
ترانسفورماتور یک دستگاه یا ماشین الکتریکی استاتیکی است، به عبارتی همانند سایر ماشینهاي الکتریکی (ژنراتور و موتور) حاوي قسمت دوار نیست. این ماشین انرژی الکتریکی را از یک مدار الکتریکی، با اعمال تغییر سطوح ولتاژ یا جریان متناوب، به مدار الکتریکی دیگر انتقال میدهد. این انتقال انرژی از طریق میدانهای مغناطیسی و بدون تغییر فرکانس صورت میگیرد. مدار الکتریکی که انرژی را از منبع اصلی دریافت میکند، سیمپیچ اولیه و مدار دیگر که وظیفهاش تحویل انرژی به بار است سیمپیچ ثانویه نامیده میشود. به عبارتی انرژی الکتریکی دریافت شده از سیمپیچ اولیه، به انرژی الکترومغناطیسی تبدیل شده و سپس مجددا تبدیل به انرژی الکتریکی مورد نیاز در طرف ثانویه تبدیل میشود [1].
بنابراین سیمپیچ اولیه و سیمپیچ ثانویه از نظر الکتریکی هیچ ارتباطی با هم ندارند و ارتباط آنها بوسیلهی الکترومغناطیس است. سیمپیچ متصل به مدار با ولتاژ زیاد به سیم پیچ فشار قوی (H.W.) و سیمپیچی که به مدار با ولتاژ کم اتصال مییابد به سیم پیچ فشار ضعیف (L.V.) معروف است. ترانسفورماتورهای که ولتاژ سیمپیچ ثانویه از ولتاژ اولیه آن کمتر باشد ترانسفورماتور کاهنده و آنکه ولتاژ ثانویهاش از ولتاژ اولیه بیشتر باشد ترانسفورماتور افزاینده نامیده میشود. اگر یکی از دو سیم پیچ ترانسفورماتور مثلاً اولیه را به منبع ولتاژ متناوب وصل کنیم فوران متناوبی تولید خواهد شد که دامنهاش نسبت مستقیم با ولتاژ دو سر سیمپیچ اولیه و شماره دورهای اولیه دارد [2].
فوران تولید شدهی سیمپیچ ثانویه را نیز دور میزند و ولتاژی در آن القاء مینماید که مقدار آن به شماره دوره های سیمپیچ ثانویه بستگی دارد. واضح است که ترانسفورماتورها فقط با وجود فورانهای متقابل که هر دو سیمپیچ را دور میزنند کار میکنند. لازم به تذکر است که این فوران ها (فلوها) از مواد فرو مغناطیسی (پرمابیلیته) زیاد به مراتب بهتر از سایر موارد عبور مینمایند و از اینروست که هسته ترانسفورماتورها از آهن (فورمغناطیس ) میباشد. در کشتیها به منظور ایزوله کردن بخشهاي مختلف مدار الکتریکی، تغییر سطوح ولتاژ و شیفت فاز مورد نیاز مبدلهاي الکترونیک قدرت و سیستم دفاعی و همچنین حفاظت الکتریکی، سیستمهای گرمایشی و روشنایی از ترانسفورماتور استفاده میشود [1].
با توجه به نوع کاربرد در کشتی از ترانسفورماتورهایی که ثانویهی آنها معمولا چند سیمپیچ دارد استفاده میشود. شکل 1-1 نمایی از یک ترانسفورماتور سه فاز خشک را نشان میدهد. ترانسفورماتورها عمدتا از نوع ترانسفورماتورهاي روغنی [1]و از نوع خشك[2] ميباشند. تفاوت اصلي اين دو نوع ترانسفورماتور در استقامت الكتريكي و حرارتي عايقهاي بكار رفته در آنها است. ترانسفورماتورهاي خشك بر اساس استاندارد بين المللي IEC-60726 مي توانند با سيستم عايقي که دارای كلاسهايA, E, B, F, H, C طراحي و ساخته شوند.
شکل 1-1- نمایی از یک ترانسفورماتور سه فاز خشک [9].
بديهي است كه اين دو نوع ترانسفورماتور از ديدگاههاي مختلف داراي مزايا و معايبي نسبت به يكديگر ميباشند كه از جمله مهمترين مزاياي ترانسفورماتور خشك ايمن بودن آن در برابر انفجار و آتش سوزي بوده و در مقابل عدم امكان تعمير و بازسازي سيم پيچهاي رزيني [3]یکی از عيبهای آن به شمار ميرود. ترانسفورماتورهاي خشك در صورت نصب در فضاي آزاد معمولا درون يك محفظه قرار ميگيرند. برخی از ویژگیهای ترانسفورماتورهاي خشك در زیر لیست شده است [3].
جدول 1-1- انواع ترانسفورماتورهای مورد استفاده در شبکه.
انواع ترانسفورماتورهای مورد استفاده در شبکه | |||
ترانسفورماتورهای روغنی | ترانسفورماتورهای خشک | ||
ترانسفورماتورهای با تنفس | ترانسفورماتورهای بدون تنفس | ترانسفورماتورهای روغنی | ترانسفورماتورهای رزینی |
- به روغن برای خنک شدن یا به عنوان عایق الکتریکی نیاز ندارد. سازگاری این نوع ترانسفورماتور با طبیعت و محیط زیست یکی از مهمترین ویژگیهای مهم آن است. بدلیل عدم وجود روغن، خطر آلودگی خاک و منابع آب زیرزمینی و همچنین احتراق و خطر آتش سوزی کم میشود. با حذف روغن و کنترل میدانهای الکتریکی که در نتیجه آن خطر ترانسفورماتور از نظر ایمنی افراد و محیط زیست کاهش یافته است. امکانات تازهای را از نظر محل نصب ترانسفورماتور فراهم کرده است. به این ترتیب امکان نصب ترانسفورماتور خشک در نقاط شهری و جاهایی که از نظر زیست محیطی حساس هستند، وجود دارد.
- در ترانسفورماتور خشک بجای بوشینگ چینی در قسمتهای انتهائی از عایق سیلیکن را بر (Silicon rubber) استفاده میشود. به این ترتیب خطر ترک خوردن چینی بوشینگ و نشت بخار روغن از بین میرود.
- کاهش مواد قابل اشتعال، نیاز به تجهیزات گسترده آتشنشانی را کاهش میدهد. بنابراین از این دستگاهها در محیطهای سرپوشیده و نواحی سرپوشیده شهری نیز میتوان استفاده کرد.
- با حذف روغن در ترانسفورماتور خشک، نیاز به تانکهای روغن، سنجه سطح روغن، آلارم گاز و ترمومتر روغن کاملاً از بین میرود. بنابراین کار نصب آسانتر شده و تنها شامل اتصال کابلها و نصب تجهیزات خنک کننده خواهد بود.
- از دیگر ویژگیهای ترانسفورماتور خشک، کاهش تلفات الکتریکی است. یکی از راههای کاهش تلفات و بهینه کردن طراحی ترانسفورماتور، نزدیک کردن ترانسفورماتور به محل مصرف انرژی تا حد ممکن است تا از مزایای انتقال نیرو به قدر کافی بهرهبرداری شود. با بکارگیری ترانسفورماتور خشک این امر امکانپذیر است.
- § اگر در پست، مشکل برق پیش آید، خطری متوجه عایق ترانسفور ماتور نمیشود. زیرا منبع اصلی گرما یعنی تلفات در آن تولید نمیشود. بعلاوه چون هوا واسطه خنک شدن است و هوا هم مرتب تعویض و جابهجا میشود، مشکلی از بابت خنک شدن ترانسفورماتور بروز نمیکند.
هسته
هسته ترانسفورماتور در حقيقت مسيري است که فوران فلوهاي مغناطيسي بتوانند براحتي از هر دو سيم پيچ عبور کنند و آنها از ورقههاي فولادي سیلسیمدار نورد شده به ضخامت 0.3 تا 0.5 ميليمتر ساخته ميشوند و براي کاهش تلفات فوکو و هيسترس ای ورقه ها بوسیلهی لاک یا یک لایه فيلم عايق، از يكديگر جدا ميسازند. هستههای ترانسفورماتورها بسته به قدرت آنها ساخته و طراحی میگردد. که شامل دو نوع میباشد، هسته های شکافدار و هسته های نواری. کاربرد هستههای شکافدار بیشتر از هسته های نواری میباشد و این به این علت است که این هستها به راحتی در کنار هم قرار گرفته و سیم پیچ ها بر روی آنها نصب میشوند. ترانسفورماتورها از نظر چيدمان هسته به دو دسته نوع هستهای و نوع زرهی تقسيم میشوند. شکل 1-2 ساختمان هسته ترانسفورماتور را نشان میدهد [6].
سیمپیچ
سیمپیچهای ترانسفورماتورها اغلب از جنس مس یا آلومینیم انتخاب میشود سیمپیچهای ترانسفورماتورهای کوچک را معمولاً روی قرقره میپیچند جنس قرقرهها اغلب از ترموپلاست است. در اصل بیشترین درصد اشکالات ترانسفورماتورها در این قسمت نقش اصلی را ایفا میکند. سیم پیچها در کل به دو صورت هستند. نواری، که غیر قابل تعمیر میباشند یا به صورت طبقه طبقه میباشند که به آنها دیسکی هم گفته میشود و قابل تعمیر هستند. سیمهای به کار برده شده در ترانسفورماتورها، بسته به قدرت آنها تغییر میکنند مثلاً در قدرتهای پایین و متوسط از سیمهای با سطح مقطع کوچک و گرد استفاده میشود [5].
در ترانسفورماتورها با قدرت بالا از شمشهایی با سطح مقطع مربعی و یا نواری استفاده میشود. نحوهی قرار گرفتن سیمپیچ ها معمولاً در ترانسفورماتورهای قدرت به این صورت است که ابتدا سیم پیچ ثانویه یا فشار ضعیف پیچیده میشود و سپس سیمپیچ اولیه یا فشار قوی پیچیده میشود. این کار به خاطر این است که در صورت اتصالی، سیمپیچ فشار قوی از هسته و اتصال به بدنه دور بماند و همچنین از بالا رفتن شدت میدان میان سیمپیچ اولیه و هسته جلوگیری شود تا نیاز به عایق بیشتر نباشد. در شکل 1-3 نحوهی پیچش سیمپیچ را نشان میدهد.
شکل 1-2: ساختمان هسته ترانسفورماتور.
شکل 1-3: نمایی از سیمپیچ ترانسفورماتور.
نحوهی اتصال سیم پیچ ها در ترانسهای سه فاز بسته به شریط بارگیری ترانس، اتصال سیم پیچ ها را تعیین میکنند. برای مشخص نمودن اتصالات سیم پیچ های ترانسفورماتور از حروف اختصاری استفاده میشود. به این ترتیب که اتصال ستاره با Y ، اتصال مثلث با D و اتصال زیگزاگ را با Z نشان میدهند. در ضمن اگر اتصال مورد نظر در طرف فشار قوی باشد، با حروف بزرگ و اگر در طرف فشار ضعیف باشد ، با حروف کوچک نمایش می دهند برای مثال اتصال ستاره – ستاره با Yy و یا اتصال مثلث – زیگزاگ با Dz مشخص می شود (لازم به ذکر است که حروف معرف اتصال طرف ولتاژ بالا یا فشار قوی ، در ابتدا ، و حروف معرف اتصال طرف ولتاژ پایین، بعد از آن قرار میگیرد) [8-7].
حال اگر در طرف ستاره یا زیگزاگ، مرکز ستاره یا زیگزاگ، زمین شده باشد ، متناسب با اینکه اتصال مربوطه در طرف ولتاژ بالا یا پایین باشد ، به ترتیب از حروف N یا n استفاده میشود؛ مثلاً Yzn یعنی اتصال ستاره-زیگزاگ که مرکز زیگزاگ، زمین شده است و اتصال ستاره در طرف ولتاژ بالا ، و زیگزاگ در طرف ولتاژ پایین است. بعلاوه در ترانسفورماتورها هر فاز اولیه با فاز مشابه اش در ثانویه، اختلاف فاز مشخصی دارد که جزء خصوصیات آن ترانسفورماتور به شمار میآید؛ مثلاً ممکن است این زاویه 0، 30، 150، 180 و … باشد. برای آنکه زاویۀ مذکور، اختلاف فاز را برای هر ترانسفورماتور مشخص نمایند به صورت مضربی از عدد 30 تبدیل میکنند و مضرب مشخص شده را در جلوی حروف معرف اتصالات طرفین ترانسفورماتور میآورند [11].
مثلاً مشخصه YNd11 بیانگر اتصال اولیه ستاره با مرکز ستاره زمین شده و ثانویه، مثلث است که اختلاف زاویه بین اولیه و ثانویه برابر 330 میباشد. به این عدد گروه ترانسفورماتور میگویند. به طور کلی مطابق استاندارد، نوع اتصالات ترانسفورماتورها می تواند مطابق یکی از اعداد 0 ،1 ،2 ،4 ،5 ،6 ،7 ،8 ،10 و 11 باشد. اصولاً اتصالات ترانسفورماتورها به چهار دستۀ مجزا تقسیم می شوند که عبارتند از:
- دستۀ یک: به ترانسفورماتورهایی گفته میشود که دارای گروه 0 ،4 یا 8 هستند.
- دستۀ دوم: به ترانسفورماتورهایی گفته میشود که دارای گروه 2 ،6 یا 10 هستند.
- دستۀ سوم: به ترانسفورماتورهایی گفته میشود که دارای گروه 1 یا 5 هستند.
- دستۀ چهارم: به ترانسفورماتورهایی گفته میشود که دارای گروه 7 یا 11 هستند.
اما دو موضوع مهم در گروه و اتصال ترانسفورماتورها، تعیین گروه آنها با توجه به نوع اتصال ، و یا یافتن نوع اتصال سیم پیچ ها با توجه به دانستن گروه ترانسفورماتور میباشد.
الف) تعیین گروه ترانسفورماتور با توجه به معلوم بودن اتصالات سیمپیچها این موضوع را با شرح یک مثال بیان میکنیم. فرض کنید که اتصالات سیم پیچ های ترانسفورماتور ، به صورت ستاره – مثلث و مطابق با شکل زیر باشد. ابتدا بر روی این اتصالات، سرهای ورودی و خروجی سیم پیچ ها با U,V,W (برای سیم پیچ اولیه) و u,v,w (برای سیم پیچ ثانویه) مشخص میشوند. سپس بردار نیروی محرکه تمام سیم پیچ ها را از انتهای هر فاز به سمت ابتدای هر فاز رسم می نماییم. لازم به ذکر است که سر سیم پیچ ها به معنای ابتدای فاز خواهد بود و طبعاً سر دیگر سیم پیچ ها به معنای انتهای فاز میباشد [12].
برای یافتن گروه ترانسفورماتور، دو دایره متحدالمرکز با قطرهای متفاوت رسم می کنیم و ساعت های 1 تا 12 را بر روی آن مشخص میسازیم. ابتدا بر روی دایره بزرگتر ، بردارهای ولتاژ سیم پیچ های اولیه رسم میشود. در اینجا با توجه به اتصال اولیه به صورت ستاره، بردارهایOU ، OV و OW بر روی ساعت های 12 (یا صفر)، 4 و 8 رسم میگردد. توجه شود که بین سرهای خروجی، 4 ساعت یا 120 درجه اختلاف فاز میباشد. سپس نوبت به ترسیم بردارهای ولتاژ سیم پیچ های ثانویه میرسد. با توجه به اتصال مثلث سیم پیچ های ثانویه، باید بردار ولتاژ vu در راستای بردار ولتاژ OU اولیه ، بردار ولتاژ wv ثانویه هم راستا با بردار ولتاژ OV اولیه ، و بردار ولتاژ uw ثانویه در راستای بردار ولتاژ OW اولیه رسم گردد.
البته بردارهای هم راستا باید به گونه ای رسم شوند که اولاً بین سرهای خروجی ، معادل 4 ساعت اختلاف فاز داشته باشد، و ثانیاً توالی فاز uvw (در جهت عقربه های ساعت) در ثانویه رعایت شود . حال با توجه به موقعیت ولتاژ u ثانویه که بر روی عدد 1 قرار گرفته است، در مییابیم که گروه این نوع اتصال، معادل 1 میباشد. به عبارت دیگر بین ولتاژ اولیه و ثانویه، 30 درجه اختلاف فاز وجود دارد [13].
ب) تعیین اتصال سیم پیچهای ترانسفورماتور با توجه به معلوم بودن گروه آن مشابه قسمت قبل، این موضوع را با مثالی بیان میکنیم. فرض کنید که میخواهیم اتصال ترانسفورماتور Yd11 را رسم نماییم. در شکل زیر نحوه یافتن اتصالات یک ترانسفورماتور Yd11 نشان داده شده است.
در این روش بر روی نمودار دایره ای ، و با توجه به اتصال سیم پیچ اولیه ، بردارهای ولتاژ OU ، OV و OW رسم میشود. سپس با توجه به گروه 11 ترانسفورماتور، بردارهایuv ، vw و wu (با در نظر گرفتن این نکته که سر u روی عدد 11 ، سر v روی عدد 3 ، و سر w بر روی عدد 7 قرار گیرد) رسم میشود. پس از رسم نمودار دایرهای، سیمپیچ اولیه و اتصالات آن رسم میشود و بر روی آن ، بردارهای ولتاژ مشخص میگردد . حال با توجه به مطالب گفته شده، کافی است که سرهای خروجی را در ثانویه ترانسفورماتور تعیین نماییم . انتخاب سرهای خروجی باید به گونهای صورت گیرد تا بردارهای ولتاژ سیم پیچ های اولیه و ثانویه با بردارهای ولتاژ اولیه و ثانویه بر روی نمودار، یکسان باشد. در نهایت باید سرهای همنام u، v و w ثانویه به هم متصل گردند تا اتصال مثلث کامل گردد که این روند در شکل نشان داده شده است.
1-3- تلفات ترانسفورماتورها و بازده
به طور کلی توان در ترانسفورماتورها به دو صورت اصلی تلف میشود [18].
الف – تلفات مسی یا اهمی: به علت وجود مقاومت اهمی در سیمپیچها در اثر عبور جریان الکتریکی مقداری از توان به صورت حرارت در سیم سیمپیچها از بین میرود (RI2).
ب – تلفات هسته آهنی (Pc): توان در هسته به دو صورت تلف می شود که عبارتند از:
- تلفات فوکو (Pe): در اثر تغییرات فلوی مغناطیسی در هسته ، جریانی به نام جریان فوکو در هسته ایجاد میشود که بر طبق قانون لنز با جریان به وجود آورنده خود مخالفت می کند و باعث کاهش آن میشود. بنابراین با کاهش جریان، توان ترانسفورماتور افت پیدا می کند. جریان فوکو یک جریان گردابی است و باعث گرم شدن هسته نیز میشود. برای کاهش جریان فوکو، هسته را از ورقههایی که نسبت به همدیگر عایق هستند میسازند. این تلفات با مجذور فرکانس کاری سیستم و مجذور چگالی میدان مغناطیسی متناسب است. شکل 1-4 اثر ورقه کردن هسته بر جریان گردابی را نشان میدهد [21].
- تلفات هیسترزیس (Ph): تلفات هیسترزیس تلفاتی است که در اثر کاهش و افزایش حوزه مغناطیسی در هسته به وجود میآید. به این ترتیب که، جریان درلحظه ای که مثبت است حوزه مغناطیسی در یک جهت معین در هسته به وجود میآید و وقتی که جهت جریان عوض شد، جهت حوزه مغناطیسی نیز عوض میشود. در نتیجه عوض شدن جهت حوزه مقداری از حوزه که در قسمت مثبت هسته باقی مانده بود ، باید حذف شود و جهت تغییر کند. این مقدار باقی مانده را پس ماند مغناطیسی میگویند. حذف پس ماند مغناطیسی و عوض شدن جهت آن و ادامه این عمل باعث تلفات هیسترزیس میشود. به زبان ساده وقتی جریان تغییر جهت میدهد مولکول های هسته نیز تغییر جهت میدهند و در این تغییر جهت مولکول ها بین آنها اصطکاک به وجود آمده و باعث گرم شدن هسته میشود. این عمل موجب تلفات هیسترزیس میگردد. این تلفات با فرکانس کاری سیستم و چگالی میدان مغناطیسی متناسب است.
شکل 1-5 اثر مواد فرومفناطیس نرم و سخت را بر حلقه هیسترزیس نشان میدهد، مشاهده میشود که در مواد فرومفناطیس نرم تلفات هیسترزیس کمتر است.
علاوه بر تلفات اهمی و هسته، تلفات سرگردان یا پراکندگی و تلفات عایقی وجود دارد. تلفات سرگردان یا پراکندگی عبارت است از: مقداری از فلوی مغناطیسی بدون آنکه در داخل هسته و در سیم پیچ ثانویه مفید واقع شود به بیرون از هسته نشت کرده و پراکنده میشود و باعث کاهش توان میگردد. تلفات عایقی ناشی از مواد عایق کاری استفاده شده در ترانسفورماتور، مثل روغن و رزینها است. معمولا به دلیل کم بودن تلفات پراکندگی و تلفات عایقی از آنها صرف نظر میشود. بازده ترانسفورماتور به صورت نسبت توان خروجی به توان ورودی است و نسبت سایر ادوات قدرت نسبتا بالا است (90-99 %). میتوان ثابت نمود هنگامی که اگر بار به گونهای با شد که تلفات اهمی برابر با تلفات هسته باشد، بازده بیشترین مقدار خود را دارد و به عبارتی بازده حداکثر در بار نامی اتفاق نمیافتد.
شکل 1-4- اثر ورقه کردن هسته بر جریان گردابی [25].
شکل 1-5- اثر مواد فرومفناطیس نرم و سخت را بر حلقه هیسترزیس [17].
مراجع
1. IEC 60726 -Dry Type Power Transmformers- 2000.
2. IEC 60076-1 ,”Power transformers – General”, Part 1, Edition 2.1, 4/2000.
3. IEC 60076-2 ,”Power transformers – Temperature rise”, Part 2, Edition 2, 4/1993.
4. A. H. Rabar, V. Farabi,”Effect of Transformer’s Parameters on Harmonic Generation”, Chengdu, China, September 2011.
5. GL- Rules III (Ship Technology)- Part 0 (Classification and Surveys)- Chapter 0- May 2012.
6. GL-Rules I (Ship Technology)- Part 1 (Seagoing Ships)- Chapter 1 (Electrical Installations) – July 2015.
7. IEC 60076-3 ,”Power transformers – Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air”, Part 3, Edition 3, 2000.
8. IEC 60076-4 ,”Power transformers – Guide to the lightning impulse and switching impulse testing”, Part 4, Edition 1, 6/2002.
9. IEC 60076-5 ,”Power transformers – Ability to withstand short circuit”, Part 5, Edition 2, 7/2002.
10. IEC 60076-8 ,”Power transformers – Application guide”, Part 8, Edition 1, 8/1997.
11. IEC 60076-10 ,”Power transformers – Determination of sound levels”, Part 10, Edition 1, 5/2001.
12. IEEE Std C57.12.01™ “IEEE Standard for General Requirements for Dry-Type Distribution and Power Transformers” 2015.
13. IEEE Std C57.12.91™-2011 (Revision of IEEE Std C57.12.91-2001) ” IEEE Standard Test Code for Dry-Type Distribution and Power Transformers ” 2011.
14. Bin Wu, -High Power Converters and Ac Drives- the Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2006.
15. Dennis T., Hall B.A., G. Eng. -Practical Marine Electrical Knowledge-, Second Edition, 2009.
16. “Testing of Power Transformer- Routine, Type and Special Teats”, ABB Business Area Power Transformer, 2005.
17. Francisco de León, Senior
Member, IEEE, and Juan A. Martinez, Member, IEEE, “Dual Three-Winding
Transformer Equivalent Circuit Matching Leakage Measurements”,IEEE Transactions
On Power Delivery, Vol. 24, No. 1, January 2009.
[1] Oil immersed type
[2] Dry type
[3] Cast resin