بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ترانسفورماتور فرکانس متغیر((VFT فنآوريبراي انتقال آسنکرون توان
چکیده:
ترانسفورماتور فرکانس متغیر (Variable Frequency Transformer )VFT یک عنصر کنترل پذیر و دو طرفه توان است که به منظور اتصال و انتقال توان بین دو شبکه سنکرون و آسنکرون مورد استفاده قرار میگیرد. ساختار و ویژگیهاي این ترانسفورماتور به گونهاي است که میتواند بین دو شبکه با فرکانسهاي متفاوت نیز عمل کند. ترانسفورماتور فرکانس متغیر از یک ماشین گردان که بسیار شبیه ماشینهاي القایی معمولی است تشکیل شده است. این ترانسفورماتور همانند یک مبدل پشت به پشت عمل میکند. با این تفاوت که مسائل مهمی از قبیل هارمونیک و رزونانس در شبکههایی که از VFT استفاده میکنند، وجود ندارد. کنترل جهت و مقدار توان انتقالی بین دو شبکه آسنکرون که توسط ترانسفورماتورهاي فرکانس متغیر به یکدیگر متصل شدهاند، توسط موتور dc و درایور کنترل کننده سرعت متغیر آن صورت میگیرد. این ترانسفورماتورها میتوانند به عنوان یک جایگزین مناسب براي مبدل الکترونیک قدرت ذکر شده باشد. این مقاله به مرور کلی در مورد اجزاي اصلی و بررسی ساختار یک VFT، مدل سازي و کاربردها و نمونه هاي عملی ترانسفورماتورهاي فرکانس متغیر میپردازد.
کلید واژه: ترانسفورماتور فرکانس متغیر، اتصال آسنکرون، انتقال دوطرفه توان، انعطاف پذیري سیستم انتقال قدرت، ترانسفورماتور چرخان.
-1 مقدمه
با پیشرفت سیستمهاي قدرت و گسترش آن نیاز به اتصال دو شبکه مختلف به منظور تبادل توان نیز گسترش پیدا کرد. از آنجایی که این دو شبکه دلخواه در حالت کلی میتوانند نسبت به یکدیگر آسنکرون باشند، نیاز به یک سیستم مبدل فرکانسی به منظور اتصال این دو شبکه احساس میشود. ایدههاي متفاوتی به منظور این تبدیل مطرح شده است. یکی از مهمترین این ایدهها استفاده از مبدلهاي الکترونیک قدرت است. این مبدلها میتوانند توان با دامنه ولتاژ و فرکانس دلخواه را به توان با دامنه ولتاژ و فرکانس دیگري تبدیل کنند. استفاده از روشهاي مبتنی بر الکترونیک قدرت معایبی همچون محدودیتهاي ساختاري مبدلهاي الکترونیک قدرت و مشکلات مربوط به هارمونیک و مسئله رزونانس را دارد.
براي اولین بار در جهان ترانسفورماتور فرکانس متغیر (VFT) در سال 2003 توسط شرکت جنرال الکتریک (GE) ساخته و در پست 315/120kv لنگلویس واقع در حدود 60 کیلومتري جنوب غربی مونترال در ایالت کبک کانادا به بهره برداري رسید.[1]
VFT پس از انجام انواع آزمونها در کارخانه سازنده، در آوریل سال 2004، به یک شبکه محلی انتقال یافت تا به عنوان یک جابجاگر فاز موازي در مدار قرار گیرد. هشت ماه بعد با توجه به عملکرد قابل قبول به عنوان یک جابجاگر فاز، براي عملکرد آسنکرون در دسامبر 2004 آماده شده و در آوریل سال 2005 به طور کامل مورد بهره برداري قرار گرفت. اگر چه ایده VFT جدید است اما از تکنولوژيهاي متداول نظیر موتور DC، ژنراتورهاي القایی و درایورهاي الکترونیک صنعتی کنترل سرعت متغیر استفاده میکند. [2]
شکل (1) موقعیت جغرافیایی VFT و پست لنگویس را نشان میدهد. مطابق شکل، VFT از یک سو در مدار 120 کیلو ولتی پست 315/120 کیلو ولتی لنگلویس قرار گرفته و از سوي دیگر
به پست les cedres متصل است و ولتاژ این سمت نیز 120 کیلو ولت میباشد. VFT لنگلویس قادر است توان 100 مگاواتی را بین شبکههاي قدرت کبک (کانادا) و نیویورك (آمریکا) منتقل کند. لازم به ذکر است که سیستم کبک در کانادا با دیگر سیستم آمریکاي شمالی آسنکرون است.
یک VFT از سه قسمت کلکتور، درایور موتور و ترانسفورماتور چرخان مطابق شکل (2) تشکیل شده است.[2][3]
-1-2 آرایش و طرح بندي پست لنگلویس
شکل (4) آرایش سه بعدي فیزیکی پست 200 مگاواتی لنگلویس را نشان میدهد. این پست شامل دو واحد ترانسفورماتور فرکانس متغیر 100 مگاواتی است. ترانسفورماتورهاي چرخان، درایورها و موتورها، کلکتور و سیستمهاي تهویه در ساختمان بزرگ نشان داده شده در شکل قرار گرفتهاند. این در حالی است که سیستمهاي حفاظتی، کنترلی و اضطراري این پست در ساختمان کوچکتر تعبیه شدهاند.
یک کلکتور سه فاز ایزوله در قسمت فوقانی سیستم چرخان قرار دارد. کلکتور از تکنولوژي رایج جاروبک ذغالی و حلقه لغزان مسی استفاده میکند. حلقههاي کلکتور توسط یک باس سه فازه که در قسمتهاي توخالی تعبیه شده در شفت موتور قرار داده شدهاند، به سیم بنديهاي روتور متصل هستند.
-2 مشخصات کلی پست لنگلویس
شکل (3) دیاگرام ساده شده تک خطی از ترانسفورماتور فرکانس متغیر لنگلویس را نشان میدهد که متشکل از اجزا زیر است:
(1 یک ترانسفورماتور چرخشی 100 مگاواتی 17 کیلو ولتی
(2 یک موتور DC با توان نامی 3000 اسب بخار و سیستم کنترلی درایور سرعت متغیر
(3 سه بانک خازن 25 مگاواري سوئیچ شونده موازي
(4 دو ترانسفورماتور قدرت معمولی120/17 کیلو ولتی
لازم به ذکر است که پست ترانسفورماتور فرکانس متغیر لنگلویس به گونهاي طراحی شده که قابلیت گسترش و افزودن یک ترانسفورماتور چرخان 100 مگاواتی دیگر را نیز دارد. پست مورد نظر در منطقهاي با مساحت مناسب به گونهاي نصب شده که میتواند بانکهاي خازنی، ترانسفورماتورهاي قدرت و دیگر تجهیزات مورد نیاز VFT دوم را در خود جاي دهد.[11][8][1]
شکل :3 دیاگرام ساده تک خطی از ترانسفورمر فرکانس متغیر لنگلویس
-3 اصول عملکرديVFT
VFT از یک ترانسفورماتور گردان که هر دو طرف استاتور و رتور آن به صورت سه فازه سیم پیچی شدهاند تشکیل شده است. سیم بندي رتور واستاتور از نظر تعداد قطب، گام سیم بندي، گام کسري و توزیع پذیرکاملاًي یکسان هستند. این قسمت از یک VFTکاملاً مشابه یک ماشین آسنکرون (موتور القایی) روتور سیم پیچی شده است. یک کلکتور سه فازه نیز جریان شبکه و روتور را به هم مرتبط میکند. دو شبکه مجزا نیز به روتور و استاتور یک VFT متصل میگردند.
توان الکتریکی از طریق انرژي مغناطیسی فاصله هوایی از استاتور به روتور و یا برعکس منتقل میشود. یک موتور DC به همراه یک درایور سرعت متغیر وظیفه کنترل سرعت و به تبع آن فرکانس خروجی VFT را بر عهده دارند. این درایور با کنترل و تنظیم گشتاور و جهت چرخش به گونهاي عمل میکند که فرکانس خروجی ثابت و در مقدار مطلوب باقی بماند. بنابر این وظیفه کنترل اندازه و جهت توان در یک VFT بر عهده موتور DC و درایور سرعت متغیر آن است.[14] [1]
سیستم قدرت با اختلالات مختلفی مواجه است که میتواند منجر به تغییر در مقدار فرکانس و دامنه سیگنالهاي موجود در شبکه قدرت شود. از اختلالات موجود در شبکه قدرت میتوان از تغییر ناگهانی بارها شامل افزایش و یا کاهش بار و حتی خروج ناگهانی خطوط بزرگ از مدار نام برد. این اختلالات میتوانند منجر به تغییر در نقطه کار سیستم قدرت شوند. بنابراین یک VFT باید بتواند در مقابل این اختلالات که ممکن است در هر یک از این دو منطقه رخ دهد عکسالعمل مناسب از خود نشان داده و در هر صورت توان انتقالی را ثابت نگه دارد. بدین منظور یک سیستم حلقه بسته کنترلی مناسب میتواند در تنظیم توان روي مقدار دلخواه کمک کند. این سیستم کنترلی با مقایسه توان انتقالی و توان مورد نظر((Set Point، گشتاور مرجع موتور DC را به صورت تابعی از اختلاف توان انتقالی و مقدار دلخواه مورد نظر تولید کرده و درایور گشتاور موتور را به این مقدار مطلوب میرساند.
شکل (5) عملکرد یک VFT نصب شده واقعی (در پست لنگلوئیس) در شرایط بحرانی و در اثر اختلال در شبکه را نشان میدهد. نمودارهاي زیر عملکرد صحیح سیستم کنترلی VFT در
شرایط ایجاد اختلال را تایید میکنند. همانطور که در این شکل نیز مشخص است اپراتور توان انتقالی مطلوب را با شیب مشخص به سیستم VFT تا توان انتقالی 100 مگاواتی بالا برده و سپس به مقدار -100 مگاوات میرساند. فرکانس ورودي و خروجی این شبکه 60 هرتز بوده که نشان دهنده عملکرد سنکرون دو شبکه است. همانطور که در شکلهاي سوم و چهارم میبینید، اختلال در ژنراتور متصل به شبکه ثانویه منجر به کاهش لحظهاي فرکانس در لحظه 44 ثانیه شده است. در این لحظه سیستم کنترلی VFT سرعت روتور را افزایش داده و منجر به افزایش فرکانس و بازیابی شبکه ثانویه شده است. [14] [1]
نتایج بدست آمده در این تست عملی نشان میدهد که VFT به عنوان یک اتصال دهنده دو شبکه آسنکرون به نسبت مبدل back-to-back، عملکرد مطلوبتري از خود نشان میدهد. این مسئله به خصوص در توانهاي پایین و در حدود 10 درصد توان نامی به شدت قابل مقایسه است. [11]
VFT در این شرایط عملکرد مطلوب و آرامتري از خود نشان داده است. لازم به ذکر است که عملکرد آرام و نوسانات بسیار کم در توان انتقالی نشان داده شده در این شکل در شرایطی است که شبکه سمت روتور اتصال کوتاه اتفاقی داشته است. تغییرات فرکانس به وجود آمده نیز در عملکرد مناسب کنترل کننده تأثیر چندانی نداشته و شبکه VFT به خوبی به نقطه کار خود بازگشته است.[11]
-4 مدلسازي ترانسفورماتورهاي فرکانس متغیر
توصیف ریاضی میتواند به طراحی کنترل کنندهها و توجیه رفتار فیزیکی یک VFT تحت شرایط مختلف کمک به سزایی کند. شکل (6) دیاگرام فازوري ترانسفورماتور چرخان را نشان میدهد.
با توجه به دیاگرام فازوري توان انتقالی یک VFT را میتوان به صورت زیر تقریب زد:
که در آن:
: توان انتقالی از استاتور به روتور
: اندازه ولتاژ سمت ترمینال استاتور
: اندازه ولتاژ سمت ترمینال روتور
: راکتانس مجموع بین استاتور و روتور
: زاویه فاز ولتاژ سمت استاتور نسبت به فازور مرجع
: زاویه فاز ولتاژ سمت روتور نسبت به فازور مرجع
: زاویه فاز روتور ترانسفورماتور چرخان نسبت به
استاتور
: زاویه فاز نشان داده در دیاگرام فازوري است
توان ماکزیممی که میتوان به صورت تئوري در یک VFT انتقال داد برابر است با:
که زمانی اتفاق خواهد افتاد که قدر مطلق زاویه نزدیک 90 درجه باشد. به عبارت دیگر:
