ترانسفورماتور های الکتریکی - ایران الکتریک شاپ

مقدمه

شار يا فلوی مغناطيسی: مجموعه خطوط مغناطيسی که از سطحی محدود مي گذرد.
چگالی فلوی مغناطيسی (ميدان مغناطيسی): ميزان فلو در واحد سطح
نيروی محرکه مغناطيسی: به نيروی مغناطيسی که سبب توليد شار در ميدان مغناطيسی می شود.

اصول کار ترانسفورماتور (ترانسفورمر)

ترانسفورماتور وسيله اي است که توان الکتريکي را از يک مدار به مدار ديگر منتقل مي کند. (با سطح ولتاژ متفاوت)

اين کار را بدون هيچ تغييري در فرکانس انجام مي دهد. اين عمل را با القاء الکترومغناطيسي انجام مي دهد. دو مدار الکتريکي آن مورد تاثير متقابل يکديگر قرار مي گيرند.

ترانس نوع هسته ای

در ترانس هاي نوع هسته اي سيم پيچ ها قسمت قابل توجهي از هسته را فرا مي گيرند.

ترانس نوع زرهی

در ترانس نوع زرهي (جداره اي) مقدار زيادي از سيم پيچ توسط هسته احاطه مي شود.

استحکام نسبي بيشتر هسته
وزن و اندازه کمتر در هر KVA نامي
تلفات آهني کمتر در چگالي شار بيشتر

توجه: قيمت عامل انتخاب ساختار نوع هسته اي و زرهي است و در هر دوي آن ها مي توان مشخصات مشابهي بدست آورد. در انتخاب آن ها مشخصاتي از قبيل ولتاژ نامي، KVA نامي، وزن و غيره در نظر گرفته مي شود.

کد خنک کنندگی ترانس

معمولا يک کد چهار حرفي است که دو حرف اول مربوط به وضعيت چرخش روغن و دو حرف بعدي وضعيت چرخش هوا در ترانس را نشان مي دهد.

O(Oil)، N(Natural)، A (Air)

مثال: ONAN يعنی روغن و هوا به طور طبيعی می چرخند. (بادبزن و پمپ نداريم)

خاصیت روغن در ترانس های روغنی

خنک نگه داشتن سيم پيچ ها (در صورت مناسب نبودن سطح خنک کنندگي روغن، روي ديواره ترانس رادياتور نصب مي کنند)

حفاظت عايق ها در مقابل جذب رطوبت، هنگامي که ترانس در هوا رها مي شود. (رطوبت خاصيت دي الکتريکي روغن را به ميزان قابل توجهي کاهش مي دهد)

ترانسفورماتور تکفاز ايده آل

يک ترانس ايده ال داراي مشخصات زير مي باشد:

مقاومت اهمي سيم پيچ اوليه و ثانويه صفر است (R1 = R2 = 0)

شار پراکندگي سيم پيچ اوليه و ثانويه صفر است (Ql1 = Ql2 = 0)

تلفات هسته صفر است(Pc = 0)

می توان نتيجه گرفت:

ولتاژ القا شده به شار، تعداد دور سيم پيچ و فرکانس بستگی دارد.

مدل ترانسفورماتور تکفاز واقعی

R1 ,R2 : مقاومت اهمي سيم پيچ هاي اوليه و ثانويه
X1, X2 : مدل کننده راکتانس پراکندگي ناشي از شار نشتي اوليه و ثانويه
Rc : مدل کننده تلفات هسته
Xm: مدل کننده راکتانس مغناطيس کننده به منظور توليد شار

مدل سازی ترانسفورماتور تکفاز واقعی

جريان بی باری در ترانسفورماتور واقعی

در ترانسفورماتور هاي واقعي چنانچه اوليه به شبکه وصل باشد جرياني از مدار اوليه مي گذرد، حتي اگر ثانويه مدار باز (بدون بار) باشد. اين جرياني است که براي ايجاد شار در يک هسته فرومغناطيس لازم بود و از دو جزء زير تشکيل شده است:

جريان مغناطيس کننده (Im): که براي ايجاد شار در هسته ضرورت دارد.
جريان تلفات هسته (Ic): که تلفات هسته را تامين مي کنند.

”جمع برداري اين دو جريان همان جريان بی باری يا جريان تحريک ترانس می باشد.”

ترانسفورماتور در بار

هنگام اتصال ثانويه به بار جريان ثانويه I2 برقرار مي گردد. دامنه و فاز I2 نسبت به V2 به مشخصات بار بستگي دارد.

جريان ثانويه mmf خود را برقرار مي کند (N2I2). و از اين رو شار حاصل از آن در خلاف شار اصلي که به واسطه جريان بي باري ترانس ايجاد شده خواهد بود، در نتيجه به طور لحظه اي شار اصلي تضعيف شده و مقدار E1 نيز کاهش مي يابد. V1 لحظه اي بيشتر از E1 شده و در نتيجه باعث جاري شدن جريان بيشتر در اوليه مي شود. اين جريان به طور لحظه اي شاري توليد مي کند که با شار حاصل از mmf طرف ثانويه برابر و مخالف بوده و اثر آن را خنثي مي کند. بنابراين در شرايط بارداري ترانس، شار خاص عبوري از ترانس به طور تقريبي با حالت بي باري برابر بوده و به همين علت در تمامي بارها تلفات هسته نيز ثابت است

ارائه چهار مدل براي ترانسفورماتور تکفاز واقعی نسبت به سمت اوليه

ضريب بار

به نسبت بار موجود به بار نامي ضريب بار گفته مي شود. (Kc)

با استفاده از مفهوم Kc مي توان حالت هاي زير را در نظر گرفت:

Kc = 0 يعني ترانس بي بار است.
0 < Kc < 1 يعني ترانس در حالت کم باري است.
Kc = 1 يعني ترانس در بار نامي است.
Kc > 1 يعني ترانس دچار اضافه بار است.
Kc >> 1 يعني ترانس دچار اضافه جريان است.

درصد تنظيم ولتاژ

چون درون ترانسفورماتور امپدانس سري وجود دارد، حتي اگر ولتاژ ورودي ثابت بماند، ولتاژ خروجي اش با تغيير بار تغيير مي کند. براي اينکه ترانسفورماتور را بتوان از اين نظر مقايسه کرد کميتي به نام درصد تنظيم ولتاژ تعريف مي شود. در واقع درصد تنظيم ولتاژ تغييرات ولتاژ ثانويه از بي باري تا بار کامل را تحت ضريب توان ثابت نشان مي دهد.

توجه:

بهتر است که تنظيم ولتاژ حتي المقدور کوچک باشد.
داشتن تنظيم ولتاژ کم در همه موارد خوب نيست. بعضي وقت ها براي کاهش جريان هاي اتصال کوتاه مدار عمداً از ترانسفورماتور با تنظيم ولتاژ بزرگ استفاده مي کنند.
در يک ترانس ايده آل تنظيم ولتاژ صفر درصد است.

بهره ترانسفورماتور (راندمان)

بهره ترانسفورماتور به صورت نسبت توان خروجی به ورودی تعریف می شود.

P2 : توان خروجي (توان تحويلي از سيم پيچ ثانويه)

P1 : توان ورودي (توان وارده از شبکه به سيم پيچ اوليه)

تعيين پارامترهای مدار معادل ترانسفورماتور تکفاز

در مدل هاي ارائه شده براي ترانسفورماتور به پارامترهاي زير برخورد نموديم:

مقاومت سيم پيچ اوليه و ثانويه (R1,R2)
راکتانس نشتي سيم پيچ اوليه و ثانويه (X1,X2)
کندوکتانس نمايانگر تلف هسته (Gc)
سوسپتانس مربوط به مدل کردن جريان مغناطيس شوندگي (Bm)

توجه: در بسياري موارد R1 و R’2 با هم معادل و X1 و X’2 با هم مساوي اند (چرا؟)

پس: Req = 2R1 = 2R’2 و Xeq = 2X1 = 2X’2

R’2 : مقاومت سيم پيچ ثانويه که به سمت اوليه ارجاع شده است.
X’2 : راکتانس نشتي سيم پيچ ثانويه که به طرف اوليه ارجاع داده شده است.

سيستم يکائی (Per Unit System)

در کليه سيستم هاي الکتريکي يا غير الکتريکي، نسبت مقدار واقعي يک کميت به مقدار مبناي اختياري که هم بعد آن کميت است را کميت پريونيت شده يا نرماليزه شده يا يکه اي شده گويند و با علامت p.u نشان مي دهند.

در سيستم هاي قدرت، معمولا ولتاژ اسمي و توان ظاهري معلوم مي باشد. لذا اين دو کميت را به عنوان مقادير مبنا اختيار کرده و جريان مبنا و امپدانس مبنا را بر اساس اين دو مقدار حساب مي کنيم.

توجه: در رابطه با ترانسفورماتور ولت آمپر مبنا در کل سيستم يکسان است، اما مقادير ولتاژ در نقاط مختلف سيستم يکسان نبوده و توسط نسبت تبديل ترانس ديکته می شود.

حل مدارهای شامل ترانسفورماتور

ارجاع سطوح ولتاژ طرف هاي مختلف ترانسفورماتور به سطحي مشترک (روشي خسته کننده مي باشد)

استفاده از سيستم پريونيت: در اين روش تبديل هاي لازم خود به خود صورت مي گيرند و چون لازم نيست امپدانس ها به طرف ديگر ارجاع شوند مساله ساده تر و با احتمال خطاي کمتري حل مي شود.

اتوترانسفورماتور

اتوترانسفورماتور ترانسفورماتوري است که فقط داراي يک سيم پيچي مي باشد. در واقع اتوترانسفورماتور داراي يک سيم پيچ فشار قوي است که از قسمتي از آن به عنوان سيم پيچ فشار ضعيف استفاده مي شود. اين نوع ترانس به علت تک سيم پيچ بودن از مس کمتري استفاده مي کند و در نتيجه ارزانتر نيز مي باشد و در جايي استفاده مي شود که مي خواهيم سطح ولتاژ را کمي تغيير دهيم (مثلا 110 به 120 ولت). در اتو ترانسفورماتور علاوه بر ارتباط مغناطيسي توسط هسته، ارتباط الکتريکي بين سيم پيچ اوليه و ثانويه وجود دارد و مي توانند تکفاز يا سه فاز باشند در شکل زير اتوترانسفورماتور تکفاز افزاينده نشان داده شده است.

مزيت اتوترانسفورماتور

در حالت اتوترانسفورماتور توان اسمي دستگاه بيشتر از حالتي است که سيم پيچ ها از هم ايزوله باشند و از آنجایی که در حالت معمولي و در حالت اتوترانسفورماتوري از سيم پيچ ها جريان يکسان عبور مي کند، لذا تلفات در هر دو حالت يکسان بوده و با توجه به افزايش توان اسمي، در مي يابيم که در حالت اتوترانسفورماتوري بهره افزايش مي يابد.

در مقدار مس مصرفي نيز صرفه جويي مي شود.

اتصال موازی ترانسفورماتورهای تکفاز

ترانسفورماتورها به لحاظ فني (بالا بردن ضريب اطمينان ) و اقتصادي (افزايش درخواست) موازي مي گردند.

بعضی از شرايط موازی نمودن ترانسفورماتورها

ولتاژ اسمي سيم پيچ اوليه و ثانويه يکي باشد.
گروه برداري هر دو ترانس يکسان باشد.
توالي فازها رعايت شده باشد.

ترانسفورماتورهای سه فاز

سيستم های سه فاز

تعريف: يک سيستم سه فاز از سه منبع ولتاژ تکفاز تشکيل شده که در آن ولتاژها از نظر مقدار با هم يکسان بوده اما از نظر فاز 120 درجه اختلاف فاز دارند.

نحوه اتصال: اتصال يک سيستم سه فاز مي تواند به شکل ستاره و يا مثلث باشد.

اتصال ستاره:

در اين اتصال جريان خط برابر با جريان فاز مي باشد. (IL = IP)

ولتاژ خط راديکال سه برابر ولتاژ فاز مي باشد.

ولتاژ خط 30 درجه جلوتر از ولتاژ فاز مي باشد.

اتصال مثلث:

در اين اتصال ولتاژ فاز با ولتازخط برابر است. (VL = VP)

جريان خط راديکال سه برابر جريان فازي مي باشد.

جريان فاز 30 درجه جلوتر از جريان خط است.

توالی فاز:

الف) توالی مثبت (abc) ب) توالی منفی (acb)

انواع ترانسفورماتورهای سه فاز

ترانسفورماتورها از نظر ساخت بر دو نوع هستند:

مجموعه مونتاژ شده

که با استفاده از سه ترانسفورماتور تکفاز مجزا ايجاد مي شود.

مجموعه يکپارچه

که توسط يک ترانسفورماتور يکپارچه عمل تبديل صورت مي گيرد.

در گذشته استفاده از سه ترانس تکفاز به جاي يک ترانس سه فاز معمول بود، اما امروزه به علت توسعه و پيشرفت در طراحي و ساخت از ترانس هاي سه فاز به طور گسترده استفاده مي شود.

مزايای ترانسفورماتور سه فاز يکپارچه بر مونتاژ شده

فضای کمتری را در عين مقادير نسبی مساوی اشغال می کند.
وزن کمتری دارد.
حدود 15% ارزانتر است.
برای راه اندازی و اتصال زيک دستگاه جابجا شده و متصل می شود.

معايب ترانسفورماتور يکپارچه بر مونتاژ شده

اگر يکي از فازهاي آن از کار بيفتد، آنگاه کل ترانس جهت تعمير و سرويس از مدار خارج مي شود. اما در حالتي که سه ترانس تکفاز به عنوان ترانس سه فاز استفاده شود، اگر يکي از آن ها از کار بيفتد ترانس خراب را مي توان به راحتي با يک ترانس تکفاز يدکي عوض کرد.

اتصالات ترانسفورماتور سه فاز

ستاره – ستاره

مثلث – مثلث

ستاره – مثلث

مثلث – ستاره

مثلث باز يا V-V

اتصال اسکات – T

اتصال ستاره – ستاره Y-Y

اقتصادي ترين روش براي ترانس هاي کوچک و ولتاژ بالا می باشد.

مقدار عايق مورد نياز حداقل است.

متناسب براي بار متعادل (اگر بار نامتعادل باشد نول جابه جا مي شود)؛ مشکل شناوري نول را مي توان با اتصال نول برگشتي اوليه به مولد برطرف کرد مزيت ديگر اين کار اين است که اعوجاج را در ولتاژهاي فاز ثانويه حذف مي کند. (با فراهم نمودن مولفه هارمونيک سوم جريان)

اتصال مثلث – مثلث

در رابطه با ترانس هاي بزرگ و ولتاژ پايين ، مقرون به صرفه است.

بارهاي نامتعادل، زياد ايجاد مشکل نمي کند.

اگر يک ترانس خراب شود، سيستم مي تواند به صورت V-V به کار خود ادامه دهد هر چند ظرفيت موجود کاهش خواهد يافت.

مولفه هارمونيک سوم جريان مغناطيسي در اوليه ترانس بدون جاري شدن در سيم هاي خط بسته می شود.

اتصال ستاره – مثلث

در ايستگاه انتهايي خط انتقال که در آن ولتاژ کاهش داده مي شود، کاربرد دارد.

بين ولتاژهاي خط اوليه و ثانويه يک شيفت 30 درجه وجود دارد و نمي توان آن را با يک مجموعه ستاره – ستاره و يا مثلث – مثلث موازي بست.

جريان هارمونيک سوم يک شار سينوسي در مثلث ايجاد مي کند.

اتصال مثلث – ستاره

در جايي استفاده مي شود که افزايش ولتاژ لازم باشد مانند ابتداي سيستم انتقال فشار قوي، همچنين براي فراهم کردن سرويس چهار سيمه سه فاز، نول نيز مورد استفاده قرار مي گيرد.

به علت حضور يک اتصال مثلث که اجازه مي دهد تا جريان هارمونيک سوم جاري شود.

امکان موازي کردن اين مجموعه با مجموعه ستاره – ستاره و مثلث – مثلث غير ممکن است.

اتصال مثلث باز يا V-V

اين اتصال ما را قادر مي سازد با استفاده از دو ترانسفورماتور تکفاز يک سيستم سه فاز را مورد بهره برداري قرار دهيم.

کل باري که توسط مجموعه V_V تامين مي شود 2/3 ظرفيت مجموعه مثلث – مثلث نبوده بلکه 57.7% آن است. يا به عبارت ديگر فقط 86.6% ظرفيت نامي دو ترانس باقيمانده موجود است. (اگر ظرفيت مجموعه 30KVA باشد اين مقدار به 30*0.577=17.3 يا 20*0.866=17.3 کاهش مي يابد)

اتصال اسکات T

اتصال اسکات – T راهي براي به دست آوردن دو فاز با اختلاف 90 درجه از يک منبع تغذيه سه فاز است. امروزه سيستم دو فاز عمدتاً به کاربردهاي خاص کنترلي محدود مي شود. اسکات – T شامل دو ترانسفورماتور تکفاز مشابه است يکي از آن ها در اوليه اش يک سرک دارد که بر روي 86.6 درصد ولتاژ کاملباري آن تنظيم شده است سرک 86.6 درصد ترانسفورماتور T2 به سرک وسط ترانسفورماتور T1 متصل مي شود. چگونگي انجام اين کار در شکل زير نشان داده شده است.