ تعدادکلیدهای‌ الکترونیکی‌ موردنیاز، پایین‌ آوردن‌ظرفیت‌ آنهاو استفاده‌ از سیم‌پیچهای‌ کمتر وبا آرایش‌ ساده‌تر است‌. این‌ مشکلات‌ ا جرایی‌باعث‌ شده‌ تا تغییردهنده‌های‌ ولتاژ الکترونیک‌ نتوانند با هزینه‌ای‌ مناسب‌ ساخته‌و به‌ صورت‌ تجاری‌ بکار گرفته‌ شوند. یک‌روش‌ ساده‌ ارایه‌ شده‌ برای‌ اقتصادی‌ کردن‌تغییردهنده‌ ولتاژ الکترونیکی‌، کنترل‌ زاویه‌ فازبرای‌ تغییر مقدار ولتاژ خروجی‌ است‌. این‌روش‌ درعین‌ سادگی‌ موجب‌ ایجادهارمونیکهای‌ مزاحم‌ در شبکه‌ شده‌ که‌ خود به‌صورت‌ مضاعف‌ نیاز به‌ هزینه‌ای‌ برای‌استفاده‌ از فیلترهای‌ هارمونیکی‌ را مطرح‌می‌کند. با توجه‌ به‌ توضیحات‌ فوق‌، به‌ نظرمی‌رسد تا تبدیل‌ تنظیم‌کننده‌های‌ ولتاژالکترونیکی‌ به‌ نحوی‌ که‌ بتوانند به‌ صورت‌گسترده‌ و بخصوص‌ برای‌ ترانسفورماتورهای‌با ظرفیت‌ بالا، بکار گرفته‌ شوند، راهی‌طولانی‌ وجود دارد.

مدولاسیون‌ سیکل‌ گسسته‌ (DCM)
مبنای‌ کار مدولاسیون‌ سیکل‌ گسسته‌،استفاده‌ از ترانسفورماتور با تعدادتغییردهنده‌های‌ کمتر برای‌ دستیابی‌ به‌ شکل‌موج‌ ولتاژ خروجی‌ موردنیاز، است‌. این‌ کار باکلیدزنی‌ و در مدار قرار دادن‌ یا از مدار خارج ‌کردن‌ تعدادی‌ از سیم‌پیچهای‌ تغییردهنده‌ولتاژ ترانس‌، انجام‌ می‌شود. با این‌ کار مقدارمؤثر ولتاژ خروجی‌، در مقدار مطلوب‌، تنظیم‌می‌شود. برای‌ کاهش‌ هارمونیکهای‌ تولیدید،طی‌ عملیات‌ تغییر سیم‌پیچ‌، تغییر وضعیت‌ درلحظه‌ عبور جریان‌ از صفر انجام‌ می‌شود. یک‌دوره‌ تناوب‌ از مدولاسیون‌ سیکل‌ گسسته‌نمایش‌ داده‌ شده‌ است‌. همان‌ طور ه‌ در شکل‌(۱) دیده‌ می‌شود از DCM برای‌ تطبیق‌ولتاژهایی‌ با دامنه‌های‌ نامساوی‌ با یکدیگراستفاده‌ شده‌ است‌. مقدار مؤثر ولتاژ خروجی‌ با چهار عامل‌ کنترلی‌ M, V1, V0و N کنترل‌می‌شود که‌ V1, V0 به‌ ترتیب‌ ولتاژهای‌ کم‌ وزیاد موردنظر، M تعداد سیکلهای‌ ولتاژ بالاتر(V1) و N تعداد کل‌ سیکهای‌ موج‌ در یک‌ دوره‌مدولاسیون‌ سیکل‌ گسسته‌ است‌. مقدار مؤثرولتاژ خروجی‌ که‌ تابعی‌ از چهار عامل‌ کنترلی‌مزبور است‌ را می‌توان‌ از رابطه‌ (۱) محاسبه‌کرد:
به‌ عنوان‌ مثال‌ به‌ ازای‌ ۱=۰۲/۱, V0=V1،۲=M، ۳=N، تعداد مؤثر ولتاژ خروجی‌ برابر۰۱۳/۱ محاسبه‌ می‌شود.
در عمل‌ سه‌ محدودیت‌ برای‌ استفاده‌ ازDCM وجود دارد، محدودیت‌ اول‌، تولیدزیرهارمونیکهاست‌ که‌ خود می‌تواند به‌ عنوان‌عامل‌ مشکل‌زا برای‌ سایر تجهیزات‌ شبکه‌،در صورت‌ عدول‌ از مقادیر مجاز به‌ شمار رود. مشکل‌ دوم‌، ایجاد فلیکرو یا سوسوزدن‌ وتغییر مقدار ولتاژ است‌ و محدودیت‌ سوم‌ آن‌است‌ که‌ پاسخ‌ زمانی‌ سیستمهایی‌ که‌ با DCMتغذیه‌ می‌شوند، باید در مقایسه‌ باسیکل‌ DCM به‌ اندازه‌ کافی‌ طولانی‌ باشد که‌حالتهای‌ گذرای‌ شکل‌ موج‌ برای‌ آن‌ مشکلی‌به‌ وجود نیاورد.
در مورد فلیکر یا سوسوزدن‌ لامپها،آستانه‌ تشخیص‌ سوسوزدن‌ لامپ‌ برای‌ افرادمختلف‌، متفاوت‌ است‌. از سوی‌ دیگر پاسخ‌زمانی‌ لامپهای‌ باتوان‌ کم‌ در برابر تغییر ولتاژدر مقایسه‌ با لامپها با توان‌ بالاتر، کوتاهتر است‌. یک‌ راه‌ حل‌ بررسی‌ آماری‌مشاهده‌کنندگان‌ مختلف‌ و میزان‌ تشخیص‌فلیکر توسط آنها و سپس‌ محدوده‌ای‌ در این‌زمینه‌ در جهت‌ تعیین‌ عوامل‌ DCM است‌.

ملاحظات‌ اقتصادی‌
مهمترین‌ محدودیت‌ در بکارگیری‌ عملی‌این‌ تغییردهنده‌های‌ ولتاژ، هزینه‌های‌ نسبی‌بالای‌ آن‌ است‌. برای‌ داشتن‌مقادیر نوعی‌ از هزینه‌ها، هزینه‌ مربوط به‌یک‌ تغییردهنده‌ ولتاژ برای‌ ترانسفورماتور باظرفیت‌ ۳۰ مگاولت‌آمپر و در ولتاژ ۳۴/۵کیلوولت‌ آورده‌ شده‌ است‌. دو ستون‌ از این‌جدول‌ مربوط به‌ دو نوع‌ طراحی‌ است‌ که‌کارشناسان‌ EPRI انجام‌ داده‌اند و ستون‌بعدی‌ مربوط به‌ هزینه‌های‌ طرح‌ ارایه‌ شده‌ دراین‌ نوشتار است‌.
جمع‌بندی‌
در این‌ نوشتار یک‌ تغییردهنده‌ ولتاژالکترونیکی‌ ترانسفورماتور موسوم‌ به‌تپ‌چنجر که‌ در مقایسه‌ با انواع‌ مکانیکی‌ والکترونیکی‌ قبلی‌ مزایای‌ مختلفی‌ دارد،معرفی‌ شده‌ است‌. محدودیت‌ اصلی‌بکارگیری‌ این‌ تجهیز، هزینه‌ بالای‌ آن‌ است‌که‌ انتظار می‌رود با پیشرفت‌ ساخت‌ کلیدهای‌ الکترونیکی‌ برای‌ توانهای‌ بالا این‌ هزینه‌کاهش‌ یابد. از مزایای‌ روش‌ مطرح‌ شده‌ می‌توان‌ به‌ سرعت‌ بالا و پاسخ‌ زمانی‌ سریع‌سیستم‌ و هزینه‌ کم‌ تعمیرات‌ ونگهداری‌ اشاره‌کرد. در مقابل‌، مشکل‌ ایجاد زیر هارمونیکها وسوسوزدن‌ ولتاژ بیشتر مطرح‌ است‌ که‌ می‌توان‌با تنظیم‌ مناسب‌ عوامل‌ کنترلی‌، آن‌ را به‌مقادیر مجاز کاهش‌ داد. یک‌ نمونه‌ از تغییردهنده‌ ولتاژ فوق‌ با ظرفیت‌ کم‌ (۶کیلوولت‌ آمپر) طراحی‌ و ساخته‌ شده‌ و کاهش‌هزینه‌ ناشی‌ از این‌ طرح‌ در مقایسه‌ با انواع‌قبلی‌ الکترونیک‌ بین‌ ۲۰ تا ۵۰ درصد بوده‌است‌. این‌ کاهش‌ هزینه‌ ناشی‌ از امکان ‌استفاه‌ از کلیدهای‌ الکترونیکی‌ با ظرفیت‌کمتر در تغییردهنده‌ ولتاژ الکترونیکی‌ است‌.


برگردان‌: سعید محسنی‌


مرجع‌ :
IEEE Trans. On PWRD Vol.13,No.3, July 1998. PP.952-961


ماهنامه صنعت برق

دیدگاه خود را بیان کنید

لطفا پیام خود را وارد نمایید
لطفا نام خود را در این قسمت وارد نمایید