ترانسفورماتورهای سه فاز

 

ترانسفورماتورهای سه فاز ماشین های غیر فعالی هستند که انرژی الکتریکی را بین مدارها منتقل می کنند. در مدار ثانویه، یک شار مغناطیسی نیروی محرکه الکتریکی (emf) را القا می کند، بنابراین ولتاژها را بدون تغییر فرکانس افزایش (افزایش) یا کاهش (کاهش) می دهد. انواع مختلفی از سیستم های الکتریکی وجود دارد و بنابراین ترانسفورماتورها باید در کنار سیستم های سازگار کار کنند. یک ترانسفورماتور سه فاز با یک سیستم الکتریکی سه فاز AC (جریان متناوب) کار می کند تا برق پایدار و ایمن برای دستگاه را برای مصرف کنندگان فراهم کند. بسته به صنعت یا کاربرد، اندازه، طراحی، درجه ولت آمپر و قابلیت تحمل بار ترانسفورماتور سه فاز متفاوت خواهد بود.

 

ترانسفورماتور سه فاز چیست؟

 

در برخی از ترانسفورماتورهای یکسو کننده DC، ترانسفورماتورهای ولتاژ را می توان برای ترکیبات تک فاز یا دو، سه، شش و حتی پیچیده تا 24 فاز ساخت. فرآیندهای تولید، توزیع و انتقال برق می توانند از سه فاز استفاده کنند که به صورت 3φ یا 3 فاز مشخص می شود. یک ترانسفورماتور 3 فاز بر روی یک منبع تغذیه سه فاز کار می کند و هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه دارای سه مجموعه سیم پیچ هستند.

 

 

 

سیستم برق سه فاز چیست؟

 

سیستم های الکتریکی سه فاز وترانس تک فاز از جریان متناوب (AC) استفاده می کنند. AC به طور کلی در شکل موج سینوسی است، اما شکل موج های دیگری مانند مربع، مثلث و امواج پیچیده نیز می تواند تولید شود. سیگنال های AC دارای سه ویژگی مهم هستند: دامنه، دوره و فرکانس. دامنه، بزرگی موج را توصیف می کند. دوره زمانی است که یک نوسان کامل رخ می دهد، در حالی که فرکانس تعداد چرخه هایی است که در هر ثانیه ظاهر می شوند.

یک نوسان AC کامل هم یک اوج و هم پایین دارد. برای چرخه معمول 360 درجه، این نقاط در 90 درجه و 270 درجه هستند. سیستم 1 فاز دارای یک قله و فرورفتگی منفرد در یک هادی است و این نقاط حداکثر بزرگی را تجربه می کنند اما در جهت مخالف. از طرف دیگر سیستم های 3 فاز دارای سه قله و فرورفتگی بر روی سه هادی هستند. ولتاژها و جریان ها 120 درجه به یکدیگر منتهی می شوند یا با هم فاصله دارند (شکل 2 را ببینید).
اهمیت قانون استقرا فارادی

عملکرد همه انواع ترانسفورماتورها تابع قانون القایی فارادی است – این قانون بیان می کند که بزرگی emf القا شده در یک مدار مستقیماً با نرخ تغییر شار مغناطیسی برش در مدار ارتباط دارد.

بنابراین، رسانایی که در نزدیکی یک میدان مغناطیسی در حال تغییر قرار می گیرد – برای مثال از یک آهنربای الکتریکی AC – دارای جریان الکتریکی خواهد بود. مدارهای الکترومغناطیسی از این نوع سیم پیچ اولیه نامیده می شوند.

همانطور که جریان الکتریکی فرو می ریزد و به طور مداوم در یک فرکانس خاص تولید می شود، میدان مغناطیسی فرو می ریزد و دوباره ایجاد می شود. این میدان مغناطیسی متناوب باعث القای جریان در هادی های بریده شده توسط این شار می شود. سپس آنها را سیم پیچ ثانویه می نامند. فرکانس در هر دو سیم پیچ یکسان است.
انواع ترانسفورماتورهای سه فاز

ترانسفورماتورهای سه فاز را می توان بسته به نوع ساخت آنها دسته بندی کرد. دو نوع ترانسفورماتور 3 فاز وجود دارد: ترانسفورماتور هسته ای با سیم پیچ اولیه و ثانویه که روی یک هسته پیچیده شده است و ترانسفورماتور پوسته ای که سه ترانسفورماتور 1 فاز را ترکیب می کند.
نوع هسته

در ترانسفورماتورهای سه فاز نوع هسته، هسته دارای سه اندام در یک صفحه است. هر اندام شامل سیم پیچ های اولیه و ثانویه است و این سیم پیچ ها به طور مساوی بین سه اندام تقسیم می شوند. شنیدن سیم پیچ های ولتاژ بالا (HV) و ولتاژ پایین (LV) غیر معمول نیست.

از آنجایی که سیم پیچ ولتاژ پایین عایق بندی آسان تر است، این سیم پیچ ها نسبت به سیم پیچ های ولتاژ بالاتر به هسته نزدیک تر هستند. سیم‌پیچ‌های دوم دور سیم‌پیچ اولی می‌پیچند، با مواد عایق بین آنها. این سازه دارای سیم پیچ ها به صورت مغناطیسی با یکدیگر است که یک سیم پیچ از جفت اندام دیگر به عنوان مسیرهای برگشت برای شار مغناطیسی خود استفاده می کند (شکل 3 را ببینید).
نوع پوسته

ترانسفورماتور 3 فاز پوسته ای سه ترانسفورماتور 1 فاز مجزا می باشد. سه فاز این ترانسفورماتور میدان مغناطیسی خود را تقریباً مستقل است و هسته این ترانسفورماتور دارای پنج اندام است که در شکل 3 مشاهده می شود.

سیم پیچ های HV و LV در اطراف سه اندام اصلی وجود دارد. مانند دستگاه 3 فاز نوع هسته، سیم پیچ ولتاژ پایین نزدیکترین به هسته است. دو بیرونی ترین اندام به عنوان مسیرهای بازگشت شار عمل می کنند.

با نزدیک شدن میدان به یوغ، شار مغناطیسی به دو قسمت تقسیم می شود. معمول است که اندام بیرونی و یوغ نصف اندام اصلی باشد. شما می توانید ارتفاع ترانسفورماتور را با کاهش اندازه یوک کاهش دهید.

 

 

 

 

ساختار ترانسفورماتور سه فاز

به غیر از هسته و سیم پیچ ها، بخش های حیاتی دیگری در ترانسفورماتور وجود دارد که در زیر مورد بحث قرار می گیرد:

عایق: این قسمت به عنوان مانعی عمل می کند که سیم پیچ ها را از هسته جدا می کند.
روغن ترانسفورماتور: روغن ترانسفورماتور دو وظیفه اصلی دارد: عایق کاری و خنک کننده. خواص عایق روغن از اتصال کوتاه و قوس الکتریکی برق جلوگیری می کند. این روغن با انتقال گرما از هسته و سیم پیچ ها به عنوان خنک کننده عمل می کند.
دماسنج: دماسنج ها دمای روغن را کنترل می کنند.
سیستم های کاهش فشار: سیستم های کاهش فشار بخشی از پروتکل ایمنی هستند. آنها موقعيت هاي فشار بيش از حد را هنگام چشمك زدن روغن به دليل اتصال كوتاه خنثي مي كنند.
کولر: سیستم خنک کننده مایع خنک کننده را خنک می کند. روغن داغ را از طریق آب یا لوله های هوا خنک خنک می کند. سپس مایع خنک کننده به هسته و سیم پیچ ها باز می گردد.
مخزن: مخزن از سیم پیچ و هسته ترانسفورماتور در برابر شرایط خارجی محافظت می کند و مایع خنک کننده را نگه می دارد.
نگهدارنده نفت: نگهدارنده نفت ظرفی است که جدا از مخزن نصب می شود. پس از انبساط روغن به دلیل گرم شدن در سیم پیچ ها و هسته، به نگه داشتن روغن کمک می کند.
تنظیم کننده های ولتاژ: تنظیم کننده های ولتاژ ولتاژ خروجی را تغییر می دهند که در شرایط بارگذاری تمایل به کاهش دارد. اصلاح پیچ های ضربه زدن با استفاده از تغییر دهنده شیر، نسبت ولتاژ را تنظیم می کند.
رله گازی: رله گازی نام دیگری دارد – رله بوخهولتز. حباب های گاز آزاد شده از مخزن ترانسفورماتور را نگه می دارد و دیدن این گاز آزاد نشان دهنده وجود مشکل در ترانسفورماتور است.
هواکش ها: هواکش ها برای خشک نگه داشتن روغن ترانسفورماتور کار می کنند. این هواکش ها رطوبت را از حفره های هوای بالای سطح روغن محافظ حذف می کنند.

تنظیمات ترانسفورماتور سه فاز

دو اتصال قابل توجه برای این ماشین های سه فاز وجود دارد. پیکربندی ستاره و دلتا

به پیکربندی ستاره، اتصال wye نیز گفته می شود. دارای چهار پایانه اما سه سیم پیچ است. سه سیم پیچ سه فاز مدار را تشکیل می دهند، در حالی که ترمینال چهارم پایانه ای است که در آن سه سیم پیچ دیگر به هم می رسند. این یک نقطه خنثی مشترک است.

اتصال دلتا که به عنوان اتصال مشبک نیز شناخته می شود، اتصال سه سیم پیچی است که انتهای آنها به هم متصل شده و یک حلقه بسته ایجاد می کند. دارای سه پایانه و سیم پیچ بدون نقطه عصبی است و در عوض از اتصالات زمین استفاده می کند. همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود، اتصال دلتا با اتصال به زمین نقطه میانی یک فاز در سیستم های پایه بالا پیکربندی می شود.

 

 

 

مشخصات ولتاژ و جریان

استفاده از سیستم های سیم کشی ترانسفورماتور سه فاز ستاره یا مثلث دارای مزایا و معایبی است. درک جریان ها و ولتاژهای فاز و خط برای انتخاب سیستم مناسب برای برنامه های شما بسیار مهم است.

جریان و ولتاژ فاز روی یک جزء اندازه گیری می شود، در حالی که پارامترهای خط روی دو پایانه اندازه گیری می شوند. جدول 1 روابط بین این ویژگی ها را نشان می دهد:
اتصال ولتاژ فاز ولتاژ خط جریان فاز جریان خط
ستاره VP = VL / √3 VL = √3 * VP IP = IL IL = IP
دلتا VP = VL VL = VP IP = IL / √3 IP = √3 * IL

جدول 1: مشخصات ولتاژ و جریان 3 فاز

VL: ولتاژ خط به خط (ولتاژ خط)
VP: ولتاژ فاز به خنثی (ولتاژ فاز)
IL: جریان خط
IP: جریان فاز

علاوه بر ولتاژ و جریان، یک ماشین حساب ترانسفورماتور 3 فاز به پارامتر دیگری برای اندازه گیری مناسب دستگاه نیاز دارد – نسبت چرخش (TR). از آنجایی که ترانسفورماتور یک ماشین خطی است، ولتاژ در سیم پیچ های ثانویه را می توان با استفاده از ولتاژهای اولیه و نسبت چرخش تعیین کرد. این نسبت چرخش سیم پیچ های ثانویه و اولیه است.
نمودار سیم پیچ ترانسفورماتور 3 فاز

سیم پیچ های اولیه و ثانویه در یک ترانسفورماتور سه فاز می توانند پیکربندی های متفاوت یا یکسانی داشته باشند. چهار تغییر اصلی عبارتند از:
پیکربندی ستاره-ستاره (Y -Y)

سیم پیچ های اولیه و ثانویه در سیستم ستاره ای پیچیده می شوند. مزیت اصلی آن داشتن یک ترمینال خنثی در دو طرف ترانسفورماتور است که امکان اتصال به زمین را فراهم می کند. زمین کردن، اعوجاج را از شکل موج حذف می کند. در صورت زمین نشدن، عملکرد این نوع ترانسفورماتور در صورتی رضایت بخش است که سه بار وارد بر سه فاز متعادل باشند. این عمدتا برای ترانسفورماتورهای HV کوچک است.

TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS

VS: ولتاژ ثانویه
VP: ولتاژ اولیه
IS: جریان ثانویه
IP: جریان اولیه

این اتصال تعداد چرخش ها را کاهش می دهد زیرا ولتاژ فاز 1/√3 ولتاژ خط است. مقدار عایق مورد نیاز نیز کاهش می یابد.
اتصال ستاره-ستاره

 

 

 

پیکربندی دلتا-دلتا (Δ-Δ)

سیم پیچ های اولیه و ثانویه در سیستم دلتا قرار دارند. این سیستم برای ترانسفورماتورهای LV بزرگ است و از تعداد چرخش های قابل توجهی نسبت به نوع Y-Y استفاده می کند. یکی از مزایای این اتصال این است که با بارهای نامتعادل روی فازها سازگار است. مزیت دیگر این است که حتی زمانی که ترانسفورماتور غیرفعال است، بارهای 3 فاز آن می توانند برق باقی بمانند. این معمولاً در پیکربندی دلتای باز در ظرفیت های کاهش یافته است.

در پیکربندی دلتا-دلتا:

TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS

VS: ولتاژ ثانویه
VP: ولتاژ اولیه
IS: جریان ثانویه
IP: جریان اولیه

 

Wye-Delta یا Star-Delta Configuration (Y-Δ)

در این پیکربندی، سیم‌پیچ اولیه در ترمینال خنثی خود به صورت ستاره وصل و به زمین متصل می‌شود. پیچ های ثانویه در سیستم دلتا متصل می شوند. حوزه کاربرد اصلی آن در کاهش ولتاژ در سمت پست انتقال برق است.

ولتاژ خط ثانویه و اولیه دارای نسبتی است که 1/√3 برابر نسبت تبدیل دستگاه است. همچنین یک تغییر 30 درجه ای بین ولتاژ خط اولیه و ثانویه وجود دارد.
پیکربندی Delta-Wye یا Delta-Star (Δ-Y)

سیم پیچ اولیه در سیستم دلتا و سیم پیچ ثانویه در پیکربندی ستاره زمینی متصل می شود. این عمدتاً در ترانسفورماتورهای افزایش دهنده واقع در جایی که خط انتقال منشا می گیرد استفاده می شود. ولتاژ خط ثانویه و اولیه نسبتی دارند که √3 برابر نسبت تبدیل دستگاه است. همچنین یک تغییر 30 درجه ای بین ولتاژ خط اولیه و ثانویه مانند ترانسفورماتور Wye-Delta وجود دارد.

 

 

اتصال دلتا (V-V) را باز کنید

دو ترانسفورماتور در این سیستم وجود دارد. اتصال V-V زمانی وارد عمل می شود که یکی از ترانسفورماتورها غیرفعال باشد، اما عملیات بارگذاری منظم همچنان مورد نیاز است. سرویس تا زمانی که نیاز به تعمیر یا نصب تعویض در چنین مواردی داشته باشد ادامه خواهد داشت.

این پیکربندی می تواند بارهای سه فاز کوچک را پشتیبانی کند که در آن نصب ترانسفورماتور بانک کامل سه فاز غیر ضروری است. ظرفیت حمل آن 57.7 درصد از اتصال دلتا-دلتا کامل است.
اتصال Scott-T (T-T).

در این سیستم سیم پیچی ترانسفورماتور 3 فاز از دو ترانسفورماتور استفاده شده است. یکی دارای شیرهای مرکزی روی سیم پیچ های اولیه و ثانویه است که به عنوان ترانسفورماتور اصلی شناخته می شود. ترانسفورماتور دیگر که ترانسفورماتور تیزر نام دارد، دارای یک ضربه 0.87 است. ترانسفورماتور تیزر با 87 درصد ولتاژ نامی کار می کند.

زمانی استفاده می شود که یک سیستم سه فاز با یک سیستم دو فاز بهم متصل شود. تامین انرژی یک کوره الکتریکی که بر روی یک سیستم دو فاز کار می کند، یک کاربرد معمولی از اتصال T-T است.
اتصال High Leg Delta

اتصال دلتای پا بالا زمانی اتفاق می‌افتد که سمت ثانویه متصل به دلتا به مرکز ضربه بزند. سپس این شیر به زمین وصل می شود. چنین پیکربندی یک منبع تغذیه 3 فاز (مرتبط مثلث) و یک منبع تغذیه 1 فاز تولید می کند.

هر دو سیستم توزیع تجاری و مسکونی از این اتصال استفاده می کنند. مصرف کنندگان می توانند 240 ولت (ولتاژ خط) برای ماشین های بزرگ یا 120 ولت (ولتاژ فاز) برای تجهیزات کوچکتر یا روشنایی بدون نیاز به ترانسفورماتور اضافی دریافت کنند.
کاربرد ترانسفورماتورهای سه فاز

ترانسفورماتورهای سه فاز ماشین های همه کاره ای هستند که در بسیاری از زمینه ها کاربرد دارند. برخی از کاربردهای رایج تر عبارتند از:

فرآیندهای تولید و انتقال نیرو از ترانسفورماتورهای سه فاز استفاده می کنند.

ترانسفورماتورهای سه فاز می توانند ولتاژ را در بسیاری از صنایع افزایش یا کاهش دهند. این ترانسفورماتورها به طور گسترده در معدن، چاپ، نساجی، آسانسور، اتوماسیون صنعتی، و زمینه های پتروشیمی و چندین مورد دیگر مورد استفاده قرار می گیرند.

از آنجایی که ترانسفورماتور سه فاز می تواند نویز و تداخل پالس فرکانس بالا را از کوپلینگ داخلی خود معاف کند، این ترانسفورماتورها هنگام ساخت ماشین ابزار دقیق ضروری هستند. در سیستم های بار صنعتی با قدرت بالا، مانند درایوهای موتور و یکسو کننده ها، در میان تجهیزات دیگر وجود دارد.

 

سوالات متداول

آیا ترانسفورماتور سه فاز می تواند از منبع تک فاز برای تامین برق سه فاز استفاده کند؟

امپدانس یک ویژگی مخالف/محدود کننده جریان ترانسفورماتور است و معمولاً به صورت درصد بیان می شود. این پارامتر ظرفیت قطع فیوز یا قطع کننده مدار را برای محافظت از سیم پیچ های اولیه ترانسفورماتور تعیین می کند.