بخشی از مقاله
چکیده
- یکی از تستهای روتین ترانسفورماتورهای قدرت، تست ولتاژ اعمالی1 میباشد. در این تست خازن های پراکندگی ترانسفورماتور توان راکتیو به شبکه تزریق میکنند که باعث محدود شدن ظرفیت ظرفیت منبع تغذیه، کابل های مسیر و اتوترانسفورماتور میشود. یکی از روش متداول برای کاهش شدت یا رفع این مشکل قرار دادن یک راکتور به صورت موازی با سیمپیچی اولیه ترانسفورماتور کاسکاد یا فشار قوی ، برای جذب توان راکتیو ناشی از خازن های پراکندگی ترانسفورماتور میباشد.
برای این منظور نیاز به یک راکتور متغیر با رنج ولتاژ و جریان متنوع میباشد. در این مقاله ایده و طرح یک راکتور با ویژگی های ذکر شده ارائه میشود. برای این منظور ابتدا انواع مختلف راکتورهای متغیر موجود مورد بررسی قرار میگیرد و معایب و محاسن آنها، مکانیزم و سرعت عملکردشان و کاربردهایشان ذکر میگردد. سپس ایده مورد نظر مطرح گشته و چند طرح کاربردی برای پیاده سازی این روش پیشنهاد میشود. در نهایت با فرض مشخص بودن تعداد سیم پیچ ها و ولتاژ و جریان نامی آن، مناسبترین طرح از بین طرحهای پیشنهادی تعیین میشود.
کلید واژه- تست ولتاژ اعمالی ، راکتور شنت متغیر، COMSOL Multiphysics
-1 مقدمه
تست ولتاژ اعمالی یکی از تستهای روتین برای ترانسفورماتور میباشد. هدف از انجام این تست، تائید صحت عایقبندی بین سیمپیچ فشار قوی و فشار ضعیف، و همچنین بین سیمپیچ با ه سته و بدنه در برابر ا ضافه ولتاژهای کلیدزنی و موقتی است که ممکن است برای ترانسفورماتور پیش بیاید. برای انجام این تست تمام ترمینال های فشار قوی به یکدیگر و تمام ترمینالهای فشار ضعیف به هم وصل می شوند و ولتاژ تکفازی با فرکانس نامی به یک سمت اعمال می شود و سمت دیگر زمین می شود.
به دلیل اتصال تمام سرهای سیم پیچ ها به یکدیگر، ولتاژ تمام نقاط سیمپیچ با یکدیگر برابر است بنابراین هیچ گونه ولتاژی در سیمپیچ القا نمیگردد یا به عبارت دیگر ولتاژ دو سر سلف و خازن های سری مدار معادل سیمپیچی ترانسفورماتور صفر میبا شد. در این حالت دو سر خازنهای موازی مدار معادل سیم پیچ که نا شی از خازن بین سیم پیچی تحت تست و سایر قسمتهای ترانسفورماتور که زمین شده است میباشد ولتاژ ورودی اعمال می شود، خازن بو شینگ نیز بر این ظرفیت خازنی تأثیرگذار است.
بنابراین یک جریان خازنی ناشی از این خازنهای پراکندگی موازی تران سفورماتور به شبکه تزریق می شود. جریان نا شی از هدایت الکتریکی G که مربوط به تلفات دیالکتریک این خازنهای سری میباشد نیز با این جریان خازنی جمع میگردد. هنگام تست ول تاژ اع مالی، گاهی او قات خازن برخی ترانسفورماتورها خیلی بزرگتر از حد معمول میشود و این واب سته به ابعاد و ظرفیت نامی تران سفورماتور و ... میباشد .
وقتی خازن ترانسفورماتور تحت تست بزرگ میشود، جریان خازنی کشیده شده از ژنراتور نیز افزایش مییابد. این افزایش جریان گاهی از ظرفیت نامی اتوترانسفورماتور متغیر آزمایشگاه یا ظرفیت منبع بیشتر میشود و انجام تست را غیرممکن میکند. برای حل این مشکل باید با استفاده از یک راکتور شانت، مقداری از جریان یا توان راکتیو خازنی جذب شود.
از طرفی، در یک آزمایشگاه فشار قوی ترانسفورماتورهای مختلف با ظرفیت و سطح ولتاژهای متفاوت تست میشوند که در واقع خازنهایی با ظرفیت و ولتاژ مختلف میبا شند بنابراین جبران این خازن ها نیازمند یک راکتور 1 Applied Voltage با ظرفیت و سطح ولتاژ متغیر میباشد. همچنین ممکن است که ترانسفورماتوری با سطح ولتاژ پایینتر به دلیل بزرگتر بودن ظرفیت و ابعاد، دارای ظرفیت پراکندگی بیشتری باشد و توان راکتیو بیشتری تولید کند.
پس راکتور متغیر مورد نظر باید بتواند در سطح ولتاژهای مختلف تحت ظرفیت نامی خود کار کند و یا در مواردی در ولتاژ پایینتر باید بتواند توان راکتیو بیشتری جذب کند. با توجه به نکات ذکر شده به نظر میر سد راکتور مورد نظر باید دارای رنج تغییرات بسیار زیادی باشد. در این مقاله ابتدا انواع مختلف راکتور های متغیر موجود مورد بررسی قرار میگیرد و معا یب و م حاسن آن ها، م کانیزم، سر عت عملکردشان و کاربردهای شان ذکر می شود.
سپس ایده مورد نظر ارائه گ شته و چند طرح مختلف با توجه به این ایده مطرح می شود. این طرحها در نرمافزار COMSOL Multiphysics شبیهسازی شده و معایب و مزایای آن با هم مقای سه میگردند. در نهایت نیز طرح منا سب از بین طرح های ارائه شده انتخاب میشود.
-2 انواع راکتور متغیر
1؛-2 راکتور کنترل شونده با تریستور - TCR2 -
یکی از معروفترین نوع راکتور شانت متغیر، راکتور کنترل-شونده با تریستور میباشد که این نوع راکتور در صنعت بسیار مورد استفاده قرار میگیرد. این نوع راکتور اولین بار در سال 1978 میلادی مورد استفاده قرار گرفت. در این نوع راکتورها از یک راکتور ثابت استفاده میشود که با یک تریستور فرمان قطع و وصل داده میشود. زاویه هدایت تریستور از 0 تا 180 درجه میتواند باشد در نتیجه تریستور در هر زمان که بخواهد میتواند فرمان وصل را اعمال کند.
با تغییر زاویه آتش، اندازه زاویه هدایت تریستور تغییر میکند و به این ترتیب مقدار اندوکتانس مشاهده شده توسط شبکه نیز تغییر میکند یعنی راکتور ثابت برای شبکه به صورت یک راکتور متغیر رفتار میکند. با تغییر اندوکتانس راکتور میزان توان راکتیو دریافتی توسط راکتور نیز تغییر میکند. در واقع با کاهش زاویه هدایت مقدار موثر جریان کشیده شده از شبکه نیز کاهش مییابد در نتیجه توان راکتیو کمتری از شبکه دریافت می-شود.
راکتور شانت کنترلشونده با تریستور به دلیل کلیدزنی تریستور هارمونیک های مرتبه 5، 7 و بالاتر تولید میکنند که از معایب این نوع راکتورها میباشد. معمولا در شبکه برای رفع 2 Thyristor Controlled Reactor هارمونیک مرتبه 5 از ات صال مثلث ا ستفاده می شود. همچنین با تقسیم راکتور به دو قسمت و اتصال آنها به صورت ستاره و مثلث میتوان هم هارمون یک مرت به 5 و هم هارمون یک مرت به 7 را کاهش داد. سرعت عملکرد این نوع راکتور متغیر، 1 تا 3 سیکل میباشد .[1]
2؛-2 راکتور شنت کنترل شونده مغناطیسی
- MCSR3 - این نوع راکتور یک نوع جدید از ادوات FACTS میباشد که اولین بار در سال 1990 میلادی برای جبران توان راکتیو و حفظ پایداری ولتاژ به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفت. یکی از دلایل گسترش این نوع از راکتور طول عمر زیاد، شباهت آن به طراحی ترانسفورماتورهای شبکه قدرت و نگهداری آسان و قیمت ارزان آن میباشد. این نوع راکتور بدون نیاز به هیچگونه ترانسفورماتور افزاینده ای میتواند به شبکه فشارقوی در هر سطح ولتاژی وصل شود.
MCSR در واقع یک ترانسفورماتور شانت دارای سوئیچهای نیمه هادی میباشد که با اصل اشباع هسته کار میکند. در این نوع از راکتور در هر فاز یک سیمپیچ کنترل و یک سیمپیچ فشارقوی وجود دارد که هر دو بر روی دو هسته صلب قرار دارند. زمانی که یک ولتاژ DC به سیمپیچ کنترل اعمال میشود شار مغناطیسی حاصل از این ولتاژ DC با شار مغناطیسی حاصل از ولتاژ فشار قوی جمع شده و در نتیجه باعث جابجایی شار هسته و اشباع هسته شود. با اشباع هسته مقدار اندوکتانس هسته تغییر میکند و در نتیجه مقدار توان راکتیو دریافتی از شبکه نیز تغییر میکند. یعنی با تغییر مقدار ولتاژ DC و تعیین میزان اشباع هسته راکتور، اندازه اندوکتانس راکتور و در نتیجه ظرفیت راکتور تعیین میشود.
ولتاژ DC تغذیه کننده سیمپیچ کنترل از یک سیمپیچ جبران-کننده که بر روی MCSR نصب شده است یا از یک ترانسفورماتور دیگر، تامین میشود. برای یکسوسازی ولتاژ نیز از تریستورهای کوچک قدرت استفاده میشود که دوره عملکرد آن با اختلاف ولتاژ تعیین شده با ولتاژ اندازه گیریشده، متناسب است. سرعت عملکرد MCSR حدود0,3 تا 1 ثانیه میباشد که در مقایسه با TCR سرعت عملکرد کمتری دارد .[3]
3؛-2 راکتور شنت متغیر با تغییر رلوکتانس
این نوع راکتور توان راکتیو خروجی مورد نیاز را با تغییر 3 Magnetically Controlled Shunt Reactor رلوکتانس مسیر تأمین میکند، برای این منظور راکتور از یک هسته استوانه ای متحرک استفاده میکند. این راکتور از چندین یوغ C شکل ثابت، مطابق شکل- 2 تشکیل شده است که در بین آنها، هسته های ا ستوانه ای شکل وجود دارند که تو سط یک سری موتور و چرخدنده جابجاشده و دارای این قابیلت هستند که به یکدیگر نزدیک شده و درمرکز سیم پیچ قرار گرفته و یا به طور کامل از آن خارج شوند. با جابجایی این هسته های استوانه ای شکل، اندوکتانس راکتور و در نتیجه توان راکتیو دریافتی آن تغییر میکند.
از آنجایی که در این مکانیزم تغییر رلوکتانس به صورت مکانیکی صورت میگیرد سرعت عملکرد این مکانیزم در مقایسه با سایر مکانیزم ها ب سیار کندتر است و مدت عملکرد این مکانیزم در حدود چند دقیقه میباشد.
4؛-2 راکتور شنت تپدار
شبکه برق بسته به شرایط بهره برداری و بار شبکه ممکن است نیازمند یک یا چندین واحد راکتور برای جذب توان راکتیو موجود در شبکه باشد. در چنین وضعیتی در بعضی موارد اقتصادی تر این است که به جای چند واحد، یک واحد به اندازه ظرفیت مجموع آنها موجود باشد. راکتور شانت تپدار از این نوع راکتور میباشد. در این نوع راکتور چندین تپ وجود دارد که با تغییر این تپها اندوکتانس و در نتیجه توان راکتیو دریافتی از شبکه تغییر میکند.
برای تغییر تپ از تپچنجر با قابل یت عملکرد در حین بارداری استفاده میشود که در ترانسفورماتورهای قدرت در سطوح انتقال نیز استفاده میشود و بسیار مرسوم میباشد. سرعت عملکرد این راکتور به سرعت عملکرد تپچنجر آن بستگی دارد. همانطورکه از شکل- 3 مشاهده میکنید برای حفظ فاصله عایقی سر ف شارقوی سیمپیچی از بدنه راکتور این سر در و سط سیم پیچ قرار دارد و از وسط تانک خارج می شود. سرهای نوترال سیمپیچ در طرف سیم پیچی قرار دارند که تپهای راکتور نیز در این سر قرار دارند.
علاوه بر روشهای ذکر شده در بالا که روش های معمول برای ساخت راکتور شانت متغیر میباشند، روش دیگری نیز وجود دارد که این روش راکتور شانت کنترلپذیر با پراکندگی شار4 میباشد. در این روش علاوه بر سیمپیچ ا صلی یک سیم پیچ کنترل کننده نیز وجود دارد که میتواند اتصال کوتاه و یا مدار باز باشد. در حالت مدار باز شار از این سیم پیچ و از طریق هسته عبور میکند و در نتیجه مقدار اندوکتانس زیاد میباشد ولی در صورتی که سیم پیچ اتصال کوتاه باشد شار مغناطیسی باید م سیر خود را از هوا ببندد و در نتیجه مقدار اندوکتانس کاهش مییابد .[5]
