دلیل استفاده از ترانسفورماتور چیست؟

ولتاژ تولیدی انرژی الکتریکی در نیروگاه هایی که توسط آلترناتورهای سه فاز تولید می شود، معمولأ بین ۱۰ تا ۳۰ کیلو ولت است. به دلیل دور بودن نیروگاه ها از مراکز مصرف احتیاج است که انرژی الکتریکی توسط کابل های هوایی انتقال داده شود. اگر بخواهیم انرژی الکتریکی را با این ولتاژ کم انتقال دهیم جریان زیادی ایجاد می شود (در یک توان ثابت هر قدر ولتاژ زیاد تر باشد جریان کمتر می شود) که مشکلات زیر را ایجاد میکند:

سطح مقطع سیم ها باید زیاد انتخاب شود که هزینه ها را بسیار بالا می برد.
جریان زیاد باعث افزایش افت ولتاژ R×Iو افزایش تلفات توان RI² می شود.
احتیاج به تجهیزاتی است که باید تحمل جریان زیاد را داشته باشند.

بنابراین در ابتدای خط یک ترانس قرار می گیرد تا ولتاژ را زیاد کند که این افزایش ولتاژ، جریان را کاهش می دهد و در نتیجه موجب کاهش تلفات می شود. در انتهای خط انتقال نیز ولتاژ فشار قوی در یک یا چند مرحله کاهش می یابد.

انواع شبکه های انرژی الکتریکی در ایران

شبکه انتقال: انتقال انرژی الکتریکی با ولتاژ ۲۳۰ / ۴۰۰ kv را شبکه انتقال می گویند.
شبکه فوق توزیع: انتقال انرژی الکتریکی با ولتاژ ۱۳۲ / ۶۳ kv راشبکه فوق توزیع می گویند.
شبکه توزیع: شبکه توزیع نیز در دوسطح فشار متوسط با ولتاژهای ۱۱ / ۲۰ / ۳۳ kv و شبکه فشار ضعیف با ولتاژ خطی ۴۰۰ v و ولتاژ فازی ۲۳۱ v وجود دارد.

چرا از ترانس تکفاز استفاده میکنیم؟

ترانسفورماتور های توزیع به طور معمول جهت برق رسانی به محل مشتری در شبکه برق رسانی قرار می گیرند. ترانسها اغلب برای تامین برق خارج از شهر استفاده می شوند، مانند خانه های با فاصله از شهر، خانه باغ ها و یا چاه های آب که ولتاژ شان زیر ۳۰ کیلو ولت است. یکی دیگر از کاربردهای ترانس برق، تامین برق کابل های برق هوایی جاده ها با برق AC است. در این مورد از ترانسفورماتورهای تک فاز استفاده می شود.

لیست قیمت انواع ترانسفورماتور تکفاز ایران ترانسفو

نحوه عملکرد ترانس تکفاز

همانطور که گفته شد، ترانسفورماتور تک فاز، از برق AC تک فاز استفاده می کنند و خروجی اش معمولا در سطح ولتاژ بالاتر یا پایین تر می باشد. در این نوع ترانسفورماتور انرژی از طریق القاء الکترومغناطیسی از یک مدار به یک یا چند مدار منتقل می شود. بنابراین، یک ترانسفورماتور تک فاز نوعی از ترانسفورماتور برق است که از جریان متناوب تک فاز استفاده می کند، به این معنی که ترانسفورماتور مبتنی بر یک چرخه ولتاژ است که در یک بازه زمانی واحد عمل می کند. آنها اغلب برای کاهش مسافت و جریان انتقال جریان محلی به سطوح قدرت مناسب تر برای مناطق مسکونی و مناطق تجاری نه چندان بزرگ استفاده می شود. نسبت سیم پیچ اولیه (ورودی) به سیم پیچ ثانویه (خروجی) تغییر جریان را تعیین می کند. ترانسفورماتورهای تک فاز با نسبت ۱: ۱ می توانند برای جدا کردن مدارها مورد استفاده قرار گیرند. ترانسفورماتور تک فاز از قانون اهم تبعیت می کنند و در خارج از تلفات جزئی ذاتی به دلیل گرما، برق را تولید یا حذف نمی کند. سیستم توزیع تک فاز هنگامی استفاده می شود که بیشتر بار بر روی تامین روشنایی و گرمایش بوده و تنها به تعداد اندکی از دستگاه الکتریکی بزرگ استفاده می شود. یک منبع تک فاز متصل به ماشین الکتریکی جریان متناوب، میدان مغناطیسی چرخشی تولید نمی کند. از آنجا که ولتاژ یک سیستم تک فاز دو بار در هر چرخه به حداکثر مقدار می رسد، قدرت لحظه ای ثابت نیست.

مقایسه ترانسفورماتور تکفاز با ترانسفورماتور سه فاز

از آنجایی که هزینه شبکه توزیع سه فاز نسبت به تکفاز بسیار بالاتر است و تقاضای کلی برق در مناطق غیر شهری کم است (در مناطقی که زیر ساختهای مناسب خطوط انتقال سه فاز ایجاد نشده است)، در این مناطق از ترانسفورماتورهای تک فاز بیشتر استفاده می شود. بالاترین ولتاژ موجود در شبکه تک فاز با زیرساخت های برق و مقررات صنعتی تنظیم می شود. ترانسفورماتور تک فاز اغلب در شبکه توزیع برق و جهت کاهش ولتاژ در مناطق مسکونی و تجاری استفاده می شود. هنگامی که با لوازم برقی مورد استفاده قرار می گیرد، خروجی ولتاژ پایین تر اغلب قبل از دستگاه های برقی، مانند کامپیوتر، به جریان DC اصلاح می شود. با توجه به افزایش قیمت انرژی در کشور، استفاده از ترانسفورماتورهای تکفاز که دارای تلفات بی باری کمتری نسبت به ترانسفورماتورهای سه فاز هستند، سرمایه گذاری و هزینه های کمتری دربر دارد. بنابراین برای بارهای تکفاز کوچک، ترانسفورماتورهای تکفاز اقتصادی ترین گزینه می باشند.

خنک سازی ترانسفورماتورهای تکفاز

ترانسفورماتور های روغنی با تکیه بر یک روغن دی الکتریک قوی برای عایق بندی اجزای تشکیل دهنده و از بین بردن گرما، روغنهای معدنی، استر مصنوعی و مایعات مبتنی بر سیلیکون، PCB ها را جایگزین کرده اند. برخی از ترانسفورماتور ها با توجه به کاربرد و عملکردشان ممکن است از رادیاتور، فیلتر، فن ، پمپ یا مبدل های حرارتی برای مدیریت روغن ترانسفورماتور استفاده کنند.

اتصال تک فاز به سه فاز

یک بار تک فاز ممکن است از یک ترانس توزیع سه فاز در دو حالت برق دار شود: با اتصال بین یک فاز به خنثی یا با اتصال بین دو فاز. استفاده از این دو روش، ولتاژ متفاوتی از یک منبع بدست می آورد. به عنوان مثال، در یک سیستم سه فاز ۱۲۰/۲۰۸، که در شمال امریکا رایج است، ولتاژ فاز به خنثی ۱۲۰ ولت و ولتاژ فاز به فاز ۲۰۸ ولت است. این موضوع اجازه می دهد تا روشنایی تک فاز متصل شده از روش فاز به خنثی و سه فاز را به تمام سه فاز ها متصل نماید. در این حالت دیگر نیازی به استفاده از یک ترانسفورماتور مجزا تک فاز نمی باشد.

موازی کردن ترانسفورماتورهای تکفاز

در شبکه های قدرت اغلب لازم است که قدرت بسیار زیادی توسط ترانسفورماتور منتقل شود در این صورت معمولا دو ترانسفورماتور را با هم موازی می کنند. علاوه بر این برای تغذیه یک بار بیش از ظرفیت یک ترانسفورماتور، ترانس دیگری را با آن موازی می کنند. مزیت استفاده از دو ترانس به جای یک ترانس در این است که اولا حجم و وزن ترانس ها کمتر می شود و حمل و نقل آنها آسانتر است و ثانیا اگر عیبی در یکی از ترانس ها پیش آید تمام مصرف کننده ها بدون برق نمی مانند و ترانس دوم می تواند بخشی از مصرف کننده ها را تغذیه کند.

شرایط لازم جهت موازی بستن دو ترانس تکفاز :

ترانسفورماتور ها باید از نظر قطب یا پلاریته مشابه وصل شوند و برای اطمینان از اینکه واقعا در ثانویه سرهای نظیر به هم اتصال دارند از یک ولت متر بصورت زیر استفاده می کنند، اگر ولتمتر حدودا صفر را نشان داد اتصال با پلاریته صحیح انجام گرفته است.
سیم پیچ های اولیه ترانس ها باید برای ولتاژ و فرکانس سیستم تغذیه مناسب باشد.
ولتاژهای نامی اولیه و ثانویه ها یکسان باشد، یعنی نسبت دور (نسبت تبدیل) ترانس ها یکسان باشد.
اندازه ولتاژ های اتصال کوتاه و درصد امپدانس های اتصال کوتاه برابر باشد، یعنی: Z_SCA=Z_SCB
یا نسبت های مقاومت های معادل به راکتانس های معادل R_eqبه X_eqدر ترانس ها باید مساوی باشد.

نکته شرط ۱: باید توجه داشت شرط فقط نظیر هم بودن قطب ها شرط کافی نیست بلکه مشخصه دو ترانس طوری باید باشد که تحت یک ولتاژ مساوی که در ثانویه با هم دارند قدرت های نامی خود را ارائه کنند یعنی شیب مشخصه های انها با هم برابر باشد:

یکی بودن شیب مشخصه ها وقتی حاصل می شود که افت ولتاژ آزمایش اتصال کوتاه دو ترانس موازی برابر باشد (V_SCA=V_SCB). بنابراین وقتی مثلث کاپ (مثلث اتصال کوتاه) دو ترانس با هم برابر شد تقسیم خروجی به نسبت قدرت های نامی ظاهری انجام می شود. باید توجه داشت که وقتی شیب مشخصه های دو ترانس موازی با هم برابر نباشند ( ناشی از مساوی نبودن ولتاژ اتصال کوتاه دو ترانس)، تحت یک ولتاژ مساوی در ثانویه ترانس ها قدرت های نامی خود را ارائه نمی دهند.

از حالت های فوق حالت اول و دوم باید دقیقا انجام گیرد و ضروری هستند. اما حالت های ۳ و۴ می توانند دقیقا اجرا نشوند.

اگر شرط (۱) رعایت نشود اتصال کوتاه مرده (اتصال کوتاه بدون جریان) ایجاد می شود. اگر شرط (۳) رعایت نشود یعنی نسبت تبدیل ترانس ها کاملا یکسان نباشد، یک جریان گردشی (دور زننده) در حالی که سر های ثانویه بهم وصلند به جز ثانویه ها در اولیه نیز بوجود خواهد آمد. و وقتی هم که ثانویه ها به بار وصل شود باز هم این جریان وجود داشته و ایجاد یک نامتعادلی خواهد نمود و باری که از ترانس ها دریافت می شود برابر نخواهد بود.اگر شرط (۴) رعایت نشود باز موازی کردن ممکن است با این تفاوت که وقتی دو ترانس باز مشترکی را تغذیه می کنند ضریب قدرت های مختلف خواهند داشت که این امر موجب می شود توزیع بار به نسبت KVA نامی هر ترانس تقسیم نشود.

جهت فاز های مساوی در زیر بهتر است در دو ترانس موازی رابطه زیر (شرط ۴) برقرار باشد:

یعنی نسبت مقاومتهای معادل مساوی نسبت راکتانس های معادل باشد. در صورت عدم برقراری این شرط بین جریان ها اختلاف فاز ایجاد شده و در نتیجه یکی از ترانس ها با ضریب قدرت بالا و دیگری با ضریب قدرت پایین کار خواهد کرد.

نکته:

اختلاف فاز ولتاژهای ثانویه فقط میتوان ۰ یا ۱۸۰ باشد، اگر اختلاف فاز ولتاژهای اولیه و ثانویه یکی از ترانس ها صفر و دیگری ۱۸۰ باشد در هنگام موازی بستن فقط کافی است محل اتصال دو سر خروجی یکی از ترانس ها را عوض کنیم .
اگر توان دو ترانس برابر نباشند نباید ولتاژ اتصال کوتاه ترانس کوچکتر کمتر از ترانس بزرگتر باشد.
برای موازی کردن دو ترانس ابتدا سیم پیچ های اولیه هر دو ترانس را به شبکه وصل می کنیم سپس ثانویه ی یکی از ترانس ها را به شبکه دوم متصل کرده و یک سر خروجی ترانس دوم را به یک سر خروجی ترانس اول وصل می کنیم و بعد یک ولت متر را بین دو سر دیگر خروجی ها قرار می دهیم. اگر ولت متر ولتاژ صفر را نشان داد این دو سر می توانند به سیم دوم شبکه وصل شود و ترانس ها را موازی کرد. اما اگر ولتمتر دو برابر مقدار واقعی ثانویه ترانس را نشان داد باید جای دو فاز را عوض کنیم.

گردآوری: تیم تحقیق و توسعه هایرین مارکت