پایان نامه بررسی اثرات هارمونیک های ولتاژ و جریان بر روی ترانسفورماتورهای قدرت

پایان نامه تحصیلی دوره کارشناسی برق قدرت

چکیده :

در این پایان نامه (پژوهش) به مطالعه ارتباط بین منحنی مغناطیس شوندگی هسته ترانسفور ماتور و ناپایداریهای هارمونیکی ناشی از آن می پردازیم .سپس انواع هارمونیک های ولتاژ و جریان و اثرات آنها را بر روی سیستم های قدرت ، در حالات مختلف مورد بررسی قرار   می دهیم0 در قسمت بعد به بررسی چگونگی حذف هارمونیک ها در ترانسفور ماتور های قدرت با استفاده از اتصالات ستاره ومثلث سیم پیچی ها می پردازیم .و در نها یت نیز جبرانکننده ها ی استاتیک و فیلتر ها را به منظور حذف  هارمونیک های سیستم قدرت مورد مطالعه قرار می دهیم.

کلمات کلیدی :

ناپایداری هارمونیکی ، منحنی مغناطیس شوندگی ، فیلتر ها ، سیستم قدرت ، هارمونیک ولتاژ و جریان ، جبرانساز استا تیک

این پروژه شامل پنج فصل است که :

فصل اول :در موردشناخت ترانسفورماتور و آشنایی کلی با اصول اولیه ترانسفورماتور اصول کار و مشخصات اسمی ترانسفورماتور و چگونگی تعیین تلفات در ترانسفورماتور و ساختمان ووسایل حفاظتی بکار رفته در ترانسفورماتور بحث می کند .

فصل دوم :در مورد رابطه بین B – H و منحنی مغناطیس شوندگی تلفات پس ماند هسته جریان تحریکی در ترانسفورماتورها و ناپایداری هارمونیکی مرتبط با هسته و چگونگی ایجاد ناپایداری کنترل ناپایداری و آنالیز هارمونیکی جریان مغناطیس کننده و عناصر اشباع را مورد بررسی قرار می دهد .

فصل سوم :در این فصل با هارمونیکهای جریان ولتاژ اثرات آنها و هارمونیکهای جریان در یک سیستم  خازن و یک سیستم  پس از نصب خازن و عیوب هارمونیکهای جریان و هارمونیکهای ولتاژ و چگونگی تعیین آنها را مورد بررسی قرار می دهد .

فصل چهارم : دراین فصل به بررسی عملکرد هارمونیک در ترانسفورماتور می پردازیم و انواع آن در اتصالات ترانس را مورد بررسی قرار می دهیم و هارمونیک سوم در ترانسفورماتور و ایجاد سیم پیچ ثالثیه یا پایدارکننده برای حذف هارمونیک و همچنین تلفات هارمونیکها در ترانسفورماتور می پردازیم .

فصل پنجم:در این فصل به منظورحذف هارمونیکهاواثرات آنها در سیستمهای قدرت،به مطالعه جبرانکننده های استاتیک می پردازیم. امروزه در سیستم های قدرت مدرت جبران کننده های استاتیک بعنوان کامل ترین جبران کننده ها مطرح هستند. 

مقدمه :

در سیستم  های قدرت پیشرفته انرژی الکتریکی توسط ژنراتورهای سه فاز تولید می شود که پس از انتقال به صورت سه فاز توزیع می شود . به دلایل اقتصادی از ایستگاه تا مصرف ولتاژ چندین بار افزایش و کاهش می یابد .در هر باز افزایش و کاهش ولتاژ ت سه فاز موردنیاز است . بدین جهت در سیستم  های قدرت سه فاز از تعداد زیادی ترانسفورماتور سه فاز استفاده می شود . برای هر تبدیل ولتاژ از مقداری به مقدار دیگر ممکن است از سه واحد ترانسفورماتور تک فاز یا یک واحد ترانسفورماتور سه فاز استفاده شود . در ترانسفورماتورهای قدرت و توزیع جریان تحریک تنها درصد کوچکی ( 2 تا 6%) از جریان نامی است . پدیده هارمونیک در ترانسفورماتورهای قدرت بسیار مهم است . زیرا تحت شرایط معینی هارمونیک های جریان تحریک باعث عمل عمدی تجهزات حفاظتی می گردند ممکن است باعث تداخل در مدارهای مخابراتی شوند . نظر به این مسئله مهندسین مخابرات و سیستم  انرژی باید قادر به بررسی و حذف چنین شرایط باشند . از این رو هارمونیک در ترانسفورماتور از اهمیت ویژه ای برخوردار است .

اولین مورد از مشکلات اعوجاجات هارمونیکی در سال 1893 در شهر هارتفورد امریکا پیش آمد،به این صورت که یک موتور الکتریکی با گرم شدن زیاد باعث خرابی عایقبندی خود شد. پس از آزمایشات معلوم شد که علت این امر تشدید ایجاد شده در خط انتقال ، ناشی از وجود هارمونیکها بوده است.

مشکل بعدی ،یک ژنراتور سه فاز 125 هرتز با ولتاژ 8/3  کیلوولت ساخت شرکت جنرال الکتریک امریکا بود. در این موردهمه محاسبات با تقریبهای خوبی انجام شده بودولی بازهم تشدید در خط انتقال بود . با محاسبه اندوکتانس و ظرفیت خازنی خط انتقال و احتمالاً اندوکتانس بار،مشاهده شد که در فرکانس حدود 1600 هرتز ( هارمونیک سیزدهم‌ ) در خط تشدید ایجاد می شود.شکل موجهای ولتاژ ژنراتور نیروگاه و موتور سنکرون دارای مؤلفه های هارمونیکی قابل توجه بودند.

این فرایند محاسبات واندازه گیری توسط یک موج نمای ساده در آن سال انجام شد که شکل موج را به صورت نقطه به نقطه از طریق قطع و وصل مرتب یک زبانه ،نمونه گیری می کرد. امروزه با استفاده از هارمونیک سنجهای دیجیتال و با بکارگیری الگوریتم های سریع " تبدیل فوریه گسسته " می توان بصورت بدون وقفه اعوجاجات هارمونیکی را اندازه گیری کرد.

دو سال بعداز اولین مورد مشاهده مشکلات هارمونیکی ، شرکتهای وستینگهاوس و جنرال الکتریک، طرحهای جدیدی را برای ژنراتورها معرفی نمودند که در این طرح ها، از سیم پیچهای غیر متمرکز در آرمیچر استفاده کردند و به تبع آن شکل موج را بهبود بخشیده و به اصطلاح سینوسی تر کردند.

مشکل دیگر هارمونیکها در شکل موج ژنراتورها ، مربوط به جریان بسیار زیاد نول ژنراتورهایی بود که به صورت موازی نصب و مستقیماً زمین می شدند. امروزه این مساله کاملاً شناخته شده است و مربوط به هارمونیک سوم ولتاژ و صفر بودن توالی این هارمونیک در ماشینهایی می باشد که به صورت ستاره بسته شده اند.

مشکل دیگر ، " هماهنگی هارمونیکی " یا همان " ضریب تداخل تلفنی TIF " می باشد.

   فیلتر کردن هارمونیکها :

از اولین سالهائی که مشکلات اعوجاجات هارمونیکی شناخته شدند ،‌از خازن شانت shunt برای بهبود ضریب توان در سیستم های الکتریکی استفاده می شد.امروزه بسیاری از این خازنها به یک سلف سری مجهز و تبدیل به یک فیلتر هارمونیکی تک تنظیمه شده اند .

  هارمونیکها در شبکه قدرت :

اکثر اعوجاجات ایجاد شده در شکل موجهای ولتاژ و جریان شبکه قدرت ناشی از بارهایی هستند که دارای مشخصه غیر خطی بوده ویا درآنها از عناصر الکترونیک قدرت استفاده می شود. پیشرفت سریع نیمه هادیها انقلابی در کنترل فرآیندهای صنعتی و تبدیل انرژی بوجود آورده است .

از آن جهت که نیمه هادیها ی قدرت در هر نقطه از شکل موج ولتاژ به ناگهان روشن یا خاموش می شوند ، حالتهای گذرائی با فرکانس نوسان بالا ودامنه میرا شونده پدید می آورند . اگر در هر پریود عمل کلید زنی  در نقطه مشابهی انجام شود ،‌حالت گذرا شکلی متناوب به خود می گیرد .همچنین سیگنالهای غیر سینوسی را می توان با استفاده از بسط سری فوریه بصورت مجموعی از امواج سینوسی بیان نمود که به " هارمونیکهای شبکه قدرت " موسومند و فرکانس آنها مضربی صحیح از فرکانس قدرت می باشد. هنگامی که اثر سلفها و خازنهای شبکه نیز مد نظر قرار گیرد ، اهمیت اعوجاجات هارمونیکی دو چندان می شود . در حقیقت چون سیگنال اعوجاج یافته دارای مؤلفه هایی با فرکانس های متفاوت می باشد ، دریکی از این فرکانسها امکان ایجاد تشدید بین یکی از خازنها و سلف معادل شبکه وجود دارد که به تبع آن ، دامنه هارمونیک مربوط به فرکانس تشدید افزایش نیز می یابد.

منابع تولید هارمونیکها :

منابع تولید هارمونیکها به دو گروه « غیر وابسته»‌ و « وابسته » به عناصر نیمه هادی تقسیم می شوند . منابع غیر وابسته به عناصر نیمه هادی عبارتند از :

اعوجاجات مو جود در شکل موج ولتاژ ماشینهای الکتریکی که معمولاً ناشی از عدم توزیع یکنواخت سیم پیچ های این ماشینها و وجود شیارها می باشد .

یکنواخت نبودن رلوکتانس فاصله هوائی بین دو قطب در ماشین سنکرون .

  اعوجاج شار مغناطیسی ناشی از تغییرات نا گهانی بار در ماشین سنکرون .

توزیع غیر سینوسی شار مغناطیسی در فاصله هوائی ماشین سنکرون .

جریان مغناطیس کنندگی ترانسفور ماتورها .

‌وجود بارهای غیر خطی نظیر دستگاههای جوش کاری ،‌کوره های الکتریکی و غیره .

منابع وابسته به عناصر نیمه هادی عبارتند از :

تجهیزات کنترلی موتورها مانند کنترل کننده های سرعت برای سیستم های حمل ونقل برقی .

سیستم انتقال انرژی جریان مستقیم ( HVDC ) .

برقراری ارتباط بین دو نیروگاه بادی و خورشیدی و سیستم توزیع .

کنترل کننده های ولتاژ ساکن ( SVC ) که بطور گسترده به عنوان منبع توان راکتیو جایگزین کندانسورهای سنکرون شده اند.

وسایل نقلیه الکتریکی که با استفاده گسترده از آنها مقدار قابل توجهی انرژی برای شارژ کردن باطریها لازم می باشد.

مبدلهای فرکانسی که در ماشین هایی که سرعت کم وگشتاور بالا دارند کاربرد فراوان دارند.

عناصر حرارتی کوره های بزرگ که به روش PBM  کنترل می شوند .

آثار  هارمونیک ها :

برخی از آثار سوء هارمونیکها در شبکه قدرت که ناکنون گزارش شده اند به قرار زیر می باشند :

خرابی بانک خازنی بدلیل شکست عایقی یا افزایش بیش از حد توان راکتیو .

‌ تداخل با سیستم های کنترل اعوجاج و PLC  و در نتیجه عدم کارکرد صحیح این سیستم ها که وظیفه انجام اعمالی چون کلید زنی از راه دور ، کنترل بار واندازه گیری را بر عهده دارند.

تلفات اضافی و ایجاد حرارت زیاد در ماشینهای سنکرون و القائی .

اضافه ولتاژها و جریانهای اضافی در سیستم که ناشی از تشدید ولتاژها و جریانهای هارمونیکی در شبکه هستند .

شکست عایقی در کابل ها به خاطر اضافه ولتاژهای هارمونیکی در سیستم .

تداخل با سیستم های مخابراتی .

خطا در دستگاههای اندازه گیری الکتریکی که به روش القا کار می کنند.

عملکرد اشتباه رله ها ، بخصوص در سیستم های استاتیکی و میکرو پروسسوری .

تداخل در سیستم های کنترل موتوری بزرگ و سیستم های تحریک در نیروگاهها .

نوسانات مکانیکی در ماشینهای سنکرون و القائی .

عملکرد نا پایدار مدارهای آتش بخصوص مدارهائی که بر اساس تشخیص نقطه صفر ولتاژ عمل می کنند.

  منابع عمده تولید هارمونیک در شبکه قدرت ایران  :

در کشور ما صنایع عظیم و فعالی وجود دارند که دارای منابع بزرگ هارمونیکی هستند . در زیر به چند نمونه از آنها اشاره خواهیم کرد :

‌ مجتمع های فولاد و صنایع ذوب آهن نظیر نورد اهواز، ذوب آهن اصفهان و . . . از کوره های عظیم قوس الکتریکی استفاده می کنند که در کنار این کوره ها از SVC   برای تامین توان راکتیو مورد نیاز جهت بهبود ضریب توان آنها استفاده می شود . در قسمتهای دیگر این مراکز صنعتی انواع و اقسام موتورهای AC   و DC در حال کار می باشند و در کنارآنها نیز کنترل کننده های مربوطه در حال انجام وظیفه خود و در نتیجه تزریق هارمونیک در شبکه می باشند.

مجتمع های پتروشیمی و صنایع شیمیائی نظیر پتروشیمی اصفهان ، امام و اراک جهت انجام بسیاری از فرآیندهای شیمیائی به برق DC  نیازمند می باشند که برای تامین این برق از یکسو سازهای پر قدرتی استفاده می شود که سهم قابل توجهی را در تولید هارمونیکهای شبکه خواهند داشت .

سیستمهای انتقال ولتاژ بالای DC دارای دو ایستگاه مبدل در ابتدا و انتهای خط DC می باشند که یکی در حالت یکسوکنندگی و دیگری در وضعیت اینورتری کار می کنند . ایستگاههای مبدل فوق حاوی پل های سه فاز تریستوری می باشند و می دانیم که این پل ها در ردیف مهمترین تولید کنندگان هارمونیک می باشند. لازم به توضیح است فعلاً به دلیل عدم وجود سیستم HVDC در شبکه سراسری ایران ، این شبکه از این هارمونیکها مصون می باشد . مع الوصف چنانچه مساله اتصال برق شبکه های کشورهای همسایه مطرح شود بی شک باید هارمونیکهای تولید شده مورد توجه و بررسی قرار گیرند .

سیستم حمل و نقل برقی شهری " مترو" ، جهت تغذیه و کنترل سرعت و گشتاور موتورهای الکتریکی متصل به لوکوموتیوها از محرکه هائی استفاده می کند که به نوبه خود در نقش منبع هارمونیک ، باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج ولتاژ و جریان سیستمی می شود که شبکه مترو را تغذیه می کند . با توجه به اینکه در آینده نزدیک مترو در کلان شهرهایی نظیر اصفهان ، تبریز ، مشهد و غیره علاوه بر تهران شروع به کار خواهد کرد ، چنانچه بررسی های هارمونیکی به درستی انجام نگیرد ، ممکن است باعث بروز مشکلات زیادی در شبکه برق شهرهای مربوط و نیز شبکه سراسری شود .

پیشرفت روز افزون عناصر نیمه هادی و کاربرد آنها در تجهیزات ادارات و بمارستانها و حتی منازل باعث ایجاد مشکلاتی در خود این مراکز یا مصرف کنندگان دیگر شبکه خواهد شد. لامپهای تخلیه ای ( مثل بخار جیوه ، بخار سدیم و فلور سنت )  مورد استفاده در این مراکز ، خود نیز باعث بروز هارمونیکها می باشند .

فصل اول

شناخت ترانسفورماتور

1-1 مقدمه :

قبل از اینکه به موضوعات اصلی نوشته حاضر که بررسی اثرات هارمونیک ها در ترانسفورماتورهای قدرت می باشد بپردازیم در این فصل مروری بسیار مختصر بر روی تئوری ترانس و مفاهیم و همچنین شناسائی قسمتهای مختلف ان خواهیم داشت .

ترانسفورماتورهایی که در صنعت به کار می روند اکثرا سه فاز بوده و بر اساس قدرت و ولتاژ و دیگر مشخصات تقسیم بندی می شوند برای انتقال ولتاژ به صورت اقتصادی و کاهش تلفات در طول مسیر انتقال ولتاژ را به وسیله ترانسفورماتورها افزایش داده و در مراکز مصرف با تقلیل دادن ولتاژ بصورت مرحله ای در چند مرحله ( در ایران از 400 به 230 به 132 به 63 و به 20کیلو ولت ) امکان استفاده از نیروی برق را حاصل خواهند نمود که در این راستا برای داشتن ولتاژ شهری در مراکز توزیع با استفاده از ترانسفورماتور کاهنده در قدرتهای پائین ولتاژ را به حدود V400 می رسانند

علاوه بر ترانسفورماتورهای قدرت و توزیع انواع دیگری از ترانسفورماتور نیز وجود دارد که از جمله انها می توان ترانسهای ولتاژ – جریان و ترانسهای مخصوص کوره های القائی را نام برد که از بحث این جزوه خارج می باشد و سعی برآن است که بیشتر روی ترانسفورماتورهای تا قدرت KVA 1600 و ولتاژ KV 33 بحث شود .

2-1 تعریف ترانسفورماتور

ترانسفورماتور یک وسیله الکترومغناطیسی ساکنی است که توسط القاء الکترومغناطیسی بین دو یا چند سیم پیچ انرژی الکتریکی را در یک سیستم  جریان متناوب از یک مداری به مدار دیگر با حفظ اندازه فرکانس انتقال می دهد و می تواند ولتاژ کم را به به زیاد و یا بلعکس تبدیل نماید .

3-1 اصول اولیه

همانطور که در تعریف ترانسفورماتور بیان شد اساس کاربر القاء متقابل بین دوبوبین بنا نهاده شده است این دوبوبین از لحاظ الکتریکی جدا از هم ولی از لحاظ مغناطیسی به هم مرتبط هستند .

4-1 القاء متقابل

بطوری که می دانیم تغییرات حوزه مغناطیسی در اطراف سیم پیچ ها موجب پیدایش یک نیروی محرکه القائی می گردد . ظهور این پدیده با عبور جریان متناوب از سیم پیچ ها همیشه همراه است زیرا تغییرات جریان ، همواره باعث تغییر سیل مغناطیسی در بوبین ها می شود .

حال اگر دوبوبین A و B را که به ترتیب دارای اندوکتانس L1 و L2 هستند در مجاورت یکدیگر قرار دهیم قسمتی از سیل مغناطیسی که بر اثر عبور جریان       iدرهسته بوبین A تولید می شود از داخل بوبین B نیز می گذارد و در سیم های آن هم نیروی محرکه القایی e1 بوجود می آید بلعکس عبور هر جریان متناوبی از بوبین B موجب پیدایش نیروی محرکه القائی در بوبین A می شود این پدیده را القاء متقابل می گویند . 

هر قدر ارتباط مغناطیسی بین دوبوبین کاملتر باشد اثر این پدیده شدیدتر است بطوریکه اگر تمام سیل مغناطیسی هسته بوبین A از هسته B بگذرد در هر حلقه از آنها نیروی محرکه مساوی القاء می شود .

شکل 1-1 نمایش خطوط شار

اگر فرض کنیم از سیل القائی که با نمایش می دهیم از هسته بوبین B بگذرد که تعداد حلقه های آن N2 باشد القاء کننده در این بوبین  خواهد بود و نیروی محرکه القائی در بوبین B از این لحاظ رابطه به دست می آید .

5-1 اصول کار ترانسفورماتور

اساس کار ترانسفورماتور عبارت است از دو سیم پیچ که در اثر عبور جریان از هر کدام روی یکدیگر القاء متقابل داشته و برای کوپلاژ کامل و هدایت سیل مغناطیسی دو سیم پیچ روی هسته ای از آهن با ضریب نفوذ مغناطیسی حتی الامکان زیاد پیچیده می شود .

اگر یک سیم پیچ با N دور داشته باشیم که در میدان مغناطیسی با فوران متغیر قرار داشته باشد ولتاژ القائی در آن سیم پیچ برابر خواهد بود با

بنابراین ولتاژ موثر برابر مقدار زیر است .  E=4.44NF AFeBm

Bm دامنه چگالی فوران مغناطیسی سینوسی و AFe سطح مقطع خالص هسته ای که این فوران را عبور می دهد می باشد با توجه به رابطه فوق نسبت ولتاژهای القائی در شکل (2-1) با صرفنظر از تمام تلفات بدست خواهد آمد  k را نسبت تبدیل ترانسفورماتور گویند .

اگر K>1 باشدترانسفورماتورافزاینده واگرk<1 باشدآنرا کاهنده گویند . همینطور با صرفنظر از تلفات و با توجه به برابری آمپر دوردر اولیه و ثانویه خواهیم داشت.

فلوی مغناطیسی در هسته تابعی غیر خطی از میزان جریان سیم پیچی روی آن می باشد رابطه فوران و نیروی محرکه مغناطیسی در منحنی شکل (3-1) نمایش داده شده است منحنی اشباع آهن (C-3-1) نشان می دهد . در فورانهای بالا آهن اشباع شده جریان مغناطیس کننده بشدت زیاد می شود علاوه بر آن طی یک سیکل کامل ولتاژ بافوران سینوسی بواسطه خاصیت پس ماند مغناطیسی آهن ، اندوکسیون بر حسب آمپر دور بجای یک خط مستقیم گذرا از مبدا یک حلقه بسته را تشکیل می دهد که موجب تلفاتی به اندازه سطح داخل حلقه یعنی  در واحد حجم طی هر سیکل است در شکل (3-1) سطح داخلی هسته با ازدیاد فرکانس بزرگتر می شود و این به واسطه اضافه شدن تلفات جریان گردابی آهن بر تلفات هیسترزیس است منحنی DC را در این منحنی ها حلقه هیسترزیس می نامند .

شکل (3-1) رابطه فوران و نیروی محرکه مغناطیسی

(b) – برای اندوکسیون کم

( (a برای اندوکسیون زیاد

منحنی DC همان حلقه هیسترزیس

(c) – نمونه ای از منحنی اشباع شده

6-1 مشخصات اسمی ترانسفورماتور

منظور از مشخصات اسمی ترانسفورماتور مقادیری است نظیر قدرت ولتاژ جریان – فرکانس و غیره که روی صفحه مشخصات ( پلاک مشخصات ) نوشته شده آن به این معنی است که ترانسفورماتور در حالت کار عادی باید با آن مقادیر کار کند و طبق مقررات بین المللی یک ترانسفورماتور باید بتواند 8765 ساعت در سال با مشخصات اسمی بدون هیچگونه اشکالی کار کند همیشه مقادیر اسمی با اندیس n” نمایش می دهند مثلا uin .

1-6-1 قدرت اسمی

قدرتی است که می تواند از قسمت ثانویه ترانسفورماتور گرفت و معمولا مقدار آن بر حسب KVA روی صفحه مشخصات نوشته شده است ( قدرت ظاهری PS)

2-6-1 ولتاژ اسمی اولیه

اختلاف سطح مجازی است که  اولیه ترانسفورماتور باید با آن تغذیه شود Uin ولتاژ اسمی ثانویه ولتاژی است که می توان از ثانویه ترانسفورماتور بدون بار بوده و به اولیه ولتاژ اسمی داده شده باشد . U2n به بیان دیگر ولتاژ اسمی عبارت است از ولتاژی که عملا کلیه عایقها و سیستم  های عایق را بر اساس آن طراحی می کنند و ولتاژی است که در حالت بهره برداری عادی به ترانسفورماتور اعمال می شود .  ولتاژهای استانداردی که در شبکه توزیع متوسط در ایران مورد استفاده قرار می گیرد در رنجهای 11 و 20 و 33 کیلو ولت می باشد  . که بسته به موقعیت نصب ترانس در هر یک از شبکه ها از ولتاژ اسمی مناسب طراحی می شود .

3-6-1 جریان اسمی

جریان اسمی اولیه یا ثانویه جریانی است  که روی پلاک مشخصات تعیین شده و یا می توان با قدرت ظاهری و ولتاژ اسمی محاسبه نمود از آنجا که نسبتا ضریب بهره ترانسفورماتور زیاد است قدرت اسمی اولیه و ثانویه را می توان یکی گرفت .

4-6-1 فرکانس اسمی

فرکانسی که ترانسفورماتور برای کار با آن طراحی شده است فرکانس اسمی گویند .

5-6-1 نسبت تبدیل اسمی

نسبت ولتاژ اسمی یک سیم پیچ به ولتاژ اسمی سیم پیچ دیگر را ولتاژ آن کمتر و یا برابر ولتاژ اسمی باشد نسبت تبدیل اسمی گویند .

k نسبت تبدیل                                                                                    

7-1 تعیین تلفات در ترانسفورماتور ها

تلفات ترانسفورماتور ها از دو جزء اصلی یکی تلفات آهن و دیگری تلفات سیم پیچی تشکیل شده است .

1-7-1 تلفات آهنی

تلفات آهنی ترانسفورماتور مجموعه ای انرژی الکتریکی که در هسته آهنی آن تلف می شود و شامل تلفات فوکوو هیسترزیس می باشد اینگونه تلفات به فرکانس و اندوکسیون ایجاد شده در مدار مغناطیسی ترانسفورماتور بستگی دارد .

2-7-1 تلفات فوکو در هسته

همانطور که می دانیم هر گاه یک قطعه فلز در میدان مغناطیسی حرکت کند و یا در یک میدان مغناطیسی متغیر قرار گیرد در آن نیروی محرکه القاءمی شود که برابر است با   : 

اگر از سیم پیچی که به دور هسته فلزی پیچیده شده جریان متغیری عبور نماید از هسته فلوی مغناطیسی متغیر عبور خواهد کرد علاوه بر آن در داخل هسته که خود هادی می باشد نیروی محرکه الکتریکی القاء می شود این نیروی محرکه باعث ایجاد جریانهایی در داخل هسته می شود این جریان را جریان فلووکویلا سرگردان گویند مطابق قانون لنز میدان حاصل از جریان فوکو با میدان مغناطیسی به وجود آورنده اش مخالفت می کند جریان فوکودر میدانهای مغناطیسی جریان مزاحم می باشدمزاحمت بدو علت است اول آنکه در اثر عبور این جریان از آهن در اثر مقاومت الکتریکی آن حرارت ایجاد می شود و حرارت ایجاد شده باعث گرم شدن آهن و بالا رفتن تلفات می گردد دوم اینکه فلوی حاصله از جریان مذکور در خلاف جهت فلوی اصلی است . در نتیجه باعث می شود که فلوی اصلی در وسط سطح مقطع اهن تضعیف شده ودرکناره ان تقویت گردد.یعنی خطوط میدان مغناطیسی به محیط سطح مقطعه فلز رانده می شوند و توزیع فلو در مقطع هسته غیر یکنواخت می گردد . سطح مقطع بطور کامل مورد استفاده قرار نمی گیرد .

تلفات حاصل از جریان مذکور را با PE نمایش می دهند و در یک هسته مقدار آن از رابطه زیر محاسبه می شود .                               

w – قطر صفحه                                             

Db – تغییرات اندوکسیون

Dt- تغییرات زمان

همانگونه که ملاحظه می کنیم تلفات فوکو با مجذور قطر ورق فولادی تناسب دارد و هر چه ورق ضخیم تر گردد تلفات فوکو به نسبت مجذور ازدیاد ضخامت افزایش خواهد یافت بنابراین بمنظور جلوگیری از عبور جریان فوکو و کاستن مقدار آن هسته های آهنی را به صورت ورقه ورقه ساخته قطر هر ورق را تا حد امکان کوچک می نمایند و ورقه ها را از هم عایق می کننددر نتیجه جریان فوکو در هر ورق محدود شده تلفات ناشی از آن به حداقل می رسد . اثر آن درتغییر شکل فوران هسته نیز مینیمم می شود .

3-7-1 تلفات هیسترزیس

پدیده هیستر زیس یکی از خواص غیر خطی مواد فرومغناطیس می باشد برای درک مطلب از سیم پیچ که دارای هسته فرومغناطیسی است آزمایش زیر را انجام می دهیم .

در ابتدا هسته مزبور کاملا غیر مغناطیسی است در سیم پیچ جریان الکتریکی برقرار می نمائیم و سپس مقدار آن را به تدریج افزایش می دهیم شدت میدان مغناطیسی افزایش یافته فلومغناطیسی افزاینده ای در هسته آهنی ایجاد می شود در ابتدا تغییرات دانسیته فوران ( B) نسبت به تغییرات شدت میدان مغناطیسی ( H) تقریبا خطی می باشد ولی با افزایش i و در نتیجه افزایش H و B کم کم به مقدار ثابتی می رسد و از این پس ازدیاد ( H) در مقدار ( B) تاثیری ندارد ( اشباع مغناطیسی هسته ) حال اگر شروع به کم کردن جریان بنمائیم و آن را به صفر برسانیم در i=o یعنی در HO مقدار B مساوی صفر نبوده مساوی Br خواهد بود Br را پسماند مغناطیسی می نامند .

شکل (4-1) منحنیهای هیسترزیس

الف) مشخصه B-H یک قطعه آهن که قبلا آهنربانبوده است .

ب) حلقه هیسترزیس

اکنون جریان را در سیم پیچ عکس می کنیم و شروع به ازدیاد آن می نماییم می بینیم که پس از رسیدن جریان به مقدار معینی H=HC پسماند مغناطیسی خنثی شده B=0 خواهد گردید حال اگر در همین جهت جریان را افزایش دهیم تا B به ماکزیمم خود برسد و هسته اشباع شود و سپس جریان را دوباره تقلیل دهیم تا به صفر برسد و باز جهت جریان را مثل حالت اول نموده آنرا بیفزایم تا به اشباع برسد حلقه بسته ای تشکیل می شود که به منحنی هیسترزیس معروف است منحنی هیستر زیس نسبت به مبدا مختصات متقارن است . از مطالعه منحنی هیسترزیس در می یابیم که قدری از انرژی وارد شده به میدان مغناطیسی نوسط سیم پیچ بصورت پسماند در داخل هسته آهنی باقی می ماند .

4-7-1 مقدار تلفات هیسترزیس

استین متز (STEIN METS) سطح سیکل هیسترزیس را بصورت تجربی به وسیله رابطه زیر نشان داد .

اگر حجم آهن V و فرکانس برق F باشد . مقدار تلفات هیستر زیس در ثانیه بصورت مقابل خواهد بود .  در این رابطه Bmax اندوکسیون ماکزیمم می باشد .

KH و n بستگی به خواص هسته دارند . توان n برای مواد مغناطیسی معمولا بین 5/1 تا 2 می باشد ( 1/5

علت ایجاد تلفات هیستر زیس تغییر وضعیتهای پی در پی ذرات هسته و ایجاد اصطکاک در شبکه کریستالی جسم و در نتیجه ایجاد تلفات حرارتی می باشد که در نتیجه باعث تلف شدن مقداری انرژی می گردد که همان تلفات هیسترزیس راتشکیل می دهد .

همانطور که بیان گردید تلفات آهنی ترانسفورماتور مجموع تلفات هیستر زیس و فوکومی باشد که تابعی از بار نبوده و لذا در طول 24 ساعت شبانه روز مقدار ثابتی است .

                   PFe=PF+PH          PFe=KnF Bmax+KF F2 Bm 2

Kn و KF ضرایب مربوط به مشخصات ورقه ها می باشد .

5-7-1 تلفات مس

قدرتی که در حالت بی باری ، ترانسفورماتور از شبکه تغذیه می گیرد صرف تلفات داخلی ترانسفورماتور می گردد که تلفات مس  ترانس نامیده می شود این تلفات شامل سه قسمت است . تلفات مسی سیم پیچ اولیه:

PCU=R10 I02

از تلفات مسی سیم پیچ اولیه در حالت بی باری می توان صرفنظر نمود . زیرا حتی ترانسفورماتور های کم قدرت که جریان بی باری و مقاومت R آنها نسبتا زیاد تر است این تلفات معمولا از 2-3 درصد مجموع تلفات بی باری تجاوز نمی کند بنابراین می توان فرض نمود که قدرت اخذ شده در حالت بی باری فقط صرف تلفات آهنی هسته می شود.

تلفات سیم پیچ متناسب با بار ترانسفورماتور می باشد . و در بار نامی تقریبا برابر  (2-1%) است تلفات کل در ترانسفورماتور مجموع تلفات آهنی و مسی سیم P= PCU+PFE   

تلفات کل در بار بخصوص      a = توان کشیده شده تقسیم بر توان نامی ترانسفورماتور

8-1 ساختمان ترانسفورماتور

قسمت های اساسی ترانسفورماتور را می توان بشرح زیر بیان نمود :

1-مدار مغناطیسی (هسته )

2- مدا رالکتریکی ( سیم پیچها ) ( تپ چنجر )

3- مخزن روغن ( تانک اصلی – مخزن انبساط )

4- مواد عایق ( بوشینگها – کاغذهای عایق روغن )

5- وسایل حفاظتی نصب شده روی ترانس

1-8-1 مدار مغناطیسی ( هسته )

مدار مغناطیسی ترانسفورماتور در حقیقت مداری است که کمک می نماید تا فورانهای مغناطیسی بتوانند براحتی از دو سیم پیچ عبور کنند بمنظور کاهش تلفات فوکو هیستر زیس را از ورقه های فولادی نورد شده به ضخامت 3/0 تا 5/0 میلیمتر که با پوشش نازکی از کاغذ و یا از لعاب یک قشر اکسید روی از یکدیگر عایق گردیده اند می سازند عرض این ورقه ها مختلف بود . بطوری که هسته ساخته شده دارای سطح مقطع تقریبا دایره ای شکل است .

2-8-1 مدار الکتریکی ( سیم پیچها )

به مجموعه حلقه هایی که تشکیل یک مدار الکتریکی داده و مربوط به یکی از ولتاژهای معین ترانسفورماتور می باشد سیم پیچ گویند سیم پیچ ها یکی از اجزاء اصلی ترانسفورماتور بوده که بر روی مدار مغناطیسی قرار گرفته اند و از نظر الکتریکی توسط عایقهایی مانند کاغذ عایق میکا و غیره از یکدیگر و هسته مغناطیسی جدا گردیده اند و از لحاظ مغناطیسی به وسیله هسته به هم مرتبط می باشند . به سیم پیچ هایی است که شرایط کار توان ظاهری از شبکه تغذیه می گیرند . سیم پیچ اولیه یا ورودی و به سیم پیچ هایی که توان ظاهری به مدار بار می دهند ثانویه یا خروجی گویند . 

Abstract :

 In This Paper , The First Interlock Of The Transformer Core Magnetism  Crump and Harmonic Instability Due It , Proceed  Study .

And Then Peruse Effects Voltage and Current   Harmonics On The Power System By Different Methods. In The Next Section , Utilize  Star And Delta Connection Windings Power Transformer For Peruse Harmonics Delete Quality . Finally  For  Deleted  Harmonics , Study The Compensator Static And  Leches.

Keywords : Instability  Harmonic , Crump Magnetism ,  Leaches , Power System , Voltage And Current Harmonic , Compensato  Static