50Hz até 100kHz

No campo de unidades de força auxiliar de aeronaves (APU) e sistemas de propulsão de veículos aéreos não tripulados, os motores de alta frequência tornaram-se uma escolha ideal devido às suas características de leveza e alta confiabilidade. Motores a gás micro, sistemas de armazenamento de energia de volante e outros equipamentos utilizam motores de alta frequência para melhorar a eficiência de conversão de energia. Motores de alta frequência podem fornecer sucção ou potência de vento mais forte, ao mesmo tempo em que reduzem o ruído e o consumo de energia. O motor de alta frequência é o componente central do motor de tração de veículos elétricos, o que pode alcançar alta velocidade e alta torque de saída, melhorar o desempenho de potência e o alcance do veículo.

Uma das características principais dos transformadores de estado sólido hoje em dia é alcançar a miniaturização e a inteligência de todo o sistema aumentando a frequência, reduzindo assim as perdas de consumo de energia. Transformador de estado sólido com entrada de tensão média de 10/13,8kV 50/60Hz AC, saída de baixa tensão de 800VDC, isolamento e redução de tensão de frequência intermediária, com capacidade de até 5000kVA.

Transformadores de alta frequência usam materiais de núcleo magnético de alta frequência, como ferrita, para reduzir o volume e o peso, ao mesmo tempo em que melhoram a eficiência de transmissão de energia. Adequados para transmissão de sinais de alta frequência (nível de MHz), com alta tensão de isolamento. Tensão do enrolamento V = N × A × dB/dt, onde N é o número de espiras, A é a área da seção transversal do núcleo magnético e dB/dt é a taxa de variação da densidade de fluxo magnético. Sob a condição de uma tensão de enrolamento constante, aumentar a frequência de comutação f leva a um aumento da taxa de variação de tempo t e um aumento da taxa de variação da densidade de fluxo magnético dB/dt, resultando em uma diminuição da área da seção transversal do núcleo magnético e uma redução do volume do transformador.

Quando a frequência é aumentada de 50Hz para 100KHz, a frequência é aumentada 2000 vezes, e a área da seção transversal do núcleo magnético pode ser reduzida para 1/2000 do original (devido às limitações de perda de material, a taxa de redução geralmente está entre 1/50 e 1/200).  

Um transformador típico de 60Hz e 13,8kV com capacidade de 1500kVA tem uma largura de 1,65 metros, uma profundidade de 1,2 metros e uma altura de 1,5 metros. O tamanho da carcaça externa é relativamente grande, e a carcaça de instalação é equivalente a uma pequena casa. No entanto, quando a frequência é aumentada para 100kHz, o volume será bastante reduzido. Considerando o isolamento elétrico, como o espaço aéreo na extremidade de conexão, o tamanho deve ser reduzido para 0,8 metros de largura, 0,4 metros de profundidade e 0,5 metros de altura.  

Embora a alta frequência seja boa, o equipamento de comutação é um sério desafio. Para aumentar a frequência, motores de 100/200Hz têm sido usados na indústria. Para aplicações de média tensão e alta frequência, a capacidade de ruptura dos disjuntores de vácuo geralmente se deteriora e não pode ser usada. É necessário utilizar chaves de isolamento mecânicas e componentes eletrônicos de potência para operar e controlar o equipamento de alta frequência. Ou o disjuntor é usado apenas para isolamento.  

Quanto maior a frequência, maior a perda eletromagnética. Para o disjuntor, a alta temperatura e a vibração causadas pelas correntes parasitas não devem ser subestimadas. As correntes parasitas são geradas nos parafusos de instalação das barras de cobre trifásicas que passam pelas placas e das barras de cobre monofásicas, e correntes induzidas também são induzidas em chapas de aço próximas às barras de cobre condutoras, resultando em correntes parasitas. Os resultados experimentais mostraram que sob 1250A 50Hz, a elevação de temperatura da placa de instalação do bocal da parede é de 30k, enquanto aumentar a frequência para 120Hz resultará em uma elevação de temperatura de mais de 100k para a placa de instalação.

Portanto, para os parafusos de conexão da barra de cobre de disjuntores de alta frequência e alta corrente, recomenda-se o uso de parafusos de aço inoxidável de alta resistência A4-80, e materiais não magnéticos, como chapas de alumínio, chapas de cobre ou chapas de aço inoxidável, são recomendados para as divisórias, vigas, etc. próximas à barra de cobre. Se as divisórias e vigas de ferro não causarem elevação excessiva de temperatura, elas precisam ter resistência e suporte suficientes para evitar vibração e ruído causados pelas correntes parasitas.

A corrente parasita está relacionada à frequência, e quanto maior a frequência, maior o impacto da corrente parasita. As correntes parasitas têm um impacto significativo nas instalações de comutação. Mesmo se forem usadas divisórias de material não magnético onde passam os barras de três fases e se forem evitadas placas de aço inoxidável falsas, deve-se prestar atenção à resistência das divisórias. Ao mesmo tempo, as divisórias de aço e as placas de cobertura feitas de materiais magnéticos circundantes devem ser mantidas o mais longe possível das barras.

Para dispositivos de comutação de alta frequência, considerando o aumento significativo do efeito pele, efeito de proximidade e efeitos de corrente parasita, também é necessário usar dispositivos de alta corrente para substituir aplicações de baixa corrente. Normalmente, quando a frequência aumenta em 1Hz, a corrente sustentada diminui em 1%. Portanto, para a aplicação de 2000A@85Hz, é necessário uma corrente contínua de 2000/0.65 = 3077A a 50Hz. Portanto, é necessário usar um disjuntor de 3150A@50Hz para essa aplicação. Para aplicações de alta frequência, deve-se deixar uma margem de corrente suficiente, e o gabinete deve ser feito de material de aço inoxidável para lidar com o impacto dos efeitos da corrente alternada de alta frequência.

A cubagem de distribuição de média tensão é projetada para verificação de frequência de rede, e ainda há uma falta de medidas de teste para aplicações de alta frequência. Por exemplo, a estação de teste basicamente não é capaz de realizar testes de ruptura de alta frequência, como 100Hz, e outros testes de aumento de temperatura não podem ser verificados.