50Hz a 100kHz

En los campos de la unidad de potencia auxiliar (APU) de aeronaves y el sistema de propulsión de vehículos aéreos no tripulados, los motores de alta frecuencia se han convertido en una opción ideal debido a sus características de ligereza y alta confiabilidad. Los microturbines de gas, los sistemas de almacenamiento de energía de volante y otros equipos utilizan motores de alta frecuencia para mejorar la eficiencia de conversión de energía. Los motores de alta frecuencia pueden proporcionar una succión o una potencia de viento más fuerte mientras reducen el ruido y el consumo de energía. El motor de alta frecuencia es el componente central del motor de tracción de vehículos eléctricos, que puede lograr una salida de alta velocidad y alto par, mejorar el rendimiento de potencia y el alcance del vehículo.

Una de las características centrales de los transformadores de estado sólido hoy en día es lograr la miniaturización e inteligencia de todo el sistema aumentando la frecuencia, reduciendo así las pérdidas de consumo de energía. Transformador de estado sólido con entrada de media tensión de 10/13,8kV 50/60Hz CA, salida de baja tensión de 800VDC, aislamiento y reducción de tensión de frecuencia intermedia, con una capacidad de hasta 5000kVA.

Los transformadores de alta frecuencia utilizan materiales de núcleo magnético de alta frecuencia, como la ferrita, para reducir el volumen y el peso, al tiempo que mejoran la eficiencia de transmisión de energía. Son adecuados para la transmisión de señales de alta frecuencia (nivel de MHz), con alto voltaje de aislamiento. El voltaje de devanado V = N × A × dB/dt, donde N es el número de vueltas, A es el área transversal del núcleo magnético y dB/dt es la tasa de cambio de la densidad de flujo magnético. Bajo la condición de un voltaje de devanado constante, aumentar la frecuencia de conmutación f conduce a un aumento de la tasa de cambio de tiempo t y un aumento de la tasa de cambio de la densidad de flujo magnético dB/dt, lo que resulta en una disminución del área transversal del núcleo magnético y una reducción del volumen del transformador.

Cuando la frecuencia se aumenta de 50Hz a 100KHz, la frecuencia se incrementa 2000 veces y el área transversal del núcleo magnético se puede reducir a 1/2000 del original (debido a las limitaciones de pérdida de material, la proporción de reducción suele estar entre 1/50 y 1/200).  

Un transformador típico de 60Hz y 13.8kV con una capacidad de 1500kVA tiene un ancho de 1.65 metros, una profundidad de 1.2 metros y una altura de 1.5 metros. El tamaño de la carcasa exterior es relativamente grande, y la carcasa de instalación es equivalente a una casa pequeña. Sin embargo, cuando la frecuencia se aumenta a 100kHz, el volumen se reducirá en gran medida. Teniendo en cuenta el aislamiento eléctrico, como el espacio aéreo en el extremo de conexión, el tamaño debe reducirse a 0.8 metros de ancho, 0.4 metros de profundidad y 0.5 metros de altura.  

Aunque la alta frecuencia es buena, el equipo de conmutación es un gran desafío. Para aumentar la frecuencia, se han utilizado motores de 100/200Hz en la industria. Para aplicaciones de media tensión y alta frecuencia, la capacidad de interrupción de los interruptores de vacío generalmente empeora y no se pueden utilizar. Se necesitan interruptores de aislamiento mecánicos y componentes electrónicos de potencia para operar y controlar el equipo de alta frecuencia. O el interruptor se utiliza solo para aislamiento.  

Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la pérdida electromagnética. Para los tableros de distribución, no se debe subestimar la alta temperatura y la vibración causadas por las corrientes parásitas. Las corrientes parásitas se generan en los pernos de instalación de barras de cobre trifásicas que pasan por placas y barras de cobre monofásicas, y también se inducen corrientes inducidas en las placas de acero cercanas a las barras de cobre conductoras, lo que da lugar a corrientes parásitas. Los resultados experimentales han demostrado que a 1250A 50Hz, la subida de temperatura de la placa de instalación de la manga de la pared es de 30k, mientras que aumentar la frecuencia a 120Hz dará lugar a una subida de temperatura de más de 100k de la placa de instalación.

Por lo tanto, para los pernos de conexión de barras de cobre de tableros de distribución de alta frecuencia y alta corriente, se recomienda utilizar pernos de acero inoxidable de alta resistencia A4-80, y se recomienda utilizar materiales no magnéticos como placas de aluminio, placas de cobre o placas de acero inoxidable para las particiones, vigas, etc. cerca de las barras de cobre. Si las particiones y vigas de hierro no causan una subida de temperatura excesiva, deben tener suficiente resistencia y soporte para evitar la vibración y el ruido causados por las corrientes parásitas.

La corriente de Foucault está relacionada con la frecuencia, y cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el impacto de la corriente de Foucault. Las corrientes de Foucault tienen un impacto significativo en el equipo de conmutación. Incluso si se utilizan particiones de materiales no magnéticos donde pasan los barras de tres fases y se evitan las placas de falso acero inoxidable, se debe prestar atención a la resistencia de las particiones. Al mismo tiempo, las particiones de acero y las placas de cubierta hechas de materiales magnéticos circundantes deben mantenerse lo más alejadas posible de las barras.

Para los dispositivos de conmutación de alta frecuencia, considerando el aumento significativo del efecto piel, el efecto proximidad y los efectos de corriente de Foucault, también es necesario utilizar dispositivos de alta corriente para reemplazar las aplicaciones de baja corriente. Por lo general, cuando la frecuencia aumenta en 1Hz, la corriente sostenida disminuye en 1%. Por lo tanto, para la aplicación de 2000A@85Hz se requiere una corriente continua de 2000/0.65 = 3077A a 50Hz, por lo que se debe utilizar el interruptor de circuito de 3150A@50Hz para esta aplicación. Para las aplicaciones de alta frecuencia, se debe dejar un margen de corriente suficiente, y el gabinete debe estar hecho de material de acero inoxidable para abordar el impacto de los efectos de corriente alterna de alta frecuencia.

La cubierta de interruptores de media tensión está diseñada para la verificación de frecuencia industrial, y todavía falta medidas de prueba para aplicaciones de alta frecuencia. Por ejemplo, la estación de prueba básicamente no puede realizar pruebas de interrupción de alta frecuencia como 100Hz, y otras pruebas de aumento de temperatura no se pueden verificar.