ترانسفورماتور فرکانس متغیر: یک راهکار جدید برای انتقال آسنکرون توان

چکیده

عبارات شاخص

 مفهوم کلی ترانسفورماتور فرکانس متغیر و اجزای اصلیشکل 1. اجزای اصلی ترانسفورماتور فرکانس متغیر. 

پست ترانسفورماتور فرکانس متغیر 100 مگاواتی لانگوئیسشکل

 شمای تک‌خطی ترانسفورماتور فرکانس متغیر لانگوئیس.

شکل 3. طرح فیزیکی یک پست ترانسفورماتور فرکانس متغیر 200 مگاواتی با دو واحد.

1. عملکرد ترانسفورماتور فرکانس متغیر و ویژگی‌های کنترلی

الف. گاورنر

ب. میراکردن نوسان توان

ج. بازگشت توان

د. جبران توان راکتیو

1. کنترل ترانسفورماتور فرکانس متغیر و سیستم حفاظتی

شکل 4. سیستم کنترل و حفاظت ترانسفورماتور فرکانس متغیر.

1. مدل‌های ترانسفورماتور فرکانس متغیر برای مطالعات برنامه‌ریزی

شکل 5. مدل معادل قدرت ترانسفورماتور فرکانس متغیر برای تحلیل اتصال کوتاه و پخش بار.

شکل6. مدل ترانسفورماتور فرکانس متغیر برای شبیه‌سازی‌های دینامیکی.

جدول 1. اطلاعات معمول ترانسفورماتور فرکانس متغیر برای مطالعات برنامه‌ریزی اولیه.

1. پاسخ دینامیکی ترانسفورماتور فرکانس متغیر

شکل 7. پاسخ پلۀ ترانسفورماتور فرکانس متغیر.

شکل 8. پاسخ ترانسفورماتور فرکانس متغیر به خطایی در شبکۀ ac.

شکل 9. رمپ‌های توان ترانسفورماتور فرکانس متغیر در طی عملکرد آسنکرون با شبکه‌های قدرت نیویورک و کبک.

 

شکل 10. پاسخ ترانسفورماتور فرکانس متغیر به قطع ژنراتور روی شبکۀ ایزوله شده.

1. نتیجه‌گیری

ک فناوری جدید برای انتقال توان توسعه می‌یابد. ترانسفورماتور فرکانس متغیر (VFT) یک دستگاه انتقال کنترل‌پذیر و دوسویه است که می‌تواند توان را بین شبکه‌های آسنکرون انتقال دهد. از لحاظ کارکرد، ترانسفورماتور فرکانس متغیر مشابه مبدل پشت به پشت HVDC است. فناوری اصلی ترانسفورماتور فرکانس متغیر عبارت از یک ترانسفورماتور گردنده (چرخشی) با سیم‌پیچ های سه فاز در هر دوی روتور و استاتور است. یک موتور و یک سیستم درایو به منظور تنظیم موقعیت چرخشی روتور نسبت به استاتور به کار می‌روند، در نتیجه دامنه و جهت عبور توان از ترانسفورماتور فرکانس متغیر کنتل می‌شود. اولین ترانسفورماتور فرکانس متغیر دنیا اخیراً در پست لانگوئیس هیدرو کِبِک نصب شد، جایی که از آن می‌توان برای تبادل توان تا 100 مگاوات بین شبکه‌های آسنکرون توان کبک (کانادا) و نیویورک (آمریکا) استفاده کرد. این مقاله فناوری ترانسفورماتور فرکانس متغیر را توصیف کرده و مروری دارد بر تجهیزات ترانسفورماتور فرکانس متغیر نصب شده در پست لانگوئیس. نتایج تست‌های انجام شده نیز ارائه می‌شود.

ترانسفورماتور فرکانس متغیر (VFT) اساساً یک ترانسفورماتور جابجاکنندۀ پیوستۀ فاز متغیر است که می‌تواند در یک زاویه فاز قابل تنظیم کار کند. فناوری اصلی این ترانسفورماتور یک ترانسفورماتور گرنده با سیم‌پیچ‌های سه فاز بر روی هردوی روتور و استاتور است (شکل 1 را ببینید). سیستم کنترلر جریان را بین سیم‌پیچ سه فاز روتور و شبکۀ شینۀ ساکن آن هدایت می‌کند. یک شبکۀ توان به سمت روتور ترانسفورماتور و شبکۀ دیگر توان به سمت استاتور این ترانسفورماتور متصل شده است. شکل 1. اجزای اصلی ترانسفورماتور فرکانس متغیر. عبور توان متناسب با زاویۀ ترانسفورماتور گردنده است، که در هر مدار توان ac دیگر نیز چنین است. امپدانس ترانسفورماتور گردنده و شبکۀ ac تعیین کنندۀ دامنۀ تغییر فاز لازم برای یک ترانسفورماتور توان داده شده است. عبور توان از ترانسفورماتور گردنده تابعی از گشتاور اعمالی به روتور است. اگر گشتاور به یک سمت اعمال شود، توان از سیم‌پیچ استاتور به سیم‌پیچ روتور عبور می‌کند. اگر گشتاور در جهت مخالف اعمال شود، توان از سیم‌پیچ روتور به سیم‌پیچ استاتور عبور می‌کند. عبور توان متناسب با دامنه و جهت گشتاور اعمالی است. اگر گشتاوری اعمال نشود، هیچ توانی از ترانسفورماتور گردنده عبور نمی‌کند. بدون توجه به جهت جریان، روتور به طور ذاتی خود را می‌چرخاند تا از اختلاف زاویه تحمیل شده از دو سیستم آسنکرون تبعیت کند و اگر شبکه‌ها دارای فرکانس‌های مختلف بانشد به طور پیوسته گردش خواهد کرد. گشتاور با یک موتور درایو به روتور اعمال می‌شود، این موتور با سیستم داریو سرعت متغیر کنترل می‌شود. وقتی یک ترانسفورماتور فرکانس متغیر برای اتصال دو شبکۀ توان با فرکانس یکسان به کار می‌رود، سرعت عملکرد طبیعی آن صفر است. بنابراین، سیستم موتور و درایو هرچند دارای سرعت صفر است (standstill)، به منظور تولید پیوستۀ گشتاور به کار می‌رود. اگر شبکۀ توان در یک سمت اغتشاشی را تجربه کند که موجب یک انحراف فرکانس می‌شود آنگاه ترانسفورماتور فرکانس متغیر در سرعتی متناسب با اختلاف فرکانس میان دو شبکۀ توان چرخش خواهد کرد. به دلیل این عملکرد پخش بار حفظ می‌شود. ترانسفورماتور فرکانس متغیر به منظور تنظیم پیوستۀ عبور توان با جابجایی فاز روی هر دو شبکه، طراحی شده است. یک رگولاتور حلقه بستۀ توان باعث می‌شود انتقال توان معادل یک نقطۀ تنظیم اپراتور حفظ شود. این رگولاتور توان اندازه‌گیری‌شده با نقطه تنظیم را مقایسه کرده و گشتاور موتور را به عنوان تابعی از خطای توان تنظیم می‌کند. رگولاتور توان به اندازه‌ای سریع است که می‌تواند به اغتشاشات شبکه پاسخ داده و انتقال پایدار توان را حفظ کند. عبور توان راکتیو از ترانسفورماتور فرکانس متغیر از قوانین مرسوم مدارهای ac پیروی می‌کند. این کار با امپدانس سری ترانسفورماتور رحشی و اختلاف دامنۀ ولتاژهای دو سمت تعیین می‌شود. برخلاف راهکارهای الکترونیک قدرتی، ترانسفورماتور فرکانس متغیر هیچ هارمونیکی تولید نکرده و نمی‌تواند موجب برهمنکش‌های نامطلوب با ژنراتورهای مجاور یا تجهیزات دیگر روی شبکه شود. 2. پست ترانسفورماتور فرکانس متغیر 100 مگاواتی لانگوئیس این پست در جنوب غربی مونترال، کبک، در رابط الکتریکی میان شبکه‌های قدرت کبک و ایالات متحده قرار داد. یک ترانسفورماتور فرکانس متغیر 100 مگاواتی در لانگوئیس نصب شد تا انتقال توان میان دو شبکۀ قدرت آسنکرون را امکانپذیر کند. شکل 2 یک شمای تک‌خطی ساده شدۀ ترانسفورماتور فرکانس متغیر لانگوئیس را نشان می‌دهد که شامل موارد ذیل است: • یک ترانسفورماتور چرخشی 105 مگاولت‌آمپر، 17 کیلوولتی • یک موتور dc با قدرت 3000 اسب بخار و سیستم درایو سرعت متغیر • سه بانک خازنی شنت کلیدزنی شده 25 مگاوار • دو ترانسفورماتور معمول افزایندۀ ژنراتور 17/120 کیلوولت شکل 3 یک طرح فیزیکی مرسوم یک ایستگاه ترانسفورماتور فرکانس متغیر 200 مگاواتی با دو واحد ترانسفورماتور فرکانس متغیر 100 مگاواتی را نشان می‌دهد. ایستگاه ترانسفورماتور فرکانس متغیر لانگوئیس در نهایت مشابه همین است. در حال حاضر، اولین مرحلۀ 100 مگاواتی در لانگوئیس تکمیل شده است. ساتمان موجود طوری طراحی شده است که قابل گسترش باشد. حیاط دارای فضا برای ترانسفورماتورها، بانک‌های خازنی و تابلو برق‌های مربوط به دومین واحد ترانسفورماتور فرکانس متغیر است.