انواع و طراحی سیم پیچ ترانسفورماتور در آزمون نظام مهندسی برق
انواع و طراحی سیم پیچ ترانسفورماتور در آزمون نظام مهندسی برق سیم پیچ ترانسفورماتور یکی از مهم ترین قسمت های ترانسفورماتور است. انواع مختلفی از سیم پیچ ترانسفورماتور در بازار موجود است. انتخاب سیم پیچ ترانسفورماتور بر اساس عوامل مختلفی مانند ولتاژ، جریان و ظرفیت ترانسفورماتور در حال ساخت است.
الزامات سیم پیچ ترانسفورماتور
سیم پیچ ترانسفورماتور انتخاب شده باید با تعدادی از الزامات مطابقت داشته باشد. در اینجا به چند مورد از مهمترین آنها اشاره می کنیم:
- سیم پیچ ها باید هم از نظر هزینه اولیه با در نظر گرفتن وجود مس در بازار و هم از نظر کارایی ترانسفورماتور مقرون به صرفه باشند.
- سیم پیچ ترانسفورماتور باید الزامات دمایی خاصی را برآورده کند ، زیرا انحراف از این شرایط عمر مفید ترانسفورماتور را به شدت کاهش می دهد.
- سیم پیچ ها باید با توجه به نیروهای ناشی از اتصال کوتاه ناگهانی در ترانسفورماتورها از نظر مکانیکی پایدار باشند.
- استحکام الکتریکی سیم پیچ باید برای مقاومت در برابر ولتاژهای اضافی کافی باشد.
در بسیاری از موارد، این الزامات با یکدیگر در تضاد هستند. به عنوان مثال، چگالی جریان بالاتر در سیم پیچ به معنای نیاز به مس کمتر است، اما تلفات مس افزایش می یابد که باعث کاهش راندمان ترانسفورماتور می شود. افزایش دمای بیشتر در سیم پیچ منجر به ترانسفورماتور کوچکتر، اما عمر مفید کمتر می شود. بنابراین، طراحی سیم پیچ یک ترانسفورماتور مدرن، به ویژه در مورد ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا، بسیار مهم است.
طراحی سیم پیچ ترانسفورماتور در آزمون نظام مهندسی برق
سیم پیچ های ولتاژ بالا و ولتاژ پایین ترانسفورماتور به گونه ای طراحی و انتخاب می شوند که نیروی اتصال کوتاه محوری تا حد امکان کم باشد و امکان پشتیبانی از سیم پیچ بسیار ساده تر باشد.
موارد مورد استفاده
مس و آلومینیوم مواد اولیه ای هستند که به عنوان رسانا در سیم پیچ های ترانسفورماتور قدرت استفاده می شوند.
برای انتقال جریان با عملکرد مشابه مس، هادی های آلومینیومی باید سطح مقطع بزرگتری داشته باشند. آلومینیوم سبک تر و به طور کلی ارزان تر از مس است.
هادیهای مسی استحکام مکانیکی بالاتری دارند و تقریباً بهطور انحصاری استفاده میشوند، به جز برای محدودههای اندازه کوچکتر، جایی که هادیهای آلومینیومی قابل قبول هستند.
در مواردی که با نیروهای شدید مواجه می شود، می توان از موادی مانند مس نقره دار برای استحکام بیشتر استفاده کرد.
در اینجا نمودار مقایسه خواص مس و آلومینیوم آورده شده است.
| ویژگی | واحد | فلز مس | آلومینیوم |
|---|---|---|---|
| مقاومت در 20 درجه سانتیگراد | Ω mm2/m | 0,0175 | 0,0285 |
| هدایت الکتریکی در 20 درجه سانتیگراد | m / Ω mm2 | 57,1 | 35،4 |
| ضریب دمایی مقاومت الکتریکی در 20 درجه سانتیگراد | – | 0,00427 | 0,0044 |
| رسانایی گرمایی | W / m ° C | 393 | 203 |
| گرمای خاص | وات ثانیه / کیلوگرم درجه سانتیگراد | 385 | 920 |
| نقطه ذوب | درجه سانتی گراد | 1084 | 658 |
| نقطه جوش | درجه سانتی گراد | 2595 | 2060 |
| وزن مخصوص | کیلوگرم بر متر مکعب | 8900 | 2700 |
| استحکام کششی | kgf/mm2 | 24 | 10 |
| حد الاستیک | kgf/mm2 | 6-8 | 2-5 |
| ضریب انبساط خطی در 20 درجه سانتیگراد | – | 17 × 10-6 | 24 × 10-6 |
جابجایی هادی ها در ترانسفورماتور
همانطور که در بالا توضیح داده شد، هادی های مورد استفاده در سیم پیچ های ترانسفورماتور، نوارهای مسی یا آلومینیومی جامد یا رشته ای هستند. ظرفیت جریان سنگین با هادی هایی با سطح مقطع بزرگ به دست می آید. برای کاهش تلفات جریان گردابی در هادی ها ترجیحاً به جای یک تسمه بزرگ از چند سیم کوچک یا تسمه موازی استفاده شود. در نتیجه اجزای هادی دارای راکتانس نابرابر هستند که با جابجایی هادی ها می توان آن را از بین برد.
جابجایی رساناها در ترانسفورماتور شامل سیم پیچی نیمی از هر سیم پیچ در هر اندام به جای قرار دادن سیم اولیه روی یکی و ثانویه روی دیگری است. با انجام این کار، اتصال محکم بین دو سیم پیچ تضمین می شود. در نتیجه شار نشتی به طور قابل توجهی کاهش می یابد.
تعیین موقعیت سیم پیچ های HV و LV
موقعیت سیم پیچ های HV و LV نسبت به هسته نیز نقش بسیار مهمی از نظر الزامات عایق ایفا می کند.
اگر سیم پیچ HV در کنار هسته قرار می گرفت، باید آن را هم از هسته و هم از سیم پیچ LV عایق بندی کرد. علاوه بر این، دو لایه عایق HV مورد نیاز است.
هنگامی که سیم پیچ فشار قوی در خارج و اطراف سیم پیچ فشار ضعیف قرار می گیرد، تنها یک لایه عایق فشار قوی لازم است.
مونتاژ سیم پیچ ترانسفورماتور
کویل های سیم پیچ ترانسفورماتور تقریباً همیشه روی قالب هسته پیچیده می شوند، در لاک عایق فرو می روند، در یک توده سفت پخته می شوند و سپس با هسته مونتاژ می شوند. سیم پیچ ها برای قرارگرفتن در قالب های مستطیلی مقرون به صرفه هستند زیرا ساخت هسته با پایه های مستطیلی ساده تر است.
در ترانسفورماتورهای کوچک، کویل های متحدالمرکز مستطیلی یک انتخاب عملی هستند. با این حال، ترانسفورماتورهای بزرگ به دلیل نیروهای دافعه قوی ایجاد شده بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه در شرایط اتصال کوتاه، طرف های صاف سیم پیچ بیرونی را گرد می کنند. در نتیجه، در صورت آسیب دیدن عایق سیم پیچ، ترانسفورماتور معمولاً غیر قابل استفاده خواهد بود. برای حل این مشکل استحکام مکانیکی، کویل های متحدالمرکز استوانه ای راه حل واضحی هستند.
سیم پیچ های متحدالمرکز و ساندویچی
میتوان سیمپیچهای فشار قوی و پایین را به صورت متحدالمرکز یا ساندویچی ترتیب داد. هر سیم پیچ در آرایش متحدالمرکز دارای یک مرکز مشترک است که در هر مقطع دایره هایی را تشکیل می دهد. در سیمپیچهای ساندویچی، سیمپیچهای ولتاژ بالا و ولتاژ پایین در امتداد ارتفاع ساق متناوب میشوند.
سیمپیچهای متحدالمرکز در ترانسفورماتورهای نوع هسته استفاده میشوند در حالی که سیمپیچهای ساندویچی تقریباً به طور انحصاری در ترانسفورماتورهای نوع پوسته آزمون نظام مهندسی برق استفاده میشوند .
به دلیل عایق آسانتر، سیمپیچهای متحدالمرکز سیمپیچ ولتاژ پایین را به هسته نزدیکتر میکنند، در حالی که سیمپیچهای ساندویچی آن را در خارج قرار میدهند. فضاهای عایق بین سیم پیچ های ولتاژ پایین و فشار قوی نیز به تسهیل خنک سازی کمک می کند.
انواع سیم پیچ ترانسفورماتور
سیم پیچ های متحدالمرکز مورد استفاده برای انواع هسته ترانسفورماتورها را می توان در گروه های زیادی طبقه بندی کرد. مهمترین سیم پیچ ترانسفورماتورها هستند
- سیم پیچ استوانه ای
- سیم پیچ حلزونی
- سیم پیچ متقاطع
- سیم پیچی مداوم دیسک.
سیم پیچ های استوانه ای
به طور کلی، سیمپیچهای استوانهای در طرح لایهبندی هستند و از هادیهای مستطیلی (یا نواری) یا گرد استفاده میکنند. هنگامی که سطح مقطع یک پیچ از 8 تا 10 میلی متر مربع تجاوز نمی کند ، سیم پیچ استوانه ای ممکن است از چندین لایه هادی گرد ساخته شود. در سیم پیچ هایی با سطح مقطع بزرگ از هادی های مستطیلی (یا نواری) معمولاً دو لایه استفاده می شود.
شکل یک سیم پیچ استوانه ای با هادی های نواری را نشان می دهد. سیم پیچی از پیچ هایی تشکیل شده است که به صورت مارپیچی به دور ژنراتیکس سیلندر پیچیده شده و پیچ ها نزدیک به یکدیگر هستند. از این رو، ارتفاع سیم پیچ برابر با ارتفاع لایه است. هادی مستطیلی را می توان به صورت مسطح یا لبه پیچید. در حالت اول، اندازه بزرگتر هادی در جهت محوری قرار می گیرد در حالی که در حالت دوم، در جهت شعاعی قرار می گیرد.
هنگامی که بخش چرخشی (مقطع چرخشی) از 40-45 میلی متر مربع تجاوز می کند، یک چرخش از چندین هادی منفرد که در امتداد ارتفاع لایه مرتب شده اند ساخته می شود، به طوری که همه آنها موقعیت یکسانی را نسبت به میدان نشتی اشغال می کنند. برای بهبود خنک سازی، کانال هایی به عرض 5 تا 8 میلی متر بین لایه های سیم پیچ باقی می مانند (شکل بزرگتر به ترانسفورماتورهای بزرگتر اشاره دارد).
سیمپیچهای استوانهای با هادیهای دایرهای معمولاً برای سیمپیچهای HV با ولتاژ تا ۶/۶ کیلوولت، ۱۱ کیلوولت یا ۳۳ کیلوولت برای درجهبندی تا ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلوولت استفاده میشوند. سیمپیچهای استوانهای با هادیهای گرد عمدتاً برای سیمپیچهای ولتاژ پایین تا 6.6 کیلو ولت برای امتیازات تا 600-750 کیلوولت آمپر استفاده میشوند.
سیم پیچ های حلزونی
سیم پیچ مارپیچ برای سیم پیچ های LV در ترانسفورماتورهای با ظرفیت متوسط و بالا استفاده می شود، جایی که تعداد چرخش سیم پیچ کم است اما جریان زیاد است (تا 2000 A). بنابراین، سیمپیچهای ولتاژ پایین ترانسفورماتورهای با ظرفیت متوسط و بالا، مستلزم استفاده از هادی متشکل از ردیفی از هادیهای مستطیلی موازی است که در یک جهت شعاعی سیمپیچ بهطور مسطح و نزدیک به یکدیگر چیده شدهاند.
برای توزیع یکنواختتر جریان بین هادیهای موازی، آنها را جابهجا میکنند تا هر رسانا بتواند هر موقعیتی را بگیرد.
تعداد هادی های موازی در پیچ یک سیم پیچ مارپیچ معمولاً از 6 تا 20 متغیر است. در اصل، سیم پیچ های مارپیچ شبیه سیم پیچ های استوانه ای هستند، به جز وجود فاصله های محوری بین پیچ های مجاور در سیم پیچ های مارپیچ به منظور بهبود گردش روغن و بهبود آن. خنک شدن در نتیجه گردش بهتر روغن. مجراها توسط اسپیسرهایی که به طور منظم در اطراف محیط سیلندر قرار می گیرند تشکیل می شوند. یک سیم پیچ مارپیچ پیوسته استحکام مکانیکی محوری بالایی را نشان می دهد و اغلب برای سیم پیچ های LV ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ استفاده می شود.
سیم پیچ ترانسفورماتور حلزونی در ترانسفورماتورهای قدرت از 150 کیلوولت آمپر تا 30 مگاولت آمپر در ولتاژهای بین 400 ولت و 11 کیلو ولت و گاهی اوقات تا 33 کیلوولت استفاده می شود.
سیم پیچ متقاطع
سیمپیچهای متقاطع برای جریانهای بیش از 20 آمپر مناسب هستند. آنها به طور گسترده برای سیمپیچهای ولتاژ بالا ترانسفورماتورهای درجه پایین استفاده میشوند. این به این دلیل است که چنین ترانسفورماتورهایی ممکن است دارای تعداد زیادی چرخش باشند، اما هادی ها دارای یک بخش دایره ای کوچک با پوشش های دوتایی پنبه ای یا کاغذی هستند.
سیم پیچ متقاطع بسته به درجه ولتاژ، کل سیم پیچ ممکن است به سیم پیچ های متعدد تقسیم شود. کویل ها روی فرم دهنده ها، معمولاً U شکل، با چندین لایه با چندین چرخش در هر لایه پیچیده می شوند. انتهای سیم پیچ، یکی از داخل و یکی از بیرون، به صورت سری به سیم پیچ های مشابه دیگر متصل می شوند. این کویل ها با بلوک هایی از مواد عایق فاصله دارند تا اجازه گردش آزاد روغن را بدهند. طول محوری هر سیم پیچ و فاصله جدایی بین هر سیم پیچ با توجه به درجه ولتاژ متفاوت است.
سیم پیچ متقاطع ممکن است در همان محدوده درجه بندی سیم پیچ استوانه ای استفاده شود. سیم پیچ متقاطع در شرایط عملیاتی معمولی قوی تر از سیم پیچ استوانه ای است. معایب این سیم پیچ قدرت ضربه ای کمتر و ماهیت کار بر آن است.
سیم پیچی دیسک پیوسته
سیمپیچهای دیسک پیوسته، همانطور که از نامشان پیداست، از تعدادی سیم پیچ یا دیسک تخت تشکیل شدهاند که به صورت سری یا موازی به هم متصل شدهاند. سیم پیچ ها با نوارهای مستطیلی شکل که به صورت مارپیچی از مرکز به سمت بیرون در جهت شعاعی پیچیده شده اند، همانطور که در شکل نشان داده شده است.
هادی ها در طول هایی استفاده می شوند که برای سیم پیچی کامل یا قسمتی از سیم پیچی بین ضربه ها کافی است. هادی می تواند یک نوار منفرد یا تعدادی نوار به صورت موازی باشد که در سمت صاف پیچیده شده است. این یک ساختار قوی برای هر یک از دیسک ها می دهد.
آزمون نظام مهندسی برق دیسک ها بر روی یک سیلندر عایق پیچیده می شوند که با نوارهایی در طول آن از هم جدا شده اند. دیسک ها با بخش های تخته پرس متصل به نوارهای عمودی از یکدیگر جدا می شوند. اسپیسرهای عمودی و افقی مجاری شعاعی و محوری را برای گردش آزاد روغن فراهم می کنند که در هر پیچ در تماس است. اگر یک پیچ سیم پیچ حاوی چندین هادی موازی باشد، جابجایی آنها مانند سیم پیچ مارپیچ استفاده می شود.
سیمپیچهای دیسک پیوسته قابل اعتماد و قوی هستند و بنابراین، به طور گسترده به عنوان سیمپیچ LV و HV در ترانسفورماتورهای رتبهبندی بزرگ به کار میروند. هنگامی که سیم پیچ پیوسته به عنوان سیم پیچ HV استفاده می شود، برای تنظیم نسبت ولتاژ در محدوده ± 5٪ یا 2 (± 2.5٪) ضربه هایی ایجاد می شود.
سیم پیچ ساندویچ
سیمپیچهای ساندویچی معمولاً در ترانسفورماتورهای پوستهای استفاده میشوند و امکان کنترل آسان راکتانس نشتی را فراهم میکنند. راکتانس نشتی را می توان با تقسیم سیم پیچ های ولتاژ پایین و ولتاژ بالا به تعداد زیادی بخش یا سیم پیچ و مرتب کردن متناوب بخش های HV و LV با بخش LV نزدیک تر به یوغ کاهش داد.
دو سیم پیچ ولتاژ پایین در انتها نیمی از پیچ های یک سیم پیچ معمولی ولتاژ پایین دارند. برای متعادل ساختن mmf مقاطع مجاور، هر مقطع معمولی اعم از hv یا Iv، تعداد دور آمپری یکسانی را حمل می کند. هرچه تعداد بخش ها (یا سیم پیچ ها) بیشتر باشد، راکتانس نشتی کوچکتر است. بخش بندی سیم پیچ نه تنها به کنترل راکتانس نشتی کمک می کند، بلکه خنک سازی و جابجایی را نیز بهبود می بخشد.
معایب سیم پیچی ساندویچی
در مقایسه با سیمپیچهای متحدالمرکز، چندین اشکال دارند:
- آنها در تولید نیروی کار بیشتری مصرف می کنند،
- نسبت به اتصال کوتاه پایداری کمتری دارند و هستند
- عایق شدن از یکدیگر و از یوغ دشوارتر است.
به همین دلیل است که ترانسفورماتورهای نوع هسته با سیمپیچهای متحدالمرکز رایجتر هستند.
