50 Гц до 100 кГц

В областях вспомогательных силовых установок (ВСУ) самолетов и систем привода беспилотных летательных аппаратов высокочастотные двигатели стали идеальным выбором благодаря их легкому весу и высокой надежности. Микрогазовые турбины, системы энергонакопления на основе маховиков и другое оборудование используют высокочастотные двигатели для повышения эффективности преобразования энергии. Высокочастотные двигатели могут обеспечить более мощный всасывающий или вентиляторный поток, одновременно уменьшая шум и энергопотребление. Высокочастотный двигатель является основным компонентом приводного двигателя электромобиля, который может обеспечить высокую скорость и высокий крутящий момент, улучшить динамические характеристики и запас хода транспортного средства.

Одной из ключевых особенностей современных твердотельных трансформаторов является достижение миниатюризации и интеллектуализации всей системы путем увеличения частоты, что позволяет уменьшить потери энергии. Твердотельный трансформатор с входным средним напряжением 10/13,8 кВ 50/60 Гц переменного тока, выходным низким напряжением 800 В постоянного тока, с промежуточной частотой для изоляции и понижения напряжения, с мощностью до 5000 кВА.

Высокочастотные трансформаторы используют высокочастотные магнитные сердечники, такие как феррит, чтобы уменьшить объем и вес, одновременно повышая эффективность передачи энергии. Подходят для передачи высокочастотных сигналов (уровень МГц) с высоким изоляционным напряжением. Напряжение на обмотке V=N × A × dB/dt, где N - число витков, A - площадь поперечного сечения магнитного сердечника, а dB/dt - скорость изменения магнитной индукции. При постоянном напряжении на обмотке увеличение частоты переключения f приводит к увеличению временной скорости изменения t и увеличению скорости изменения магнитной индукции dB/dt, что приводит к уменьшению площади поперечного сечения магнитного сердечника и уменьшению объема трансформатора.

Когда частота повышается с 50 Гц до 100 кГц, частота увеличивается в 2000 раз, и площадь поперечного сечения магнитного сердечника может быть уменьшена до 1/2000 от исходной (из - за ограничений потерь материала коэффициент уменьшения обычно находится между 1/50 и 1/200).  

Типичный трансформатор 60Гц 13,8кВ с мощностью 1500кВА имеет ширину 1,65 метра, глубину 1,2 метра и высоту 1,5 метра. Размеры внешнего корпуса относительно большие, и установочный корпус эквивалентен небольшому дому. Однако, когда частота повышается до 100кГц, объем значительно уменьшится. Учитывая электрическую изоляцию, такую как воздушный зазор на соединительном конце, размеры должны быть уменьшены до 0,8 метра в ширину, 0,4 метра в глубину и 0,5 метра в высоту.  

Хотя высокая частота хороша, коммутационное оборудование представляет серьезную проблему. Чтобы повысить частоту, в промышленности используются двигатели 100/200Гц. Для среднего напряжения и высоких частот применений разрывная способность вакуумных выключателей обычно ухудшается и они не могут быть использованы. Необходимы механические изолирующие выключатели и силовые электронные компоненты для управления и контроля высокочастотного оборудования. Или выключатель используется только для изоляции.  

Чем выше частота, тем больше электромагнитные потери. Для распределительных устройств не следует недооценивать высокую температуру и вибрацию, вызываемые вихревыми токами. Вихревые токи возникают на монтажных болтах трехфазных медных шин, проходящих через пластины, и однфазных медных шин, а также на стальных пластинах, расположенных близко к токоведущим медным шинам, возникают индукционные токи, которые приводят к образованию вихревых токов. Экспериментальные результаты показали, что при 1250А и 50Гц повышение температуры монтажной пластины втулки стенки составляет 30К, а при увеличении частоты до 120Гц повышение температуры монтажной пластины превышает 100К.

Поэтому для болтов соединения медных шин высокочастотных и высокотоковых распределительных устройств рекомендуется использовать высокопрочные болты из нержавеющей стали A4 - 80, а в качестве перегородок, балок и т. д. около медных шин рекомендуется использовать немагнитные материалы, такие как алюминиевые пластины, медные пластины или пластины из нержавеющей стали. Если железные перегородки и поперечные балки не вызывают чрезмерного повышения температуры, они должны иметь достаточную прочность и опору, чтобы избежать вибрации и шума, вызываемых вихревыми токами.

Электромагнитные вихревые токи связаны с частотой, и чем выше частота, тем больше влияние вихревых токов. Вихревые токи оказывают значительное влияние на аппаратуру разъединительную. Даже если использовать разделители из немагнитных материалов в местах, где проходят трехфазные шинопроводы, и избегать использования поддельных нержавеющих стальных пластин, необходимо уделять внимание прочности разделителей. В то же время стальные разделители и крышки, изготовленные из магнитных материалов, должны быть расположены как можно дальше от шинопроводов.

Для высокочастотных коммутационных устройств, учитывая значительное увеличение поверхностного эффекта, эффекта близости и эффекта вихревых токов, также необходимо использовать устройства с высоким током вместо устройств с низким током. Обычно, когда частота увеличивается на 1Гц, номинальный ток уменьшается на 1%. Поэтому, для приложения 2000А@85Гц требуется номинальный ток 2000/0,65 = 3077А при 50Гц, поэтому для этого приложения необходимо использовать автоматический выключатель 3150А@50Гц. Для высокочастотных приложений необходимо оставить достаточный запас по току, и шкаф должен быть изготовлен из нержавеющей стали, чтобы противостоять влиянию высокочастотных переменных токов.

Средневольтное распределительное оборудование предназначено для проверки на промышленную частоту, и по-прежнему отсутствуют методы испытаний для высокочастотных применений. Например, испытательная станция, по сути, не может проводить испытания на высокочастотное отключение, например при 100 Гц, а другие испытания на повышение температуры также нельзя проверить.