ترانسفورماتور سه فاز – مبانی و روش های اتصال نظام مهندسی برق

ترانسفورماتور سه فاز – مبانی و روش های اتصال، می دانید که برق با استفاده از سیستم سه فاز تولید و منتقل می شود. سیستم سه فاز مزایای قابل توجهی نسبت به سایر سیستم های چند فاز دارد. در مدار سه فاز، ولتاژ با استفاده از ترانسفورماتورهای سه فاز افزایش یا کاهش می یابد .

ترانسفورماتورهای سه فاز مانند سه ترانسفورماتور تک فاز عمل می کنند. اما یک ترانسفورماتور سه فاز حجم کمتری اشغال می کند و وزن آن کمتر از سه ترانسفورماتور تک فاز طراحی شده برای همین منظور است نظام مهندسی برق.

این یک وسیله تبدیل انرژی الکترومغناطیسی است که هیچ قسمت متحرک و دو (یا بیشتر) سیم پیچ ثابت نسبت به یکدیگر ندارد که برای انتقال انرژی الکتریکی بین مدارها یا سیستم ها به واسطه القای الکترومغناطیسی در نظر گرفته شده است.

دو راه اتصال ترانسفورماتور سه فاز

ترانسفورماتور سه فاز در پست برق به دو صورت ساخته می شود

1. با اتصال مناسب یک مجموعه از سه ترانسفورماتور تک فاز
2. با ساخت ترانسفورماتور سه فاز بر روی ساختار مغناطیسی مشترک .

در هر صورت، سیم پیچ ها ممکن است به چهار روش مختلف اتصال متصل شوند.

• ستاره – اتصال ستاره (YY)
• اتصال ستاره – مثلث(Y-Δ)
• مثلث– اتصال مثلث(Δ-Δ)
• مثلث– اتصال ستاره (Δ-Y)

1. مجموعه سه ترانسفورماتور تک فاز

سه ترانسفورماتور تکفاز مشابه را می توان برای تشکیل یک ترانسفورماتور سه فاز متصل کرد. سیم پیچ اولیه و ثانویه ممکن است به ترتیب ستاره (Y) یا مثلث (D) متصل شوند.

به عنوان مثال ، شکل زیر یک اتصال YD یک ترانسفورماتور سه فاز را نشان می دهد. سیم پیچ های اولیه به صورت ستاره ای و سیم پیچ های ثانویه به صورت مثلث متصل می شوند.

یک راه راحت تر برای نشان دادن این اتصال در زیر نشان داده شده است.

سیم پیچ های اولیه و ثانویه که به صورت موازی با یکدیگر نشان داده شده اند متعلق به همان ترانسفورماتور تک فاز هستند. نسبت ولتاژ فاز ثانویه به ولتاژ فاز اولیه، نسبت تبدیل فاز K است.

نسبت تبدیل فاز، K = ولتاژ فاز ثانویه / ولتاژ فاز اولیه

با توجه به شکل بالا، ولتاژ خط به خط اولیه V و جریان خط اولیه I است .

نسبت تبدیل فاز K = (N2 _/ N1 ₎ است .

ولتاژ خط ثانویه و جریان خط نیز نشان داده شده است.

همانطور که در بالا ذکر شد، اتصالات Y یا ∆ با ترانسفورماتورهای تک فاز متصل به مجموعه امکان پذیر است. بسیار مهم است که ترانسفورماتورهای تکفاز هنگام مونتاژ با یکدیگر به دقت مطابقت داده شوند، به ویژه هنگامی که از اتصال Δ استفاده می شود. استفاده از ترانسفورماتورهای نامتناسب در اتصال Δ منجر به جریان های گردشی بیش از حد می شود که به شدت مجموعه ترانس را کاهش می دهد یا باعث گرم شدن بیش از حد می شود.

مزایای

ممکن است ساخت یا ارسال یک ترانسفورماتور سه فاز با ظرفیت بسیار زیاد MVA غیرممکن یا غیرعملی باشد. مجموعه ای متشکل از سه ترانسفورماتور تک فاز ممکن است راه حل باشد، اگرچه اندازه کل، وزن و هزینه سه واحد تک فاز احتمالاً از اندازه، وزن و هزینه یک واحد سه فاز بیشتر خواهد بود.

مزیت اضافی ترتیبات بانکی این است که خرابی یک واحد تک فاز معمولاً هزینه تعمیر کمتری نسبت به خرابی یک واحد سه فاز بزرگتر دارد.

یکی از پیکربندی های جالب برای یک بانک سه فاز، اتصال مثلثی باز است که به طور گسترده در سیستم های توزیع روستایی استفاده می شود. اتصال مثلث باز از دو ترانسفورماتور تک فاز استفاده می کند. یک اتصال Y-∆ باز فقط به دو فاز به اضافه نول در سمت اولیه بانک نیاز دارد تا یک ولتاژ سه فاز در ثانویه ایجاد شود. این یک صرفه جویی آشکار در هزینه (علاوه بر هزینه اجتناب شده ترانسفورماتور سوم) زمانی است که نصب از مدار اولیه سه فاز دور باشد.

2. ترانسفورماتور سه فاز تک واحدی

در قسمت قبل روش هایی را دیدیم که ترانسفورماتورهای تکفاز می توانند در سیستم های سه فاز و دو فاز متصل شوند. گاهی اوقات ساخت یک ترانسفورماتور سه فاز به جای استفاده از مجموعه ای از ترانسفورماتورهای تک فاز سودمند است.

به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور سه فاز اغلب می تواند با محصور کردن یک ساختار هسته و سیم پیچ در داخل یک مخزن ترانسفورماتور به جای ساختن سه ساختار و مخزن هسته و سیم پیچ مجزا، مقرون به صرفه تر باشد.

یک ترانسفورماتور سه فاز را می توان با داشتن سه سیم پیچ اولیه و سه سیم پیچ ثانویه بر روی یک مدار مغناطیسی مشترک ساخت.

اصل ترانسفورماتور 3 فاز

اصول اولیه ترانسفورماتور 3 فاز در زیر توضیح داده شده است.

سه ترانسفورماتور نوع هسته تک فاز که هر کدام دارای سیم پیچی (اولیه و ثانویه) تنها بر روی یک پایه هستند، پایه‌های بدون پیچ خود را با هم ترکیب می‌کنند تا مسیری را برای شار برگشتی فراهم کنند. اولیه، و همچنین ثانویه، ممکن است در ستاره یا مثلث متصل شوند.

اگر پایه از یک منبع تغذیه 3 فاز انرژی داده شود، اندام مرکزی (یعنی اندام باز نشده) شارهای تولید شده توسط سیم پیچ های اولیه 3 فاز را حمل می کند. از آنجایی که مجموع فاز سه جریان اولیه در هر لحظه صفر است، مجموع سه شار عبوری از اندام مرکزی باید صفر باشد. از این رو هیچ شار در اندام مرکزی وجود ندارد و بنابراین ممکن است از بین برود.

این اصلاح یک ترانسفورماتور 3 فاز از نوع هسته سه پایه را می دهد. در این حالت، هر دو پایه به عنوان مسیر برگشتی برای شار در پایه سوم عمل خواهند کرد.

برای مثال، اگر شار ϕ در یک پایه در یک لحظه، شار ϕ/2 در جهت مخالف از طریق دو پایه دیگر در همان لحظه باشد.

تمام اتصالات یک ترانسفورماتور 3 فاز در داخل کیس انجام می شود و برای سیم پیچ متصل به مثلث سه سیم و برای سیم پیچ ستاره ای چهار سیم بیرون آورده می شود.

یک ترانسفورماتور سه فاز هسته مغناطیسی معمولی نیز می تواند از نوع هسته ای یا پوسته ای باشد . از آنجایی که سومین شار هارمونیک ایجاد شده توسط هر سیم پیچ در فاز است، ترانسفورماتور پوسته ای ترجیح داده می شود زیرا یک مسیر خارجی برای این شار فراهم می کند. به عبارت دیگر، شکل موج ولتاژ برای یک ترانسفورماتور پوسته ای کمتر از
یک ترانسفورماتور هسته ای با رتبه های مشابه تحریف می شود.

مزایا و معایب ترانسفورماتور 3 فاز تک واحدی

برای همان ظرفیت، یک ترانسفورماتور 3 فاز وزن کمتری دارد، فضای کمتری را اشغال می کند و حدود 20٪ کمتر از بانک سه ترانسفورماتور تک فاز هزینه دارد. به دلیل این مزایا ، ترانسفورماتورهای 3 فاز به ویژه برای تبدیل های قدرت بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند.

نقطه ضعف ترانسفورماتور سه فاز تک واحدی در این واقعیت است که وقتی یک فاز معیوب می شود، کل واحد سه فاز باید از سرویس خارج شود. هنگامی که یک ترانسفورماتور در بانک سه ترانسفورماتور تکفاز معیوب می شود، ممکن است از سرویس خارج شود و دو ترانسفورماتور دیگر ممکن است به صورت اضطراری مجدداً به سرویس تغذیه وصل شوند تا زمانی که تعمیر انجام شود.

اتصالات ترانسفورماتور سه فاز

ترانسفورماتور سه فاز را می توان با اتصال مناسب بانکی از سه ترانسفورماتور تک فاز یا یک ترانسفورماتور سه فاز ساخت. سیم پیچ اولیه یا ثانویه ممکن است به ترتیب ستاره (Y) یا مثلث (D) متصل شوند.

چهار اتصال رایج عبارتند از

1. ستاره – اتصال ستاره (YY)
2. اتصال ستاره – مثلث (Y-Δ)
3. مثلث – اتصال مثلث (Δ-Δ)
4. مثلث– اتصال ستاره (Δ-Y)

این چهار اتصال در شکل زیر نشان داده شده است. در این شکل، سیم‌پیچ‌های سمت چپ، سیم‌پیچ‌های اولیه و سیم‌پیچ‌های سمت راست، ثانویه هستند. ولتاژها و جریانهای اولیه و ثانویه نیز نشان داده شده است. ولتاژ خط اولیه V و جریان خط اولیه I است . نسبت تبدیل فاز K توسط:

K = ولتاژ فاز ثانویه / ولتاژ فاز اولیه = N ₂ /N ₁

برخی از مزایا و معایب هر اتصال در زیر برجسته شده است.

اتصال ستاره-ستاره (YY).

در اتصال ستاره-ستاره (YY)، 57.7% (یا 3/1) از ولتاژ خط بر روی هر سیم پیچ تاثیر می گذارد، اما جریان کامل خط در هر سیم پیچ جریان می یابد.

مدارهای برق عرضه شده از یک بانک YY اغلب اختلالات جدی در مدارهای ارتباطی در مجاورت خود ایجاد می کنند. به دلیل این و سایر معایب، اتصال YY به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد .

اتصال AY/Y برای سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور سه فاز در شکل نشان داده شده است. ولتاژ خط به خط در هر طرف ترانسفورماتور سه فاز √3 برابر ولتاژ نامی ترانسفورماتور تک فاز است.

مزیت اصلی اتصال Y/Y این است که از هر طرف به ترمینال خنثی دسترسی داریم و در صورت تمایل می توان آن را به زمین متصل کرد. بدون اتصال به زمین پایانه های خنثی، عملکرد Y/Y تنها زمانی رضایت بخش است که بار سه فاز متعادل باشد.

عایق الکتریکی تنها به حدود 57.7 درصد ولتاژ خط در یک ترانسفورماتور متصل به Y تحت فشار قرار می گیرد.

از آنجایی که بیشتر ترانسفورماتورها برای کارکردن در زانو یا بالای منحنی طراحی شده اند، چنین طراحی باعث می شود آزمون نظام مهندسی برق  EMF ها و جریان های القایی مخدوش شوند .

دلیل آن به شرح زیر است: اگرچه جریان های تحریک هنوز نسبت به یکدیگر 120 درجه خارج از فاز هستند، اما شکل موج آنها دیگر سینوسی نیست. بنابراین، این جریان ها به صفر نمی رسند. اگر خنثی زمین نباشد، این جریان ها مجبور می شوند تا صفر شوند. بنابراین، آنها بر شکل موج EMF های القایی تأثیر می گذارند.

اتصال مثلث-مثلث(Δ-Δ).

اتصال مثلث- مثلث (Δ-Δ) اغلب برای ولتاژهای متوسط ​​استفاده می شود.

ولتاژ خط به خط در دو طرف برابر با ولتاژ فاز مربوطه است. بنابراین، این آرایش زمانی مفید است که ولتاژها خیلی زیاد نباشند.

مزیت این اتصال این است که حتی تحت بارهای نامتعادل، ولتاژ بار سه فاز به طور قابل ملاحظه ای برابر باقی می ماند.

نقطه ضعف اتصال Δ-Δ عدم وجود ترمینال خنثی در هر دو طرف است. اشکال دیگر این است که عایق الکتریکی به ولتاژ خط فشار وارد می کند. بنابراین، سیم‌پیچ متصل به Δ به عایق گران‌تری نسبت به سیم‌پیچ متصل به Y برای همان توان قدرت نیاز دارد.

یک اتصال Δ-Δ را می توان با تبدیل آن به یک اتصال Y/Y شبیه سازی شده با استفاده از تبدیل های Δ-به-Y به صورت تئوری تجزیه و تحلیل کرد.

یکی دیگر از مزایای این اتصال این است که اگر یک ترانسفورماتور آسیب ببیند یا از سرویس خارج شود، دو ترانسفورماتور باقی مانده را می توان در چیزی که به عنوان اتصال مثلث باز یا VV شناخته می شود، کار کرد .

با بهره برداری از این روش، بانک همچنان جریان ها و ولتاژهای سه فاز را در روابط فاز صحیح خود ارائه می دهد، اما ظرفیت بانک به 57.7 درصد از آنچه با هر سه ترانسفورماتور در حال سرویس بود کاهش می یابد.

اتصال ستاره-مثلث (Y-Δ).

این اتصال ستاره-مثلث (Y-Δ) برای برنامه های کاربردی بسیار مناسب است. جریان سیم پیچ ثانویه 57.7 درصد جریان بار است.

در سمت اولیه، ولتاژها از خط به نول هستند، در حالی که ولتاژها از خط به خط در سمت ثانویه هستند. بنابراین، ولتاژ و جریان در اولیه با ولتاژ و جریان در ثانویه خارج از فاز هستند.

در اتصال ستاره- مثلث (Y-Δ)، اعوجاج در شکل موج ولتاژهای القایی به اندازه یک ترانسفورماتور متصل به Y/Y زمانی که نول به زمین متصل نیست، شدید نیست. دلیل آن این است که جریان های تحریف شده در اولیه باعث ایجاد جریان در گردش در ثانویه متصل به Δ می شود. جریان در گردش بیشتر شبیه یک جریان مغناطیسی عمل می کند و تمایل به اصلاح اعوجاج دارد.

اتصال ستاره مثلث (Δ-Y).

اتصال Delta-Star (Δ-Y) معمولاً برای بالا بردن ولتاژ بالا استفاده می شود. با این حال، این اتصال اکنون برای برآوردن نیازهای بارهای سه فاز و تک فاز مورد بهره برداری قرار می گیرد.

در این حالت از ثانویه چهار سیمه استفاده می کنیم. بارهای تک فاز توسط سه مدار خط به خنثی مراقبت می شوند. همواره تلاش می شود تا بارهای تک فاز تقریباً به طور مساوی بین سه فاز توزیع شود.

انواع و طراحی سیم پیچ ترانسفورماتور در آزمون نظام مهندسی برق

دانلود رایگان کتاب خلاصه نکات نشریه 110

نظام مهندسی برق و همه چیز درباره‌ آن

آزمون نظام مهندسی برق