معرفي يك تغييردهنده ولتاژ الكترونيكي تحت بارجديد
در اين نوشتار، روش جديدي براي تغيير ولتاژ خروجي ترانسفورماتورهابا استفادهاز كليدهاي الكترونيكي و تعدادي سيمپيچ تغيير وضعيت معرفيميشود. از جمله مزاياياين روش ميتوان به امكان ايجاد 48 پله در ولتاژ درمقايسه با سيستمهاي مكانيكيتغيير ولتاژ كه معمولا 16 سطح ولتاژ را ايجادميكند، امكان گذر از يك ولتاژ به ولتاژ ديگربدون عبور از مقادير مياني آنها واستفاده از تعداد كمتري سيمپيچ براي تغييردهنده ولتاژاشاره كرد. در متننوشتار مثالهايي براي تغييردهنده ولتاژ براي ترانسهاي با ظرفيت 30و 100مگاولت آمپر مطرح شده و نتايج آزمايشهاي انجام شده براي يك نمونه عمليوساخته شده با ظرفيت 6 كيلوولت آمپر ارايه شده كه نشانگر كاهش ميزانهارمونيكها وفيلكوهاست. همچنين بررسي اقتصادي، حكايت از كاهش هزينههاي اينتغييردهندهولتاژ در مقايسه با انواع الكترونيكي قبلي دارد.
استفاده ازتغييردهندههاي ولتاژالكترونيكي به دليل عملكرد مناسبتر وهزينههاي نگهداريكمتر، نسبت به سايرانواع آن برتري دارد. از سوي ديگر بالا بودنهزينه اوليهاين سيستمها در مقايسه با انواعمكانيكي آن، بكارگيري آنها را در عملبامحدوديت مواجه كرده است. روش ارايه شدهدر اين نوشتار تركيبي ازتغييردهنده ولتاژالكترونيكي با تغييردهندههاي ولتاژمكانيكي است. به اينصورت كه با استفاده ازتعاد كمتري سيمپيچ تغير دهنده ولتاژ (درمقايسه بانوع مكانيكي) بكارگيري كليدهايالكترونيكي و اعمال روش كنترلي مناسب،سطوحولتاژ بيشتري را با صرف هزينه كمتربراي ترانسفورماتور ايجاد ميكند.

فكراصلي در اين كار استفاده ازمدولاسيون سيكل گسسته (dcm) است. دراين روشميتوان 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 فنيموردنظر و همزمان،كاهش هزينههاست. پس از بررسيهاي بعملآمده، در نهايتآرايشي شامل يك سيمپيچي تغييردهنده ولتاژ ترانسفورماتور بههمراه چهار كليدالكترونيكي استفاده شدهاست.

سابقه موضوع
تغييردهندههاي ولتاژترانسها يكي ازتجهيزات هزينه بر سيستمهاي قدرت است.اين وسيله كاربردهايمتعددي دارد كه ازجمله ميتوان به ترانسفورماتورهايتنظيمكنن ده ولتاژ ac،ترانسفورماتورهايمورد استفاده در يكسوكننده و معكوسكنندهسيستمهاي ولتاژبالاي مستقيم (hvdc) وتنظيمكنندههاي زاويه فاز تجهيزات تحتبارهاي مختلفنام برد. در تمام روشهايي كهبراي تغيير ولتاژ خروجي ترانسفورماتورها استفادهميشود، مسأله كليدزني مطرح است.در يك روش متداول از كنتاكتهاي ثابتومتحرك نسبتا گران قيمت اتفاده ميشود،كنتاكتهاي متحرك با تغيير وضعيتواتصال به يك سري كنتاكت ثابت، تعدادحلقههاي سيمپيچ اوليه و به دنبالآن ولتاژ راتغيير ميدهند. اين كار در زماني كمتر از 10ميليثانيه انجامميشود. در روش ديگركليدزني، با استفاده از كليدهاي الكترونيكي،با استفاده ازكليدهاي الكترونيكي، تغييرتعداد حلقههاي سيمپيچ در زمان كوتاهتري انجامميشود، با كنترل گيت كليدهايي نظيرتريستور (scr) و يا تريستور با قابليتقطعتوسط گيت (gto)كه به صورت زوجي و بهشكل معكوس به يكديگر متصلشدهاند،ميتوان كليدزني سيمپيچها را انجام داد. دراين روش با يك سيستمكنترل از قبل تنظيم شده، ميتوان با روشن كردن مناسب كليدها،تعدادي ازسيمپيچها را اتصال كوتاه كرده وتعدادي ديگر را در مدار آورد. در صورتاستفادهاز تعداد بيشتري سيمپيچ كه نيرويمحركه القا شده در تعدادي از آنها درجهتمخالف ولتاژ اصلي است و نيز استفاده از تعدادبيشتري كليد الكترونيكي،ميتوان محدودهوسيعي را براي ولتاژ خروجي ايجاد كرد.
تغييردهندههاي ولتاژمكانيكي، هموارهسمت ولتاژ بالاي ترانسفورماتور كه جريانكمتري دارد، نصبميشود. اما در نوع الكترونيكي، براي كاهش هزينه و دستيابيبه محدوده وسيعتربراي ولتاژ خروجي،تغيردهنده در سمت اوليه ترانس يا در ثانويهو در صورتلزوم در هر دو سمت ميتوانداستفاده نشود. از سوي ديگر، استفاده ازتغييردهندههاي ولتاژ الكترونيكي مشكلات ومحدوديتهايي نيز دارد، هزينهبالايكليدهاي الكترونيك موردنياز كه بايد تحملجريان و ولتاژ زيادي را داشتهباشند، تلفاتاين كليدها درحالت كار كه جريان از آنها عبورميكند وسيمپيچهاي خاصي كه براي تأمينمحدوده مورد نظر به منظور تأمين ولتاژخروجيموردنياز هستند، از جمله اين موارداست. بنابراين هدف اصلي كاهشتعدادكليدهاي الكترونيكي موردنياز، پايين آوردنظرفيت آنهاو استفاده ازسيمپيچهاي كمتر وبا آرايش سادهتر است. اين مشكلات ا جراييباعث شده تاتغييردهندههاي ولتاژ الكترونيك نتوانند با هزينهاي مناسب ساختهو به صورتتجاري بكار گرفته شوند. يكروش ساده ارايه شده براي اقتصاديكردنتغييردهنده ولتاژ الكترونيكي، كنترل زاويه فازبراي تغيير مقدار ولتاژخروجي است. اينروش درعين سادگي موجب ايجادهارمونيكهاي مزاحم در شبكه شدهكه خود بهصورت مضاعف نياز به هزينهاي براياستفاده از فيلترهاي هارمونيكيرا مطرحميكند. با توجه به توضيحات فوق، به نظرميرسد تا تبديلتنظيمكنندههاي ولتاژالكترونيكي به نحوي كه بتوانند به صورتگسترده وبخصوص براي ترانسفورماتورهايبا ظرفيت بالا، بكار گرفته شوند، راهيطولانيوجود دارد.

مدولاسيون سيكل گسسته (dcm)
مبناي كار مدولاسيون سيكلگسسته،استفاده از ترانسفورماتور با تعدادتغييردهندههاي كمتر براي دستيابي بهشكلموج ولتاژ خروجي موردنياز، است. اين كار باكليدزني و در مدار قرار دادنيا از مدار خارج كردن تعدادي از سيمپيچهاي تغييردهندهولتاژ ترانس، انجامميشود. با اين كار مقدارمؤثر ولتاژ خروجي، در مقدار مطلوب، تنظيمميشود. برايكاهش هارمونيكهاي توليديد،طي عمليات تغيير سيمپيچ، تغيير وضعيت درلحظه عبورجريان از صفر انجام ميشود. يكدوره تناوب از مدولاسيون سيكل گسستهنمايشداده شده است. همان طور ه در شكل(1) ديده ميشود از dcm برايتطبيقولتاژهايي با دامنههاي نامساوي با يكديگراستفاده شده است. مقدار مؤثرولتاژ خروجي با چهار عامل كنترلي m, v1, v0و n كنترلميشود كه v1, v0 بهترتيب ولتاژهاي كم وزياد موردنظر، m تعداد سيكلهاي ولتاژ بالاتر(v1) و n تعدادكل سيكهاي موج در يك دورهمدولاسيون سيكل گسسته است. مقدار مؤثرولتاژخروجي 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 مؤثرولتاژ خروجي برابر013/1 محاسبه ميشود.
در عمل سه محدوديت براي استفادهازdcm وجود دارد، محدوديت اول، توليدزيرهارمونيكهاست كه خود ميتواند بهعنوانعامل مشكلزا براي ساير تجهيزات شبكه،در صورت عدول از مقادير مجاز بهشمار رود. مشكل دوم، ايجاد فليكرو يا سوسوزدن وتغيير مقدار ولتاژ است ومحدوديت سوم آناست كه پاسخ زماني سيستمهايي كه با dcmتغذيه ميشوند، بايددر مقايسه باسيكل dcm به اندازه كافي طولاني باشد كهحالتهاي گذراي شكلموج براي آن مشكليبه وجود نياورد.
در مورد فليكر يا سوسوزدنلامپها،آستانه تشخيص سوسوزدن لامپ براي افرادمختلف، متفاوت است. از سويديگر پاسخزماني لامپهاي باتوان كم در برابر تغيير ولتاژدر مقايسه با لامپهابا توان بالاتر، كوتاهتر است. يك راه حل بررسي آماريمشاهدهكنندگان مختلفو ميزان تشخيصفليكر توسط آنها و سپس محدودهاي در اينزمينه در جهت تعيينعوامل dcm است.

ملاحظات اقتصادي
مهمترين محدوديت در بكارگيريعملياين تغييردهندههاي ولتاژ، هزينههاي نسبيبالاي آن است. برايداشتنمقادير نوعي از هزينهها، هزينه مربوط بهيك تغييردهنده ولتاژ برايترانسفورماتور باظرفيت 30 مگاولتآمپر و در ولتاژ 34/5كيلوولت آورده شده است. دو ستون از اينجدول مربوط به دو نوع طراحي است كهكارشناسان epri انجامدادهاند و ستونبعدي مربوط به هزينههاي طرح ارايه شده دراين نوشتاراست.
جمعبندي
در اين نوشتار يك تغييردهنده ولتاژالكترونيكيترانسفورماتور موسوم بهتپچنجر كه در مقايسه با انواع مكانيكي والكترونيكيقبلي مزاياي مختلفي دارد،معرفي شده است. محدوديت اصليبكارگيري اين تجهيز،هزينه بالاي آن استكه انتظار ميرود با پيشرفت ساخت كليدهاي الكترونيكيبراي توانهاي بالا اين هزينهكاهش يابد. از مزاياي روش مطرح شده ميتوانبه سرعت بالا و پاسخ زماني سريعسيستم و هزينه كم تعميرات ونگهدارياشارهكرد. در مقابل، مشكل ايجاد زير هارمونيكها وسوسوزدن ولتاژ بيشتر مطرحاست كه ميتوانبا تنظيم مناسب عوامل كنترلي، آن را بهمقادير مجاز كاهشداد. يك نمونه از تغييردهنده ولتاژ فوق با ظرفيت كم (6كيلوولت آمپر) طراحيو ساخته شده و كاهشهزينه ناشي از اين طرح در مقايسه با انواعقبليالكترونيك بين 20 تا 50 درصد بودهاست. اين كاهش هزينه ناشي از امكاناستفاه از كليدهاي الكترونيكي با ظرفيتكمتر در تغييردهنده ولتاژ الكترونيكياست.