معرفي يك تغييردهنده ولتاژ الكترونيكي تحت بار جديد

در اين‌ نوشتار، روش‌ جديدي‌ براي‌ تغيير ولتاژ خروجي‌ ترانسفورماتورها با استفاده‌از كليدهاي‌ الكترونيكي‌ و تعدادي‌ سيم‌پيچ‌ تغيير وضعيت‌ معرفي‌ مي‌شود. از جمله‌ مزاياي‌اين‌ روش‌ مي‌توان‌ به‌ امكان‌ ايجاد 48 پله‌ در ولتاژ در مقايسه‌ با سيستمهاي‌ مكانيكي‌تغيير ولتاژ كه‌ معمولا 16 سطح‌ ولتاژ را ايجاد مي‌كند، امكان‌ گذر از يك‌ ولتاژ به‌ ولتاژ ديگربدون‌ عبور از مقادير مياني‌ آنها و استفاده‌ از تعداد كمتري‌ سيم‌پيچ‌ براي‌ تغييردهنده‌ ولتاژاشاره‌ كرد. در متن‌ نوشتار مثالهايي‌ براي‌ تغييردهنده‌ ولتاژ براي‌ ترانسهاي‌ با ظرفيت‌ 30و 100 مگاولت‌ آمپر مطرح‌ شده‌ و نتايج‌ آزمايشهاي‌ انجام‌ شده‌ براي‌ يك‌ نمونه‌ عملي‌ وساخته‌ شده‌ با ظرفيت‌ 6 كيلوولت‌ آمپر ارايه‌ شده‌ كه‌ نشانگر كاهش‌ ميزان‌ هارمونيكها وفيلكوهاست‌. همچنين‌ بررسي‌ اقتصادي‌، حكايت‌ از كاهش‌ هزينه‌هاي‌ اين‌ تغييردهنده‌ولتاژ در مقايسه‌ با انواع‌ الكترونيكي‌ قبلي‌ دارد.

استفاده‌ از تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژالكترونيكي‌ به‌ دليل‌ عملكرد مناسبتر وهزينه‌هاي‌ نگهداري‌ كمتر، نسبت‌ به‌ سايرانواع‌ آن‌ برتري‌ دارد. از سوي‌ ديگر بالا بودن‌هزينه‌ اوليه‌ اين‌ سيستمها در مقايسه‌ با انواع‌مكانيكي‌ آن‌، بكارگيري‌ آنها را در عمل‌ بامحدوديت‌ مواجه‌ كرده‌ است‌. روش‌ ارايه‌ شده‌در اين‌ نوشتار تركيبي‌ از تغييردهنده‌ ولتاژالكترونيكي‌ با تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژمكانيكي‌ است‌. به‌ اين‌ صورت‌ كه‌ با استفاده‌ ازتعاد كمتري‌ سيم‌پيچ‌ تغير دهنده‌ ولتاژ (درمقايسه‌ با نوع‌ مكانيكي‌) بكارگيري‌ كليدهاي‌الكترونيكي‌ و اعمال‌ روش‌ كنترلي‌ مناسب‌،سطوح‌ ولتاژ بيشتري‌ را با صرف‌ هزينه‌ كمتربراي‌ ترانسفورماتور ايجاد مي‌كند.

فكر اصلي‌ در اين‌ كار استفاده‌ ازمدولاسيون‌ سيكل‌ گسسته‌ (DCM) است‌. دراين‌ روش‌ مي‌توان‌ با تركيب‌ دو موج‌ بادامنه‌هاي‌ متفاوت‌ وابسته‌ با اختلاف‌ كم‌ ازيكديگر، موج‌ خروجي‌ موردنظر را كه‌ دامنه‌اي‌بين‌ اين‌ دو موج‌ دارد، به‌ دست‌ آورد. موضوع‌ديگر شكل‌ مداري‌ (توپولوژي‌) مورد نياز براي‌دستيابي‌ به‌ اهداف‌ فني‌ موردنظر و همزمان‌،كاهش‌ هزينه‌هاست‌. پس‌ از بررسيهاي‌ بعمل‌آمده‌، در نهايت‌ آرايشي‌ شامل‌ يك ‌سيم‌پيچي‌ تغييردهنده‌ ولتاژ ترانسفورماتور به‌همراه‌ چهار كليد الكترونيكي‌ استفاده‌ شده‌است‌.

سابقه‌ موضوع‌
تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژ ترانسها يكي‌ ازتجهيزات‌ هزينه‌ بر سيستمهاي‌ قدرت‌ است‌.اين‌ وسيله‌ كاربردهاي‌ متعددي‌ دارد كه‌ ازجمله‌ مي‌توان‌ به‌ ترانسفورماتورهاي‌تنظيم‌كننده‌ ولتاژ AC، ترانسفورماتورهاي‌مورد استفاده‌ در يكسوكننده‌ و معكوس‌كننده‌سيستمهاي‌ ولتاژ بالاي‌ مستقيم‌ (HVDC) وتنظيم‌كننده‌هاي‌ زاويه‌ فاز تجهيزات‌ تحت‌بارهاي‌ مختلف‌ نام‌ برد. در تمام‌ روشهايي‌ كه‌براي‌ تغيير ولتاژ خروجي‌ ترانسفورماتورها استفاده‌ مي‌شود، مسأله‌ كليدزني‌ مطرح‌ است‌.در يك‌ روش‌ متداول‌ از كنتاكت‌هاي‌ ثابت‌ ومتحرك‌ نسبتا گران‌ قيمت‌ اتفاده‌ مي‌شود،كنتاكت‌هاي‌ متحرك‌ با تغيير وضعيت‌ واتصال‌ به‌ يك‌ سري‌ كنتاكت‌ ثابت‌، تعدادحلقه‌هاي‌ سيم‌پيچ‌ اوليه‌ و به‌ دنبال‌ آن‌ ولتاژ راتغيير مي‌دهند. اين‌ كار در زماني‌ كمتر از 10ميلي‌ثانيه‌ انجام‌ مي‌شود. در روش‌ ديگركليدزني‌، با استفاده‌ از كليدهاي‌ الكترونيكي‌،با استفاده‌ از كليدهاي‌ الكترونيكي‌، تغييرتعداد حلقه‌هاي‌ سيم‌پيچ‌ در زمان‌ كوتاه‌تري‌ انجام‌ مي‌شود، با كنترل‌ گيت‌ كليدهايي‌ نظيرتريستور (SCR) و يا تريستور با قابليت‌ قطع‌توسط گيت‌ (GTO)كه‌ به‌ صورت‌ زوجي‌ و به‌شكل‌ معكوس‌ به‌ يكديگر متصل‌ شده‌اند،مي‌توان‌ كليدزني‌ سيم‌پيچ‌ها را انجام‌ داد. دراين‌ روش‌ با يك‌ سيستم‌ كنترل‌ از قبل‌ تنظيم ‌شده‌، مي‌توان‌ با روشن‌ كردن‌ مناسب‌ كليدها،تعدادي‌ از سيم‌پيچها را اتصال‌ كوتاه‌ كرده‌ وتعدادي‌ ديگر را در مدار آورد. در صورت‌استفاده‌ از تعداد بيشتري‌ سيم‌پيچ‌ كه‌ نيروي‌محركه‌ القا شده‌ در تعدادي‌ از آنها در جهت‌مخالف‌ ولتاژ اصلي‌ است‌ و نيز استفاده‌ از تعدادبيشتري‌ كليد الكترونيكي‌، مي‌توان‌ محدوده‌وسيعي‌ را براي‌ ولتاژ خروجي‌ ايجاد كرد.
تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژ مكانيكي‌، همواره‌سمت‌ ولتاژ بالاي‌ ترانسفورماتور كه‌ جريان‌كمتري‌ دارد، نصب‌ مي‌شود. اما در نوع ‌الكترونيكي‌، براي‌ كاهش‌ هزينه‌ و دستيابي‌به‌ محدوده‌ وسيعتر براي‌ ولتاژ خروجي‌،تغيردهنده‌ در سمت‌ اوليه‌ ترانس‌ يا در ثانويه‌و در صورت‌ لزوم‌ در هر دو سمت‌ مي‌توانداستفاده‌ نشود. از سوي‌ ديگر، استفاده‌ از تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژ الكترونيكي‌ مشكلات‌ ومحدوديتهايي‌ نيز دارد، هزينه‌ بالاي‌كليدهاي‌ الكترونيك‌ موردنياز كه‌ بايد تحمل‌جريان‌ و ولتاژ زيادي‌ را داشته‌ باشند، تلفات‌اين‌ كليدها درحالت‌ كار كه‌ جريان‌ از آنها عبورمي‌كند و سيم‌پيچ‌هاي‌ خاصي‌ كه‌ براي‌ تأمين‌محدوده‌ مورد نظر به‌ منظور تأمين‌ ولتاژخروجي‌ موردنياز هستند، از جمله‌ اين‌ موارداست‌. بنابراين‌ هدف‌ اصلي‌ كاهش‌ تعدادكليدهاي‌ الكترونيكي‌ موردنياز، پايين‌ آوردن‌ظرفيت‌ آنهاو استفاده‌ از سيم‌پيچهاي‌ كمتر وبا آرايش‌ ساده‌تر است‌. اين‌ مشكلات‌ ا جرايي‌باعث‌ شده‌ تا تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژ الكترونيك‌ نتوانند با هزينه‌اي‌ مناسب‌ ساخته‌و به‌ صورت‌ تجاري‌ بكار گرفته‌ شوند. يك‌روش‌ ساده‌ ارايه‌ شده‌ براي‌ اقتصادي‌ كردن‌تغييردهنده‌ ولتاژ الكترونيكي‌، كنترل‌ زاويه‌ فازبراي‌ تغيير مقدار ولتاژ خروجي‌ است‌. اين‌روش‌ درعين‌ سادگي‌ موجب‌ ايجادهارمونيكهاي‌ مزاحم‌ در شبكه‌ شده‌ كه‌ خود به‌صورت‌ مضاعف‌ نياز به‌ هزينه‌اي‌ براي‌استفاده‌ از فيلترهاي‌ هارمونيكي‌ را مطرح‌مي‌كند. با توجه‌ به‌ توضيحات‌ فوق‌، به‌ نظرمي‌رسد تا تبديل‌ تنظيم‌كننده‌هاي‌ ولتاژالكترونيكي‌ به‌ نحوي‌ كه‌ بتوانند به‌ صورت‌گسترده‌ و بخصوص‌ براي‌ ترانسفورماتورهاي‌با ظرفيت‌ بالا، بكار گرفته‌ شوند، راهي‌طولاني‌ وجود دارد.

مدولاسيون‌ سيكل‌ گسسته‌ (DCM)
مبناي‌ كار مدولاسيون‌ سيكل‌ گسسته‌،استفاده‌ از ترانسفورماتور با تعدادتغييردهنده‌هاي‌ كمتر براي‌ دستيابي‌ به‌ شكل‌موج‌ ولتاژ خروجي‌ موردنياز، است‌. اين‌ كار باكليدزني‌ و در مدار قرار دادن‌ يا از مدار خارج ‌كردن‌ تعدادي‌ از سيم‌پيچهاي‌ تغييردهنده‌ولتاژ ترانس‌، انجام‌ مي‌شود. با اين‌ كار مقدارمؤثر ولتاژ خروجي‌، در مقدار مطلوب‌، تنظيم‌مي‌شود. براي‌ كاهش‌ هارمونيكهاي‌ توليديد،طي‌ عمليات‌ تغيير سيم‌پيچ‌، تغيير وضعيت‌ درلحظه‌ عبور جريان‌ از صفر انجام‌ مي‌شود. يك‌دوره‌ تناوب‌ از مدولاسيون‌ سيكل‌ گسسته‌نمايش‌ داده‌ شده‌ است‌. همان‌ طور ه‌ در شكل‌(1) ديده‌ مي‌شود از DCM براي‌ تطبيق‌ولتاژهايي‌ با دامنه‌هاي‌ نامساوي‌ با يكديگراستفاده‌ شده‌ است‌. مقدار مؤثر ولتاژ خروجي‌ با چهار عامل‌ كنترلي‌ M, V1, V0و N كنترل‌مي‌شود كه‌ V1, V0 به‌ ترتيب‌ ولتاژهاي‌ كم‌ وزياد موردنظر، M تعداد سيكلهاي‌ ولتاژ بالاتر(V1) و N تعداد كل‌ سيكهاي‌ موج‌ در يك‌ دوره‌مدولاسيون‌ سيكل‌ گسسته‌ است‌. مقدار مؤثرولتاژ خروجي‌ كه‌ تابعي‌ از چهار عامل‌ كنترلي‌مزبور است‌ را مي‌توان‌ از رابطه‌ (1) محاسبه‌كرد:
به‌ عنوان‌ مثال‌ به‌ ازاي‌ 1=02/1, V0=V1،2=M، 3=N، تعداد مؤثر ولتاژ خروجي‌ برابر013/1 محاسبه‌ مي‌شود.
در عمل‌ سه‌ محدوديت‌ براي‌ استفاده‌ ازDCM وجود دارد، محدوديت‌ اول‌، توليدزيرهارمونيكهاست‌ كه‌ خود مي‌تواند به‌ عنوان‌عامل‌ مشكل‌زا براي‌ ساير تجهيزات‌ شبكه‌،در صورت‌ عدول‌ از مقادير مجاز به‌ شمار رود. مشكل‌ دوم‌، ايجاد فليكرو يا سوسوزدن‌ وتغيير مقدار ولتاژ است‌ و محدوديت‌ سوم‌ آن‌است‌ كه‌ پاسخ‌ زماني‌ سيستمهايي‌ كه‌ با DCMتغذيه‌ مي‌شوند، بايد در مقايسه‌ باسيكل‌ DCM به‌ اندازه‌ كافي‌ طولاني‌ باشد كه‌حالتهاي‌ گذراي‌ شكل‌ موج‌ براي‌ آن‌ مشكلي‌به‌ وجود نياورد.
در مورد فليكر يا سوسوزدن‌ لامپها،آستانه‌ تشخيص‌ سوسوزدن‌ لامپ‌ براي‌ افرادمختلف‌، متفاوت‌ است‌. از سوي‌ ديگر پاسخ‌زماني‌ لامپهاي‌ باتوان‌ كم‌ در برابر تغيير ولتاژدر مقايسه‌ با لامپها با توان‌ بالاتر، كوتاهتر است‌. يك‌ راه‌ حل‌ بررسي‌ آماري‌مشاهده‌كنندگان‌ مختلف‌ و ميزان‌ تشخيص‌فليكر توسط آنها و سپس‌ محدوده‌اي‌ در اين‌زمينه‌ در جهت‌ تعيين‌ عوامل‌ DCM است‌.

ملاحظات‌ اقتصادي‌
مهمترين‌ محدوديت‌ در بكارگيري‌ عملي‌اين‌ تغييردهنده‌هاي‌ ولتاژ، هزينه‌هاي‌ نسبي‌بالاي‌ آن‌ است‌. براي‌ داشتن‌مقادير نوعي‌ از هزينه‌ها، هزينه‌ مربوط به‌يك‌ تغييردهنده‌ ولتاژ براي‌ ترانسفورماتور باظرفيت‌ 30 مگاولت‌آمپر و در ولتاژ 34/5كيلوولت‌ آورده‌ شده‌ است‌. دو ستون‌ از اين‌جدول‌ مربوط به‌ دو نوع‌ طراحي‌ است‌ كه‌كارشناسان‌ EPRI انجام‌ داده‌اند و ستون‌بعدي‌ مربوط به‌ هزينه‌هاي‌ طرح‌ ارايه‌ شده‌ دراين‌ نوشتار است‌.
جمع‌بندي‌
در اين‌ نوشتار يك‌ تغييردهنده‌ ولتاژالكترونيكي‌ ترانسفورماتور موسوم‌ به‌تپ‌چنجر كه‌ در مقايسه‌ با انواع‌ مكانيكي‌ والكترونيكي‌ قبلي‌ مزاياي‌ مختلفي‌ دارد،معرفي‌ شده‌ است‌. محدوديت‌ اصلي‌بكارگيري‌ اين‌ تجهيز، هزينه‌ بالاي‌ آن‌ است‌كه‌ انتظار مي‌رود با پيشرفت‌ ساخت‌ كليدهاي‌ الكترونيكي‌ براي‌ توانهاي‌ بالا اين‌ هزينه‌كاهش‌ يابد. از مزاياي‌ روش‌ مطرح‌ شده‌ مي‌توان‌ به‌ سرعت‌ بالا و پاسخ‌ زماني‌ سريع‌سيستم‌ و هزينه‌ كم‌ تعميرات‌ ونگهداري‌ اشاره‌كرد. در مقابل‌، مشكل‌ ايجاد زير هارمونيكها وسوسوزدن‌ ولتاژ بيشتر مطرح‌ است‌ كه‌ مي‌توان‌با تنظيم‌ مناسب‌ عوامل‌ كنترلي‌، آن‌ را به‌مقادير مجاز كاهش‌ داد. يك‌ نمونه‌ از تغييردهنده‌ ولتاژ فوق‌ با ظرفيت‌ كم‌ (6كيلوولت‌ آمپر) طراحي‌ و ساخته‌ شده‌ و كاهش‌هزينه‌ ناشي‌ از اين‌ طرح‌ در مقايسه‌ با انواع‌قبلي‌ الكترونيك‌ بين‌ 20 تا 50 درصد بوده‌است‌. اين‌ كاهش‌ هزينه‌ ناشي‌ از امكان ‌استفاه‌ از كليدهاي‌ الكترونيكي‌ با ظرفيت‌كمتر در تغييردهنده‌ ولتاژ الكترونيكي‌ است‌.