50 Hz bis 100 kHz

In den Bereichen der Hilfsantriebseinheit (APU) von Flugzeugen und des Antriebssystems von unbemannten Luftfahrzeugen sind Hochfrequenzmotoren aufgrund ihrer leichten Bauweise und hohen Zuverlässigkeit zu einer idealen Wahl geworden. Mikrogasturbinen, Schwungradspeichersysteme und andere Geräte nutzen Hochfrequenzmotoren, um die Energieumwandlungseffizienz zu verbessern. Hochfrequenzmotoren können eine stärkere Saugkraft oder Windleistung liefern und gleichzeitig Lärm und Energieverbrauch reduzieren. Der Hochfrequenzmotor ist die Kernkomponente des Antriebsmotors von Elektrofahrzeugen, der eine hohe Drehzahl und ein hohes Drehmoment liefern kann und die Leistung und Reichweite des Fahrzeugs verbessert.

Eines der Kernmerkmale von Festkörpertransformatoren heutzutage ist es, die Miniaturisierung und Intelligenz des gesamten Systems durch Erhöhung der Frequenz zu erreichen und dadurch die Energieverluste zu reduzieren. Festkörpertransformator mit Mittelspannungseingang von 10/13,8kV 50/60Hz Wechselstrom, Niederspannungsausgang von 800VDC, Zwischenfrequenzisolierung und -spannungsreduzierung, mit einer Kapazität von bis zu 5000kVA.

Hochfrequenztransformatoren verwenden hochfrequente Magnetkernmaterialien wie Ferrit, um das Volumen und das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Energieübertragungseffizienz zu verbessern. Sie eignen sich für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen (MHz-Ebene) und haben eine hohe Isolationsspannung. Die Wicklungsspannung V = N × A × dB/dt, wobei N die Anzahl der Windungen, A die Querschnittsfläche des Magnetkerns und dB/dt die Änderungsrate der magnetischen Flussdichte ist. Unter der Bedingung einer konstanten Wicklungsspannung führt die Erhöhung der Schaltfrequenz f zu einer Erhöhung der Zeitänderungsrate t und einer Erhöhung der magnetischen Flussdichteänderungsrate dB/dt, was zu einer Verringerung der Querschnittsfläche des Magnetkerns und einer Verkleinerung des Volumens des Transformators führt.

Wenn die Frequenz von 50Hz auf 100KHz erhöht wird, wird die Frequenz um das 2000-fache erhöht, und die Querschnittsfläche des Magnetkerns kann auf 1/2000 des ursprünglichen Werts reduziert werden (aufgrund von Materialverlustbeschränkungen liegt das Reduktionsverhältnis normalerweise zwischen 1/50 und 1/200).  

Ein typischer 60-Hz-Transformator mit 13,8 kV und einer Leistung von 1500 kVA hat eine Breite von 1,65 Metern, eine Tiefe von 1,2 Metern und eine Höhe von 1,5 Metern. Die Größe des Außengehäuses ist relativ groß, und das Installationsgehäuse ist vergleichbar mit einem kleinen Haus. Wenn die Frequenz jedoch auf 100 kHz erhöht wird, wird das Volumen stark reduziert. Unter Berücksichtigung der elektrischen Isolation wie dem Luftabstand am Anschlussende sollte die Größe auf 0,8 Meter Breite, 0,4 Meter Tiefe und 0,5 Meter Höhe reduziert werden.  

Obwohl eine hohe Frequenz vorteilhaft ist, stellt die Schalteinrichtung eine ernsthafte Herausforderung dar. Um die Frequenz zu erhöhen, werden in der Industrie 100/200-Hz-Motoren eingesetzt. Bei Anwendungen mit Mittelspannung und hoher Frequenz verschlechtert sich im Allgemeinen die Ausschaltleistung von Vakuumschaltern und sie können nicht verwendet werden. Mechanische Trennschalter und Leistungselektronikkomponenten werden benötigt, um Hochfrequenzequipment zu betreiben und zu steuern. Oder der Schalter wird nur zur Trennung verwendet.  

Je höher die Frequenz, desto größer sind die elektromagnetischen Verluste. Bei der Schaltanlage sollten die hohe Temperatur und die Vibrationen, die durch Wirbelströme verursacht werden, nicht unterschätzt werden. Wirbelströme werden an den Montageschrauben von dreiphasigen Kupferstäben, die Platten durchdringen, und von einphasigen Kupferstäben erzeugt. Auch in Stahlplatten in der Nähe von leitenden Kupferstäben werden Induktionsströme induziert, was zu Wirbelströmen führt. Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass bei 1250A und 50Hz die Temperaturerhöhung der Wanddurchführungsmontageplatte 30K beträgt, während die Erhöhung der Frequenz auf 120Hz zu einer Temperaturerhöhung von über 100K für die Montageplatte führt.

Daher wird für die Kupferschienenverbindungsschrauben von Hochfrequenz- und Hochstromschaltanlagen empfohlen, hochfeste Edelstahlschrauben A4 - 80 zu verwenden. Für die Trennwände, Träger usw. in der Nähe der Kupferschiene werden nichtmagnetische Materialien wie Aluminiumplatten, Kupferplatten oder Edelstahlplatten empfohlen. Wenn eiserne Trennwände und Querträger keine übermäßige Temperaturerhöhung verursachen, müssen sie ausreichende Festigkeit und Stützung haben, um Vibrationen und Geräusche durch Wirbelströme zu vermeiden.

Wirbelströme hängen von der Frequenz ab, und je höher die Frequenz, desto größer ist die Auswirkung der Wirbelströme. Wirbelströme haben einen erheblichen Einfluss auf Schaltanlagen. Selbst wenn an den Stellen, durch die die dreiphasigen Sammelschienen verlaufen, Trennwände aus nichtmagnetischen Materialien verwendet werden und gefälschte Edelstahlplatten vermieden werden, sollte auf die Stärke der Trennwände geachtet werden. Gleichzeitig sollten Trennwände aus Stahl und Deckplatten aus umgebenden magnetischen Materialien so weit wie möglich von den Sammelschienen entfernt gehalten werden.

Bei Hochfrequenzschaltgeräten muss, unter Berücksichtigung der erheblichen Zunahme des Skineffekts, des Nahwirkungseffekts und der Wirbelstromeffekte, auch die Verwendung von Hochstromgeräten anstelle von Niederstromanwendungen in Betracht gezogen werden. Normalerweise sinkt der Dauerstrom um 1%, wenn die Frequenz um 1Hz steigt. Daher erfordert die Anwendung von 2000A@85Hz einen Dauerstrom von 2000/0.65 = 3077A bei 50Hz. Deshalb muss ein 3150A@50Hz-Schalter für diese Anwendung eingesetzt werden. Bei Hochfrequenzanwendungen muss ein ausreichender Strompuffer belassen werden, und der Schaltschrank sollte aus Edelstahl hergestellt werden, um die Auswirkungen der Hochfrequenz-Wechselstromeffekte zu bewältigen.

Mittelspannungsschaltanlagen sind für die Prüfung der Netzfrequenz ausgelegt, und es fehlen immer noch Prüfmaßnahmen für Hochfrequenzanwendungen. Beispielsweise kann die Prüfstation grundsätzlich keine Hochfrequenzabschaltprüfungen wie 100 Hz durchführen, und andere Temperaturerhöhungsprüfungen können nicht verifiziert werden.