تحقیق مقاله ترانس های سه فاز

ساختمان و تاریخچه

اولین ترانسفورماتور، در سال 18885 طبق اختراع به ثبت رسیده "سی پرنوسکی و دری- بلاتلی" در کارخانه گانس و کو ساخته شد. اسم ترانسفورماتور نیز اولین بار توسط همین مخترعین به آن داده شد. تقریباً 5 سال بعد با بوجود آمدن جریان متناوب سه فاز، ترانسفورماتور سه فاز توسط "دولیوو- دوبروولسکی" اختراع شد که از سه ترانس یکفاز تشکیل شده بود. در حدود یک سال بعد ترانسفورماتور سه ستونی که ستون های آن دریک سطح قرار داشت، طرح ریزی و توسط کارخانه آ. ا. گ ساخته شد. در شکل های این فصل سیر تکاملی ساختمان هسته ترانس های سه فاز نشان داده شده است.

شکل (7-1)، هسته ترانس سه فازی را که از سه ترانس تکفاز مستقل ساخته شده نشان می دهد. اکنون نیز ترانس های بسیار بزرگ سه فاز را بصورت 3 ترانس تکفاز می سازند، زیرا حمل و نقل زمینی یک ترانس بزرگ با محدودیت های جاده ای همراه است. در شکل (7-2)، سه ترانس تکفاز در کنار هم بصورت متقارن چیده  شده اند. از سیم پیچی های آنها جریان های سه فاز متقارن عبور می کند. در نتیجه، در هسته ها نیز فوران هایی متناسب با جریان های مربوطه عبور می کند. در شکل(7-3)، ستون های وسط بهم متصل شده و هسته سه فاز بصورت یکپارچه ساخته شده است.

تا این محل فوران های سه فاز دارای مسیرهای مجزا بوده و از یکدیگر مستقل هستند. این ترانس ها را با عنوان ترانس های با فوران های آزاد یا مستقل می نامند. همانگونه که جمع جریان های سه فاز متقارن صفر است، مجموع فوران های سه فاز متقارن صفر است، مجموع  فوران های سه فاز متقارن نیز صفر است، بنابراین، از ستون وسط فورانی عبور نمی کند.

به این ترتیب، می توان ستون وسط را حذف نمود و صرفه جویی قابل ملاحظه ای دروزن آهن مصرفی بوجود آورد. شکل (7-4) چنین طرحی را نشان می دهد. در این طرح تقارن مسیر مغناطیسی و القاء متقابل کاملاً حفظ شده است. ضمناً فوران های سه فاز، دیگر مستقل از یکدیگر نیستند. بلکه طبق رابطه (2-7) به یکدیگر وابسته می باشند. در شکل (7-5) هسته سه فاز مسطح نشان داده شده است. این طرح که به هسته ستونی یا سه ستونی مشهور است، امروزه نیز به طور گسترده ای در ترانس های سه فاز بکار گرفته می شود. در این طرح، دیگر مدار مغناطیسی سه فاز متقارن نیست، بلکه رلوکتانس شاخه وسط از دو ستون کناری کوچکتر است. بنابراین، یک تفاوت قابل ملاحظه ای بین جریان های بی باری سه فاز بوجود می آید، بطوریکه جریان بی باری شاخه وسط در حدود 30 تا 40% از جریان 2 فاز کناری کمتر است(در اتصال ستاره). در عمل با افزایش سطح مقطع یوغ هسته، اختلاف جریان های بی باری را کاهش می دهند. علاوه براین، چون جریان های بی باری از چند درصد جریان نامی ترانس تجاوز نمی کنند، نامتعادلی آنها در زمان بارگیری از ترانس چندان مشهود نیست. در طرح ترانس های سه فازف هسته نوع زرهی نیز ساخته می شود. در شکل (7-6) طرح ساده ای از آن نشان داده شده است. در ترانس های با قدرت زیاد، بعضی سازندگان از هسته های 5 ستونی همانند شکل (7-7) استفاده می کنند. در این هسته، ستون های اضافی طرفین، دارای سطح مقطع کوچکتری نسبت به ستون های اصلی می باشند. این دو ستون اضافی، سبب می شوند که فوران های سه ستون اولاً از نظر مقدار به هم نزدیکتر باشند، ثانیاً حالت مدار های مغناطیسی با فوران مستقل را پیدا کنند. در هسته زرهی نیز فوران های سه فاز از هم مستقل هستند، بنابراین در این 2 طرح، نامتعادلی جریان های بی باری سه فاز مرتفع می گردد.

7-2- مقایسه ترانس سه فاز سه ستونی با 3 ترانس تکفاز

الف- مزایای ترانس سه فاز سه ستونی :

مواد مصرفی در هسته، سیم پیچی ها و عایقکاری آن کمتر است.

وزن و حجم کمتری دارد.

قیمت آن ارزان تر است.

راندمان آن بهتر است.

ب- معایب :

1- نامساوی بودن جریان بی باری در هسته سه فاز سه ستونی.

2- اگر اشکالی در یکی از فازها بروز کند، باید کل ترانس سه فاز را از مدار خارج نمود و برای تعمیرات ارسال کرد، در حالی که در سه ترانس تکفاز، فقط کافی است که یک ترانس یدکی پیش بینی شده باشد تا آن را جایگزین ترانس معیوب نمایند. بدین ترتیب، در طول مدت تعمیرات، شبکه خاموشی نخواهد داشت. همچنین می توان دو ترانس سالم را بصورت اتصال مثلث باز درآورد و با ظرفیت 7/57 درصد از سیستم سه فاز بهره برداری نمود.

7-3- اتصال سیم پیچ های سه فاز

در سیستم سه فاز، هر یک از سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانس ممکن است بصورت ستاره، مثلث و یا زیگزاگ بسته شوند. مثلاً ممکن است سیم پیچ های ترانس بصورت ستاره ستاره، مثلث مثلث و یا ستاره مثلث و غیره بسته شده باشند. برای اینکه بدانیم چه اتصالی در کجا مناسب است، ابتدا به شرح خواص اتصالی های مخلتف می پردازیم.

الف- اتصال ستاره

7-4- اتصالات ترانس های سه فاز

7-4-1- اتصال ستاره- ستاره

موارد کاربرد : 1- در ترانس های کوچک 2- در ترانس های فشار قوی و برای کوپلاژ دو شبکه

این اتصال در ترانس های فشار قوی اقتصادی ترین است. زیرا تعداد دور برای هر فاز و مقدار عایق بکار رفته حداقل است. عملکرد این ترانس فقط در بار متعادل رضایت بخش است. این ترانس را در دو حالت مطالعه می کنیم.

الف- اتصال ستاره- ستاره با سیم صفر : همانطور که در شکل (7-11) مشاهده می گردد، سیم صفر اولیه به صفر منبع متصل است. اگر از افت ولتاژ در خطوط رابط صرف نظر شود، ولتاژ فازهای طرف اول ترانس با ولتاژ منبع مساوی خواهد بود.

در این حالت، مجموع جریان های سه فاز در هر لحظه صفر خواهد بود.

در صورتیکه بار سه فاز متعادل باشد، ولتاژ فازها نیز متعادل باقی خواهند ماند. اما اگر بار سه فاز نامتعادل باشد، نقطه صفر تغییر محل داده و برحسب تغییرات بار حالت شناور بخود می گیرد. اصطلاحاً گفته می شود نقطه صفر برق دار شده است.

معایب این اتصال

نقطه صفر آن جابجا می شود.

چون جریان بی باری در این اتصال هارمونی سوم ندارد، پس فوران آن غیرسینوسی است و دارای هارمونی سوم است که گاهی مقدار آن به 15 تا 20% می رسد. از آنجا که فوران های هارمونی سوم در هسته، هم جهت هستند یکدیگر را خنثی نمی کنند و از طریق هسته و بدنه تانک مسیر خود را می بندند و جریان های گردابی زیادی ایجاد می کنند که باعث داغ شدن ترانس و کاهش راندمان آن می شود.

نتیجه اینکه، این اتصال دربارهای متعادل عملکرد رضایت بخشی دارد. ولی در صورت نامتعادل بودن بار، مشکلاتی پدید می آورد. برای جلوگیری از تغییر مکان نقطه صفر، می توان نقطه صفر اولیه ترانس را به نقطه صفر مولد وصل نمود. در این اتصال، ولتاژهای خطی همواره متعادل باقی خواهند ماند و نامتعادلی بار، تاثیری در آنها ندارد.

7-4-2- اتصال مثلث مثلث

این اتصال در ترانس هایی که قدرت زیاد داشته ولی ولتاژ آنها کم است و از نظر عایقکاری مشکلی ندارند، کاربرد دارد. همچنین در مواردی که مصرف کننده ها سه فاز متقارن بوده و به سیم صفر نیاز ندارند، (نظیر موتورهای سه فاز) بکار می رود. در شکل (7-14) یک اتصال مثلث مثلث نشان داده شده است. در این اتصال ولتاژها و جریان های خطی اولیه و ثانویه همفازند. همچنین ولتاژهای خط و فاز با هم برابر بوده و جریان های خطی نسبت به جریان فاز 30 تاخیر فاز دارند.

برای این ترانس می توان بطور اختصار موارد زیر را برشمرد :

مزایا

در این اتصال هارمونی سوم ولتاژها حذف می شود.

ولتاژ ثانویه همواره سینوسی باقی می ماند.

بارنامتقارن مشکلی برای آن ایجاد نمی کند.

اگر یک فاز آن معیوب شود, در شرایط خاصی می توان از آن بصورت مثلث باز استفاده نمود.

7 – 4 – 3 اتصال – مثلث

این اتصال در پست های فرعی انتهای خط انتقال بکار می رود و توسط آن ولتاژ قوی به ولتاژ متوسط یا کم تبدیل می گردد تا به ترانس توزیع متصل شود. همچنین در مواردی که مصرف کننده ها سه فاز متقارن باشد کاربرد دارد و نقطه صفر ستاره آن زمین می گردد :

مزایای اتصال فوق این است که چون هارمونی سوم جریان در مثلث بسته می تواند جریان یابد, لذا فوران آن سینوسی بوده و ولتاژهای ثانویه سینوسی می باشند( یعنی دارای هارمونی سوم ولتاژ نمی باشد)

کاربرد :                1- پستهای فرعی انتهای خط انرژی

                        2- تبدیل فشار قوی به ولتاژ کم

                        3- در مواردی که همه مصرف کننده ها سه فاز هستند.

7 – 4 – 4 اتصال مثلث ستاره

این اتصال معمولا به عنوان ترانس افزاینده ولتاژ در نیروگاه بکار می رود و همینطور در سیستم توزیعی( چهارسیمه) بکار می رود که همزمان می تواند هم مصرف کننده های سه فاز را تغذیه نماید و هم بصورت تکفاز در مصارف خانگی و روشنایی استفاده شود.

در این اتصال هیچگونه نگرانی از شناوربودن صفر و اعوجان ولتاژ وجود ندارد, زیرا اتصال مثلث مسیری برای جریانهای هارمونی سوم ایجاد می کند.

ه) اتصال ستاره ستاره با سیم پیچ تعدیل( ثالثیه) : گفتیم که اتصال ستاره ستاره دارای معایبی است که سبب می شود از آن در فشار قوی کمتر استفاده شود. در صورت نیاز به آن معمولا یک سیم پیچ مثلث بسته در آن تعبیه می گردد. اغلب از این سیم پیچ, هیچ قدرتی گرفته نمی شود. بلکه این سیم پیچ همانند اتصال سبب از بین رفتن هارمونی سوم فوران و نیروی محرکه خواهد شد.

7 – 6 اتصال ستاره زیگزاگ

این اتصال در توزیع و پخش انرژی بصورت چهار سیمه, در طرف فشار ضعیف که همواره نامتعادلی بار مطرح است بکار می رود. چون اتصال ستاره قبلا مورد بحث قرار گرفته, اینک فقط به سمت زیگزاگ می پردازیم.

اتصال زیگزاگ : برای ایجاد یک اتصال زیگزاگ در سمت فشار ضعیف, سیم پیچ مورد نظر را به دو قسمت مساوی تقسیم کرده و انتهای نیمه فاز اول را به نیمه دوم در جهت معکوس متصل می کنیم و اینکار را برای سایر فازها تکرار می نماییم.

مزایای اتصال زیگزاگ :

نا متعادلی بار را شدیدا کاهش می دهد و براحتی می توان از آن بار یک فاز و بار نامتعادل گرفت.

مانند حالت مثلث هارمونی سوم ولتاژ را حذف می کند.

معایب آن : وزن مس آن بیشتر و اتصالات مشکل تر است, پس گران تر خواهد بود.

7 – 7 اتصال مثلث باز یا

اگر در اتصال مثلث مثلث یکی از سیم پیچها هم از طرف اولیه و هم از طرف ثانویه برداشته شود, اتصال مثلث باز یا حاصل می شود و یا می توان دو ترانس تکفاز را همانند شکل زیر به اتصال تبدیل نمود.

علل استفاده از مثلث باز : در حالتهای زیر ممکن است از ترانس مثلث باز استفاده کرد.

بار سه فازکمتر از حدی باشد که نصب ترانس سه فاز کامل, اقتصادی باشد.

یکی از ترانسها( یا سیم پیچ ها) در اتصال معیوب شود. بنابراین تا تعمیر ترانس معیوب, می توان با ظرفیت کاهش یافته از ترانس بصورت بار گرفت.

افزایش با را در آینده پیش بینی نمود و فعلا با حالت مثلث باز, مصرف کننده را تغذیه کرد.

نکته مهم در این اتصال این است که بار کل گرفته شده از ترانس به اندازه 3/2 ظرفیت اتصال نیست, بلکه فقط 7/57% آن می باشد. یعنی در حالت مثلث باز, ظرفیت مجموعه نسبت به قدرت نامی دو سیم پیچش 15% کاهش می یابد. ای مطلب را در بحث زیر اثبات می کنیم :

یکی از شروط موازی کردن ترانسهای سه فاز علاوه بر برابری ولتاژها و فرکانسها, یکسان بودن گروه برداری آنهاست. در ترانسهای تکفاز کافی است که پلاریته قطبها یکسان باشد, اما در ترانسهای سه فاز, وقتی 2 فاز هم نام را می خواهیم به یک شین وصل کنیم, تنها برابر بودن دامنه ولتاژها کافی نیست, بلکه باید زاویه آن دو ولتاژ نیز یکسان باشند. به بیان دیگر باید ولتاژها بصورت برداری با هم برابر باشند. بنابراین نشان دادن طرز اتصال سیم پیچ های ترانس سه فاز کافی نیست, بلکه باید اختلاف فاز بین ولتاژهای خطی طرف اول و دوم در ترانسهای سه فاز مشخص گردد که این اختلاف فاز بوسیه گروه برداری تعیین می شود.

فصل هشتم

تجهیزات اندازه گیری و حفاظت

برای مراقبت مداوم از کار ترانس, نیاز به تجهیزاتی جهت اندازه گیری دمای روغن و سیم پیچ ها, سطح روغن و نظارت بر عملکرد صحیح سیستم خنک کننده می باشد. نشاندهنده ها, وسایل اندازه گیری و سایر تجهیزات حفاظتی باید بگونه ای روی ترانس نصب شوند که اتعاشات دستگاه به آنها منتقل نشود. کنتاکت های لوازم فوق باید نسب به زمین عایق شده و از نوع حرکت سریع یا نوع جیوه ای باشند. کنتاکتهای هشداردهنده و کنترل باید در شرایط عادی باز بوده( بجز کنتاکتهای فشار ناگهانی) و نیز مناسب ولتاژ  داخل پست باشند.

ترمینال همه کنتاکتها و وسایل مورد استفاده برای اتصالات, بایستی به ترمینالهای داخل تابلوی کنترل هدایت شوند. حداقل جریان نامی کنتاکت های مربوط به هشداردهنده ها, باید 5/0 آمپر و حداقل جریان نامی کنتاکت های کنترل, باید 5  آمپر باشد. در ادامه به شرح برخی تجهیزات مهم اندازه گیری در ترانس های قدرت خواهیم پرداخت.

8 – 1 نشان دهنده درجه حرارت سیم پیچ به روش انعکاس گرمایی

این نشان دهنده, از نوع عقربه ای بوده و برای تشخیص درجه حرارت گرم ترین نقطه سیم پیچی ترانس بکار می رود. معمولا به ازای هر گروه سیم پیچ, یک نشان دهنده بکار گرفته شده که روی یکی از فازها نصب می شود. این روش اندازه گیری بصورت غیر مستقیم است, به این معنی که غلاف ترمومتر داخل روغن بوده و دمای روغن را حس می کند, سپس توسط یک جریانی متناسب با جریان عبوری از سیم پیچ از کویل حرارتی عبور می کند, لذا گرمایی متناسب با سیم پیچ ها در تومومتر ایجاد می شود. ترمومترها باید دارای چند سری کنتاکتهای قابل تنظیم برای انجام عملیات زیر باشند :

کنترل اتوماتیک سیستم خنک کن : الف) کنتاکت شماره 1 در 60 یک گروه از فن ها را روشن می کند و در 50 فن ها را خاموش می کند. ب) کنتاکت شماره 2 گروه دیگری از فن ها را در 70 روشن و در 60 درجه خاموش می کند.

مدار آلارم( هشداردهنده) : مثلا کنتاکت شماره 3 در 110 آلارم می دهد.

مدار تریپ : کنتاکت شماره 4 در 120 تریپ می دهد.

نشان دهنده ها بای بدنه ترانس و در ارتفاع قابل دسترس و قابل رویت از سطح زمین نصب گردند.

8 – 2 نشان دهنده درجه حرارت روغن

این نشان دهنده نیز از نوع عقربه ای بوده و عنصر حساس آن در بالای ترانس و در حول و حوش گرمترین محل روغن نصب می شود و خود آن, روی بدنه ترانس و در مجاورت تومومترهای سیم پیچ ها نصب می گردد.

نوع عنصر حساس, اغلب مقاومت حساس به دما است. این نشان دهنده نیز باید مجهز به کنتاکتهای قابل تنظیم زیر باشد :

کنتاکتهایی برای کنترل سیستم خنک کن

کنتاکتهای مدار آلارم مثلا در 90

کنتاکتهایی برای تریپ مثلا در 100

کنتاکتهایی برای فرمان قطع اتوماتیک سیستم خنک کن

8 -3 کنترل سیستم خنک کن

کنترل خنک کننده ها, چنان طراحی می شود که شروع به کار هر مرحله از سیستم خنک کن با فرمان مشترک ترمومترهای روغن و سیم پیچ انجام می پذیرد, در حالی که توقف هر مرحله, فقط با فرمان ترمومتر روغن انجام شود.

8 – 4 نشان دهنده سطح روغن

اگر چه رله بوخهولتزمی تواند کاهش سطح روغن را نشان دهد ولی, برای داشتن ضریب اطمینان بالاتر, نشان دهنده سطح روغن نیز بر روی منبع ذخیره( کنسرواتور) پیش بینی می شود. ممکن است نشان دهنده بصورت دریچه شیشه ای برای دیدن سطح روغن باشد. علاوه بر آن, نشن دهنده نوع عقربه ای که از طریق مغناطیس, با شناور داخل منبع کنسرواتور در ارتباط است نیز تعبیه می گردد و باید طوری نصب شود که از سطح زمین قابل رویت باشد. عقربه نشان دهنده باید نمایانگر سطوح حداکثر, حداقل و نرمال بوده و کنتاکتهایی برای آلارم نیز باید پیش بینی شده باشد.

8 – 5 نشان دهنده جریان روغن

معمولا در ترانسهای قدرت که مجهز به پمپ روغن می باشند, یک نشان دهنده فلوی روغن در مسیر بای پاس و به موازات مسیر پمپهای روغن نصب می شود که در شرایط روشن بودن پمپها جاری بودن روغن, صفحه معلق آن بصورت مایل قرار می گیرد. اما با خاموش شدن پمپ و یا قطع جریان روغن – به هر دلیل دیگر – صفحه بر اثر نیروی وزن خود پایین آمده و بصورت قائم واقع می شود. در این حالت, اغلب سبب بسته شدن کنتاکتی خواهد شد که موقعیت این صفحه را در اتاق فرمان گزارش می نماید. همچنین از طریق دریچه شیشه ای, موقعیت آن قابل رویت است.