تولید هارمونیک ترانسفورماتور یکسو کننده و تجزیه و تحلیل ضربه

ترانسفورماتورهای یکسو کننده قطعات اصلی تجهیزات تخصصی هستند که در الکترولیز صنعتی، آبکاری الکتریکی، بارش الکترواستاتیک، ذوب فرکانس متوسط-، تبدیل DC فتوولتائیک، و سیستم‌های درایو فرکانس متغیر{{1} استفاده می‌شوند. برخلاف ترانسفورماتورهای توزیع استاندارد، ترانسفورماتورهای یکسو کننده تحت شرایطی کار می کنند که شامل تبدیل AC به-DC، بارهای افزایشی، و هدایت غیر خطی می شود. در نتیجه، آنها به ناچار هارمونیک های شبکه را در طول عملیات تولید می کنند. هارمونیک ها عامل اصلی کاهش کیفیت توان، گرمای بیش از حد تجهیزات، آسیب خازن، خطاهای اندازه گیری و جریمه های برق هستند. برای رسیدگی به مسائل هارمونیک در تنظیمات صنعتی، هنان زین‌تایلنگ چند پالس استاندارد شده- را ارائه می‌کندترانسفورماتورهای یکسو کننده(6-پالس، 12 پالس، و 24 پالس) طراحی شده برای بهینه سازی شکل موج و سرکوب هارمونیک ها در منبع. بخش زیر توضیحی سیستماتیک در مورد اصول تولید هارمونیک، فرآیند شکل‌گیری، خطرات واقعی و استراتژی‌های کاهش استاندارد صنعت ارائه می‌دهد.

I. اصول اصلی تولید هارمونیک در ترانسفورماتورهای یکسو کننده

1. هدایت غیر خطی در مدارهای یکسو کننده علت اصلی هارمونیک ها است.

ترانسفورماتورهای توزیع استاندارد معمولاً بارهای مقاومتی یا القایی صرف را ارائه می دهند که منجر به شکل موج جریان سینوسی استاندارد عاری از آلودگی هارمونیک می شود. در مقابل، سمت ولتاژ پایین ترانسفورماتور یکسو کننده به پل های یکسو کننده دیود یا تریستور متصل می شود و یک بار غیر خطی معمولی را تشکیل می دهد. اجزای یکسو کننده به طور مداوم هدایت نمی شوند. در عوض، آنها در زوایای فاز خاصی از شکل موج AC فعال می شوند و ورودی AC را قبل از تبدیل آن به DC به شکل موج ناپیوسته تبدیل می کنند.
جریان سینوسی صاف و گرد در ابتدا برش خورده، کوتاه شده و ناپیوسته می شود و باعث می شود شکل موج شیب، بریدگی، بالای تخت و تغییرات ناگهانی را نشان دهد. طبق اصول تحلیل فوریه، هر شکل موج تحریف شده را می توان به یک موج بنیادی استاندارد به اضافه هارمونیک های فرکانس بالا-تجزیه کرد. این دلیل اساسی برای تولید هارمونیک در سیستم های یکسو کننده است.

2. تعداد پالس های یکسو کننده مستقیماً شدت هارمونیک ها را تعیین می کند

پیکربندی سیم پیچ ترانسفورماتور یکسو کننده تعداد پالس های یکسو کننده را تعیین می کند. هرچه تعداد پالس کمتر باشد، اعوجاج شکل موج شدیدتر و محتوای هارمونیک بیشتر است:
• 6-تصحیح پالس: دارای ساختار ساده و هزینه کم است، اما سطوح قابل توجهی از هارمونیک‌های مرتب{{7} پایین (پنجم، هفتم، یازدهم و سیزدهم) ایجاد می‌کند. هارمونیک های مرتبه پایین دارای انرژی بالا و قدرت نفوذ قوی هستند. آنها سخت ترین برای کاهش و علت اصلی بیش از حد سطوح هارمونیک در اکثریت قریب به اتفاق کارخانه ها هستند. آنها معمولاً با تجهیزات کوچک و کم بار همراه هستند.
12-پالس و 24-تصحیح پالس: با استفاده از دو-تغییر فاز سیم پیچ، پیکربندی‌های دو ستاره (ترانسفورماتور بین فازی) و ساخته شده-در راکتورهای متعادل کننده، هارمونیک‌های تولید شده توسط دو مجموعه یکسوکننده دیگر می‌توانند از یکدیگر خارج شوند. این امر به طور قابل توجهی هارمونیک های پایین- مرتبه پایین-تنها هارمونیک های حداقل مرتبه بالا را حذف می کند - و صافی شکل موج را تا حد زیادی بهبود می بخشد، و آن را برای برنامه های پرقدرت که نیاز به تولید مداوم 24 ساعته دارند، مناسب می کند.

3. اشباع مغناطیسی هسته و سوگیری DC آلودگی هارمونیک را تشدید می کند

در طول یکسوسازی، مقدار کمی از جریان DC به سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور برمی‌گردد و باعث بایاس DC می‌شود. این امر محدوده عملیاتی هسته ترانسفورماتور را تغییر می دهد و منجر به اشباع شار مغناطیسی می شود.
هنگامی که هسته اشباع شد، جریان تحریک دیگر از یک الگوی سینوسی پیروی نمی کند. شکل موج به شدت مخدوش می شود و هارمونیک های تحریک اضافی ایجاد می کند. اینها بر هارمونیک های بار از خود مدار یکسو کننده قرار می گیرند و اعوجاج شکل موج شبکه را بیشتر بدتر می کنند و همزمان نویز تجهیزات، لرزش و تولید گرما را افزایش می دهند.

II. اثرات منفی خاص هارمونیک ها بر تجهیزات و شبکه برق

1. آسیب به واحد ترانسفورماتور یکسو کننده

هارمونیک‌ها جریان‌هایی با فرکانس بالا- هستند که اثر پوستی واضحی از خود نشان می‌دهند و جریان خود را روی سطح سیم‌پیچ‌ها متمرکز می‌کنند:
آنها باعث افزایش غیرعادی دما در سیم پیچ ها و هسته می شوند. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دمای بالا، پیری عایق را تسریع کرده و عمر مفید ترانسفورماتور را کوتاه می کند.
آنها تلفات جریان گردابی و پسماند را افزایش می دهند و هم تلفات بی-بار و هم بار را افزایش می دهند که منجر به هزینه های برق بیشتر برای کارخانه می شود.
شار مغناطیسی با فرکانس بالا- رزونانس هسته را تحریک می کند، نویز و لرزش تجهیزات را افزایش می دهد. عملکرد طولانی مدت-می تواند منجر به مشکلاتی مانند شل شدن پیچ، نشت روغن و خستگی ساختاری شود.

2. خطرات برای سیستم توزیع{1} ولتاژ پایین نیروگاه

 خازن های جبران توان راکتیو به شدت مستعد تشدید با هارمونیک هستند و باعث افزایش شدید جریان می شوند. این منجر به برآمدگی خازن، خرابی دی الکتریک، خرابی مکرر و در نهایت خرابی سیستم جبران می شود.
 مدارشکن ها، کنتاکتورها و رله های محافظ ممکن است دچار نقص عملکرد یا خاموش شدن مزاحم شوند که منجر به خاموش شدن خط تولید بدون دلیل می شود.
 خطاهای اندازه گیری در ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ رخ می دهد که منجر به اندازه گیری نادرست و اختلاف در آمار مصرف انرژی می شود.
 کابل‌ها از گرمای شدید-فرکانس بالا و کاهش ظرفیت انتقال-جریان رنج می‌برند. در تاسیسات قدیمی تر، خطوط بیش از حد گرم شده، خطر آتش سوزی قابل توجهی را به همراه دارد.

3. تداخل با تجهیزات دقیق و سیستم های اتوماسیون

هارمونیک‌های فرکانس بالا تداخل الکترومغناطیسی ایجاد می‌کنند که بر سیستم‌های سیگنال و کنترل ولتاژ پایین- نیروگاه تأثیر می‌گذارد:
 بی ثباتی سیگنال در سیستم های کنترل PLC، حسگرها و درایوهای فرکانس متغیر (VFD).
 عملیات شروع/توقف غیرعادی در خطوط تولید خودکار و رانش جمع آوری داده ها.
 قرائت نادرست از ابزار دقیق، دقت ماشینکاری محصول را به خطر می اندازد.

4. تأثیر بر شبکه برق عمومی و زیان های اقتصادی

هارمونیک های بیش از حد باعث اعوجاج ولتاژ و تخریب شکل موج در شبکه عمومی می شود که بر کیفیت توان سایر شرکت ها در همان منطقه تأثیر می گذارد. شرکت های برق، استانداردهای کیفیت برق را اجرا می کنند. نقض محدودیت های هارمونیک می تواند منجر به جریمه و جریمه برای ضریب توان نامرغوب شود. در موارد شدید، ممکن است از شرکت ها خواسته شود که تولید را برای اصلاح و نصب تجهیزات کاهش هارمونیک اضافی متوقف کنند.

III. راه حل های رایج کاهش هارمونیک برای سایت های صنعتی

1. ترانسفورماتورهای یکسو کننده چند{1} پالس را اولویت بندی کنید:ترانسفورماتورهای یکسو کننده تغییر فاز 12- و 24{4}} پالس، مقرون به صرفه ترین و پایدارترین روش برای کاهش هارمونیک در تنظیمات صنعتی هستند. آنها اکثر هارمونیک های مرتبه پایین را از طریق توپولوژی مدار خود حذف می کنند و نیاز به تجهیزات فیلتر پایین دست گسترده را از بین می برند.
2. طراحی سیم پیچ امپدانس بالا-بهینه شده: شین‌تای‌لونگترانسفورماتورهای یکسو کننده از طراحی امپدانس بالا (6% تا 12%) برای هموارسازی موثر نوسانات جریان، سرکوب اعوجاج شکل موج، کاهش دامنه هارمونیک و به حداقل رساندن اختلالات شبکه ناشی از بارهای ضربه ای استفاده می کنند.
3. نصب مناسب تجهیزات فیلتر:برای سیستم های قدیمی 6 پالس که جایگزینی ترانسفورماتور امکان پذیر نیست، دستگاه های فیلتر فعال یا غیرفعال را می توان نصب کرد تا به سرعت هارمونیک های باقی مانده را کاهش دهد و کیفیت شبکه برق را تثبیت کند.

4. ساختار سیم پیچ را بهینه کنید و بایاس مغناطیسی DC را کاهش دهید:یک ساختار سیم پیچ متقارن دو ستاره-معکوس-، مؤلفه DC را متعادل می کند و اشباع مغناطیسی هسته را کاهش می دهد، در نتیجه تولید هارمونیک های تحریک در منبع را محدود می کند.

IV. خلاصه برای مبتدیان

هارمونیک‌ها در ترانسفورماتورهای یکسو کننده، خرابی تجهیزات نیستند، بلکه ویژگی‌های ذاتی خود فرآیند یکسوسازی هستند که از سه عامل اصلی ناشی می‌شوند: یکسوسازی غیرخطی، برش شکل موج، و اشباع مغناطیسی هسته. مشکلات هارمونیک با تعداد پالس های کمتر، بارهای ضربه ای بالا و قدیمی بودن تجهیزات تشدید می شود.
تلفات، خرابی‌ها، جریمه‌ها و تخریب تجهیزات ناشی از هارمونیک‌ها نشان‌دهنده هزینه‌های پنهان طولانی مدت برای کارخانه‌ها است.