ماهنامه پردازش- راکتورهای قابل‌اشباع به عنوان المانی مهم در مدارهای الکتریکی مدرن، روشی موثر برای راکتانس سری متغیر ارائه می‌دهند. این مقاله به بررسی کاربردها و مزایای نوآورانه راکتورهای اشباع‌ در تنظیم ولتاژ، کنترل پخش توان و محدودسازی جریان خطا و… می‌پردازد. با استفاده از ویژگی‌های منحصربه‌فرد اشباع مغناطیسی، این راکتورها تنظیم راکتانس دینامیکی را فراهم می‌کنند و کارایی و پایداری سیستم را افزایش می‌دهند. مدیران صنعتی بینش‌هایی در مورد اینکه چگونه راکتورهای اشباع می‌توانند عملکرد عملیاتی را بهینه کنند، تلفات انرژی را کاهش دهند و قابلیت اطمینان کلی شبکه را بهبود بخشند، به دست خواهند آورد. همان‌طور که صنایع به‌طور فزاینده‌ای به دنبال راه‌حل‌های انرژی پایدار و کارآمد هستند، درک نقش راکتورهای اشباع برای تصمیم‌گیری استراتژیک در توسعه زیرساخت‌های الکتریکی ضروری می‌شود.

راکتورهای اشباع‌ دستگاه‌های الکترومغناطیسی تخصصی هستند که از اصول اشباع مغناطیسی برای ارائه راکتانس متغیر در مدارهای الکتریکی استفاده می‌کنند. همانطور که در شکل (۱) نشان داده شده این راکتورها از دو سیم‌پیچ مجزا تشکیل شده‌اند، یک سیم‌پیچ بایاس (یا کنترل) و یک سیم‌پیچ قدرت (یا اصلی).

سیم‌پیچ بایاس توسط یک جریان مستقیم کم‌توان (DC) فعال می‌شود، در حالی که سیم‌پیچ قدرت به صورت سری به مدار اصلی متصل می‌شود و به آن اجازه می‌دهد بر جریان جریان متناوب (AC) تأثیر بگذارد. طراحی نوآورانه راکتورهای اشباع‌، امکان دستکاری میدان مغناطیسی درون مواد هسته را فراهم می‌کند. با تنظیم جریان DC  در سیم پیچ بایاس، اپراتورها می‌توانند به طور موثر نقطه کار میدان مغناطیسی را تغییر دهند. این تنظیم منجر به تغییرات در راکتانس القایی سیم‌پیچ قدرت و افت ولتاژ کنترل شده در سراسر مدار می‌شود. توانایی تغییر راکتانس به صورت دینامیکی، راکتورهای اشباع‌ را برای کاربردهایی مانند تنظیم ولتاژ، کنترل پخش بار در شبکه قدرت و محدود کردن جریان خطا و… بسیار ارزشمند می‌سازد.

از آنجایی که صنایع برای بهبود راندمان و قابلیت اطمینان در سیستم‌های الکتریکی خود تلاش می‌کنند، راکتورهای اشباع راه‌حلی قوی برای مدیریت کیفیت توان و افزایش دامنه عملکردی ارائه می‌دهند. درک عملکرد و کاربردهای بالقوه آنها برای مهندسان و مدیرانی که به دنبال بهینه‌سازی زیرساخت‌های الکتریکی خود هستند ضروری است.

۲-۱ هسته مغناطیسی

• عملکرد: هسته مغناطیسی جزء مرکزی یک راکتور قابل اشباع است. این معمولاً از مواد فرومغناطیسی ساخته شده است که دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالایی هستند و به آنها اجازه می‌دهد تا به طور موثر شار مغناطیسی را کانالیزه کنند.
• اشباع: وظیفه اصلی هسته ایجاد مسیری برای میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم‌پیچ‌ها است. هنگامی که سطح مشخصی از جریان از سیم‌پیچ‌ها عبور می‌کند، هسته به نقطه اشباع خود می‌رسد. در این مرحله، هسته دیگر نمی‌تواند به طور موثر شار مغناطیسی خود را در پاسخ به افزایش جریان افزایش دهد که منجر به پاسخ غیرخطی در امپدانس راکتور می‌شود.
• طراحی: طراحی هسته بر ویژگی‌های راکتور مانند اندوکتانس و نقطه اشباع آن تأثیر می‌گذارد. برای بهینه‌سازی عملکرد برای کاربردهای خاص می‌توان از مواد و اشکال مختلف استفاده کرد.

۲-۲ سیم‌پیچ‌ها

• عملکرد: سیم‌پیچ‌ها، سیم‌هایی هستند که دور هسته مغناطیسی پیچیده شده‌اند. آنها به عنوان مسیرهای ورودی و خروجی برای جریان الکتریکی عمل می‌کنند.
• راکتانس القایی: هنگامی که جریان AC یا پالسی DC از سیم‌پیچ‌ها عبور می‌کند، میدان مغناطیسی در هسته ایجاد می‌کند. این میدان مغناطیسی نیروی محرکه مغناطیسی (EMF)  را در سیم‌پیچ‌ها القا می‌کند که با تغییرات جریان ناشی از قانون لنز مخالفت می‌کند.
• کنترل امپدانس: با تنظیم جریان عبوری از سیم‌پیچ بایاس (که اغلب به آن سیم‌پیچ کنترلی گفته می‌شود)، می‌توانید شار مغناطیسی در هسته و در نتیجه امپدانس کلی راکتور را کنترل کنید.

۲-۳ منبع و کنترل‌کننده کنترل جریان  DC

• عملکرد: منبع کنترل DC یک ولتاژ یا جریان DC ثابت را فراهم می‌کند که برای کنترل عملکرد راکتور قابل‌اشباع استفاده می‌شود.
• مکانیسم کنترل: کنترل‌کننده این سیگنال DC را مدوله می‌کند تا میزان جریان از سیم‌پیچ کنترل را تنظیم کند. با تغییر این جریان، می توانید درجه اشباع هسته مغناطیسی را تغییر دهید.
• کاربرد یک راکتور اشباع

در اینجا یک مرور کلی از کاربردها، مزایای فنی و مزایای اقتصادی راکتورهای اشباع‌ ارائه شده است خواهیم داشت.

۳-۱ تصحیح ضریب قدرت؛ استفاده در بانک‌های خازن: راکتورهای اشباع را می‌توان به همراه بانک‌های خازن برای بهبود ضریب توان در محیط‌های صنعتی، کاهش جریمه‌های شرکت‌های برق استفاده کرد.

۳-۲ تنظیم ولتاژ دینامیک: آنها در سیستم‌هایی استفاده می‌شوند که برای کنترل نوسانات بار و حفظ سطوح ولتاژ پایدار نیاز به تنظیم ولتاژ دینامیکی دارند.

۳-۳ فیلتر هارمونیک: راکتورهای اشباع‌ می‌توانند بخشی از سیستم‌های فیلتر فعال برای کاهش اعوجاج هارمونیک در سیستم‌های قدرت باشند و کیفیت کلی توان را بهبود بخشند.

۳-۴ محدودسازی جریان خطا: از محدودسازهای جریان خطای مبتنی بر راکتورهای اشباع برای کاهش سطح اتصال کوتاه در خطوط انتقال، توزیع و شبکه‌های صنعتی استفاده می‌شود.

۳-۵ گرمایش القایی: در سیستم‌های گرمایش القایی، راکتورهای قابل اشباع به کنترل توان تحویلی به بار کمک می‌کنند و کارایی و دقت را بهبود می بخشند.

۳-۶ یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر مانند مزارع بادی و خورشیدی: آنها می‌توانند توان راکتیو را مدیریت کرده و سطوح ولتاژ را در تاسیسات انرژی تجدیدپذیر تثبیت کنند و یکپارچگی شبکه را تسهیل کنند.

۳-۷ برق‌رسانی راه‌آهن؛ سیستم‌های کششی: در سیستم‌های راه‌آهن برای کنترل ولتاژ و جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد و از عملکرد روان قطارهای الکتریکی اطمینان می‌دهد.

۳-۸ کنترل موتور صنعتی: در استارترهای نرم برای موتورهای بزرگ استفاده می شود که امکان راه‌اندازی و توقف کنترل‌شده را فراهم می‌کند و استرس مکانیکی را کاهش می‌دهد.

۳-۹ آزمایشگاه‌های تحقیقاتی: در آزمایشگاه‌ها برای آزمایش‌هایی که نیاز به کنترل دقیق میدان‌های مغناطیسی و اندوکتانس دارند استفاده می‌شود.

۳-۱۰ منابع تغذیه صنعتی: در فرآیندهای الکتروشیمیایی نیاز به منابع تغذیه صنعتی با قابلیت کنترل ولتاژ یا جریان خروجی وجود دارد. راکتورهای اشباع یک راهکار بسیار مطمئن برای کاربرد در منابع تغذیه صنعتی به منظور کنترل ولتاژ هستند.

1. مزایایی فنی و اقتصادی راکتور اشباع

در اینجا نگاهی دقیق به مزایای فنی و اقتصادی راکتورهای اشباع‌ خواهیم داشت:

مزایای فنی

• تنش مکانیکی کمتر: راکتورهای قابل‌اشباع معمولاً در مقایسه با القاگرها یا ترانسفورماتورهای سنتی، سایش مکانیکی کمتری را تجربه می‌کنند، زیرا توانایی تحمل بارهای متفاوت را دارند. این منجر به خرابی کمتر و نیازهای تعمیر و نگهداری کمتر می‌شود.
• طراحی مقاوم: بسیاری از راکتورهای اشباع به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در شرایط سخت عملیاتی مقاومت کنند و کمتر مستعد شکست شوند. این استحکام به فواصل طولانی‌تر بین فعالیت‌های تعمیر و نگهداری کمک می‌کند.
• ویژگی‌های خودتنظیمی: توانایی راکتورهای قابل‌اشباع برای تنظیم خود بر اساس شرایط بار به این معنی است که می‌توانند بدون نیاز به مداخله دستی مکرر یا کالیبراسیون مجدد به طور بهینه عمل کنند.
• اجزای کمتر: طراحی آنها اغلب اجازه می‌دهد تا اجزای اضافی کمتری (مانند خازن‌ها یا مقاومت‌ها) برای عملکرد مورد نیاز باشد، که پیچیدگی سیستم را کاهش می‌دهد و متعاقباً نقاط بالقوه خرابی را کاهش می‌دهد.
• قابلیت اطمینان بالا: با قطعات متحرک کمتر و طراحی حالت جامد، راکتورهای قابل‌اشباع عموماً قابلیت اطمینان بالایی از خود نشان می‌دهند و فرکانس تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی نشده را کاهش می‌دهند.

مزایای اقتصادی

• هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمتر: دوام و قابلیت اطمینان راکتورهای اشباع منجر به کاهش هزینه‌های تعمیر در طول زمان می‌شود، زیرا احتمال خرابی آنها در مقایسه با سیستم‌های معمولی کمتر است.
• افزایش طول عمر تجهیزات: با به حداقل رساندن سایش و پارگی، راکتورهای قابل‌اشباع می‌توانند بیشتر از القاگرها یا ترانسفورماتورهای سنتی دوام بیاورند و هزینه‌های جایگزینی را به تاخیر بیندازند و هزینه‌های چرخه عمر را کاهش دهند.
• کاهش زمان توقف: تعمیر و نگهداری کمتر به کاهش زمان توقف عملیات تبدیل می‌شود. این بدان معنی است که فرآیندهای تولید می‌توانند به آرامی اجرا شوند و از وقفه‌های پرهزینه جلوگیری شود.
  کاهش هزینه‌های نیروی کار: با نیازهای تعمیر و نگهداری کمتر، شرکت‌ها می‌توانند در هزینه‌های نیروی کار مرتبط با بازرسی‌ها، تعمیرات و تعویض‌های معمول صرفه‌جویی کنند.
• زمان‌بندی تعمیر و نگهداری قابل پیش‌بینی: قابلیت اطمینان راکتورهای قابل اشباع، برنامه‌های تعمیر و نگهداری قابل پیش‌بینی‌تری را امکان‌پذیر می‌سازد که می‌تواند در ساعات غیر اوج مصرف برنامه‌ریزی شود و اختلال در عملیات به حداقل برسد.
• صرفه‌جویی در انرژی: بهبود راندمان سیستم‌هایی که از راکتورهای اشباع استفاده می‌کنند می‌تواند منجر به صرفه‌جویی در انرژی شود که به‌طور غیرمستقیم هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد و امکان تخصیص مجدد منابع به سمت تعمیر و نگهداری را فراهم می‌کند.
• شبیه‌سازی

راکتور اشباع دارای یک هسته مغناطیسی است که می‌تواند عمداً با استفاده از جریان الکتریکی مستقیم در سیم‌پیچ کنترل (بایاس) اشباع شود. در این مثال اندوکتانس راکتور برای مجموعه‌ای از جریان‌های مورد استفاده محاسبه می‌شود. مراحل انجام کار به شرح زیر است:

• ترسیم ساختار فیزیکی (Geometry)، شکل (۵) ساختار فیزیکی رسم شده در محیط نرم‌افزار “Quickfeild” را نشان می‌دهد.

• مفروضات مسئله:

تعداد دور سیم‌پیچ متناوب  n = 800، مقدار جریان I = 50 mA ، فرکانس f = 50 هرتز.

• انتخاب راه‌حل

معمولاً برای شبیه‌سازی این مشکل از تحلیل مغناطیسی گذرا استفاده می‌کنید. کوپلینگ DC به AC اجازه می‌دهد تا مشکل را ساده کنید. میدان مغناطیسی DC با ماژول DC Magnetics QuickField محاسبه می‌شود. میدان مغناطیسی AC با ماژول AC Magnetics QuickField محاسبه می‌شود. به‌منظور در نظر گرفتن اشباع، تحلیل DC به AC اضافه شده است. تحلیل توزیع نفوذپذیری مغناطیسی هسته فولادی را از یک ماژول به ماژول دیگر منتقل می‌کند.

• نتایج

در شکل(۷) تغییرات اندوکتانس راکتور اشباع شبیه‌سازی شده با توجه به جریان کویل DC نشان داده شده است.

در شکل (۸) توزیع شار مغناطیسی و نفوذپذیری در جریان مستقیم ۸ آمپر نشان داده شده است.

1. نتیجه‌گیری

مزایای فنی راکتورهای قابل‌اشباع به طور قابل‌توجهی به کاهش هزینه‌های نگهداری از طریق افزایش قابلیت اطمینان، کاهش هزینه استهلاک و طراحی ساده سیستم کمک می‌کند. از نظر اقتصادی، این مزایا به صرفه‌جویی ملموس در هزینه‌های تعمیر، افزایش طول عمر تجهیزات، کاهش زمان از کار افتادگی و کاهش هزینه‌های نیروی کار تبدیل می‌شود. به طور کلی، سرمایه‌گذاری در راکتورهای اشباع‌ می‌تواند منجر به عملیات کارآمدتر و مقرون به صرفه‌تر با حداقل بار تعمیر و نگهداری شود.