مدلسازی ترانسفورماتور قدرت با هستة خطی و غیرخطی توسط نرم‌افزار EMTP

به گزارش "برق نيوز"  از آنجایی که برای بهبود توزیع ولتاژ و دامنه نوسانات ولتاژ شکل سیم پیچی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، مقاله حاضر روشی جهت مدلسازی سیم پیچ‌های استوانه‌ای و دیسکی پیوسته در ترانسفورماتور‌های قدرت ارایه می‌دهد. بر مبنای روش مذکور برنامه‌ای توسط نرم‌افزار EMTP نوشته شده است که به کمک آن رفتار این دو سیم پیچی با اعمال موج ضربه با یکدیگر مقایسه شده است. سپس طرح مدلسازی سیم پیچی دیسکی درهم ارایه شده است. همچنین مقاله حاضر اثر القاء متقابل بین حلقه‌های سیم پیچی با هسته خطی را به کمک برنامه کمکی BCTRAN و با هسته غیرخطی را به روش جدید، مورد بررسی قرار داده است.

نتایج شبیه سازی نشان داده است که توزیع ولتاژ ضربه در سیم پیچ‌های دیسکی درهم به مراتب بهتر از انواع دیگر می‌باشد. همچنین مشاهده شده است که رفتار هسته بر فرکانس و دامنه نوسان بوجود آمده، مؤثر است به طوری که در حالت هسته خطی میزان آن بسیار کمتر بوده است.


مقدمه

طیف فرکانسی انواع ولتاژ‌های ضربه‌ای کلیدزنی تا چندین کیلوهرتز و طیف فرکانسی ولتاژ‌های ضربه‌ای صاعقه تا چندین صد کیلوهرتز می‌باشد. در چنین فرکانس‌هایی ظرفیت‌های سیم پیچی ترانسفورماتور را باید در نظر گرفت. اگر چه در کارکرد عادی با فرکانس قدرت، نیازی به در نظر گرفتن این ظرفیت‌ها نمی‌باشد.

ظرفیت‌های موجود بین سیم پیچ‌های ترانسفورماتور و قسمت‌های زمین شده (هسته، تانک و غیره) داخل هر سیم‌پیچی بین دیسکها، دور‌ها و لایه‌ها و تک تک سیم‌پیچ‌ها مطرح می‌باشند. به علت وجود این ظرفیتها، توزیع اضافه ولتاژ‌ها در لحظات اولیه برخورد موج به سیم‌پیچی ترانسفورماتور یکنواخت نخواهد بود به عبارت دیگر، در فرکانس قدرت، ولتاژ اعمالی به دو سر سیم‌پیچی، بین حلقه‌های آن به طور تقریباً خطی تقسیم می‌شود و تمام حلقه‌ها تقریباً به یک نسبت تحت تنش ولتاژ قرار می‌گیرند، در حالی که در هنگام برخورد این امواج، ظرفیت‌های بسیار کوچک خود را نشان داده و سیستم به صورت نوسانی عمل می‌کند، بنابراین در این حالت رفتار متفاوتی نسبت به فرکانس قدرت مواجه هستیم.

در فرکانس نامی و با صرفنظر از مقاومت اهمی، سیم‌پیچی ترانسفورماتور مانند یک اندوکتانس خالص عمل می‌کند و تأثیر ظرفیت‌های خازنی کوچک سیم‌پیچی نیز ناچیز می‌باشد، اما در فرکانس‌های بالاتر راکتانس سیم‌پیچی خیلی بزرگ می‌شود و در این حالت راکتانس ناشی از ظرفیت‌های خازنی به شدت کاهش می‌یابد. در نتیجه جریان‌هایی با فرکانس بالا، از مسیر خازن‌ها عبور می‌کنند، مثلاً اگر یک موج مربعی به سیم‌پیچ ترانسفورماتور برسد، توزیع ابتدایی ولتاژ را ظرفیت‌های خازنی تعیین می‌کنند چرا که پیشانی موج مربعی دارای طیف بسیار وسیعی می‌باشد و توزیع نهایی ولتاژ به اندوکتانس‌ها بستگی دارد، زیرا با صرفنظر از پیشانی موج مربعی این موج به صورت یک ولتاژ ثابت با فرکانس صفر می‌باشد.

از آنجایی که در یک ترانسفورماتور، توزیع اندوکتانس‌ها عملاً یکنواخت است، بنابراین توزیع نهایی نسبت به توزیع ابتدایی یکنواخت‌تر می‌شود، به هرحال توزیع ابتدایی ولتاژ غیریکنواخت بوده چرا که بین سیم‌پیچی‌ها و هسته و تانک ترانسفورماتور علاوه بر ظرفیت‌های بین حلقه‌های سیم‌پیچی، ظرفیت‌های خازنی قابل ملاحظه‌ای وجود دارد. از طرفی جریان این خازن‌ها به زمین، بایستی از طریق خازن‌های بین حلقه‌ها عبور نماید و به همین دلیل بخش بزرگی از ولتاژ، روی حلقه‌های نزدیک به ترمینال ترانسفورماتور می‌افتد. بین این دو حالت، یعنی، توزیع ابتدایی و توزیع نهایی ولتاژ نوسانی رخ می‌دهد که ممکن است ولتاژ‌ها و گرادیان‌های ولتاژ اضافی به وجود آید.

نوسانات ناشی از موج ضربه غالباً پیچیده و مرکب می‌باشد و لذا بررسی مسأله اضافه ولتاژ‌های درون یک سیم‌پیچی به مشخصه‌های سیم‌پیچ مورد مطالعه، نوع اتصال انتهای آن و فرکانس‌های موجود در موج ضربه مذکور بستگی دارد.

اگر فرکانس نوسانات تقریباً برابر فرکانس طبیعی اصلی سیم‌پیچی یا یکی از هارمونیک‌های فرکانس طبیعی سیم‌پیچی باشد، خطر بزرگی وجود دارد و آن اینکه ممکن است اضافه ولتاژ‌های موضعی و گرادیان ولتاژ بالا در سیم‌پیچی‌ها به وجود آید.

در بررسی تئوری رفتار سیم‌پیچی‌ها، منحنی‌های به دست آمده بر اساس فرضیاتی است که در عمل همخوانی ندارد، اما خوشبختانه این فرضیات عموماً شرایطی به وجود می‌آورند که بدتر از شرایط عملی است مانند فرض حذف کردن مقاومت‌های اهمی، به گونه‌ای که نتایج به دست آمده از مطالعات تئوری مطمئن می‌باشد.

برای دریافت فایل کامل این گزارش لینک زیر را کلیک نمایید