بخشی از مقاله
چکیده — امروزه ترانسفورماتورهایی که داراي هستهاي از جنس فلز آمورف هستند داراي جایگاه مهمی در بازار برق میباشند، به دلیل اینکه در مقایسه با ترانسفورماتورهایی با هستهاي از جنس استیل سیلیکون حدود % 70-60 تلفات بیباري را کاهش میدهند . به منظور بهبود در طراحی و همچنین صرفه جویی در وقت و هزینه براي تولید ترانسفورماتورهایی با هسته اي از جنس آمورف تحلیلهاي عددي شرایط بیباري همانند شرایط بارداري یکی از مهمترین فاکتورها می- باشد و باید به شدت مورد توجه قرار گیرند. در این مقاله یک نمونه ترانسفورماتور 100 کیلو ولت آمپري به وسیله نرمافزار روش اجزاي محدود شبیه سازي شده و تلفات بیباري آن مورد بررسی قرار گرفته است. چگونگی و مشخصات تحلیل در داخل متن آورده شده است، همچنین نتایج شبیهسازي نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
.1 مقدمه
رشد و پیشرفت در زمینه برق و صنعت برق نیاز به استفاده مفید از انرژي و تمامی زمینههاي فنی آن دارد.[ 1] در یک سیستم قدرت متعارف تلفات به دو بخش تلفات انتقال و تلفات توزیع تقسیم میشود، که حدود % 3- 2 مربوط به تلفات خط و % 6- 5 مربوط به تلفات ترانسفورماتور میباشد. تلفات ترانسفورمات ور به دو مؤلفه تلفات بیباري و بارداري تقسیم میشود. تلفات بیباري در حدود % 3- 2 تولید می-باشد2]،.[ 3 بنابراین امري مشهود است که کاهش این تلفات یکی از فاکتورهاي مهم در ترانسفورماتورهاي توزیع میباشد. واضح است که درصورت کاهش تلفات نیاز به تولید نیز کمتر میشود، در نتیجه، این امر باعث کاهش تولید گازهاي گلخانهاي میشود.
آزمایشها نشان میدهند که کاهش تلفات بیباري در ترانسفورماتور باعث کاهش هزینه در ساخت و نگهداري ترانسفورماتور میشود.[4] یکی از بهترین راه حلها براي حل این مشکل استفاده از ترانسفورماتورهاي هسته آمورف میباشد. آزمایش هاي انجام شده حاکی از این قضیه است که فلز آمورف در مقایسه با استیل سیلیکون حدود % 70- 60 تلفات بی-باري را کاهش میدهد2]،4،.[5 در بخش دوم این مقاله مقایسهاي بین فلز آمورف و استیل سیلیکون انجام شده است، در بخش سوم آزمایش-هاي بیباري و بارداري شرح داده شده است. در بخش چهارم نتایج عددي با توجه بیشتر بر روي محاسبات تلفات بی باري آورده شده و سرانجام در بخش آخر نیز نتیجه گیري با توجه به تحلیلهاي انجام شده آورده شده است.
2. بررسی فلز آمورف براي بهکارگیري در هسته ترانسفورماتور و مقایسه آن با استیل سیلیکون در دهه 1970 گرایش به ترانسفورماتورهاي هسته آمورف افزایش پیدا کرده بود. در آن زمان بازده انرژِي در سیستمهاي توزیع برق به صورت قابل قبولی در حال افزایش بود.[6] در اواسط دهه 1990 این گرایش به دلیل کاهش هزینه انرژي افت کرد.
بعلاوه هزینههاي داخلی ترانسفورماتر هسته آمورف بیشتر از ترانسفورماتور هسته استیل کریستالی سیلیکون میباشد : اول اینکه ماده آمورف خیلی گرانتر از استیل سیلیکون میباشد و دوم اینکه حد اشباع چگالی شار مغناطیسی فلز آمورف کمتر از استیل سیلیکون می باشد. که این امر باعث افزایش اندازه و حجم ترانسفورماتور هسته آمورف میشود که در نتیجه افزایش هزینه را در پی خواهد داشت.
به هر حال این هزینهها در طول عملکرد ترانسفورماتور و با توجه به افزایش بازدهی قابل جبران خواهند بود. این روزها ترانسفورماتورهاي هسته آمورف به شدت مورد توجه قرار گرفتهاند و از نظر هزینه نیز با دیگر ترانسفورماتورها در حال رقابت هستند. این امر به دلیل تغییراتی است که اخیرا بهوجود آمده است: افزایش اخیر هزینههاي انرژي، غیرقابل اعتماد بودن و غیرقابل پیشبینی بودن هزینه و مقدار سوختهاي فسیلی و افزایش هزینه مواد خام هاديها و هسته ترانسفورماتورها
1]،.[4 فلز آمورف به وسیله انجمادسازي سریع فاز مایع آلیاژ فوقالعاده آهن-سیلیسیم-بور تهیه میشود که برخلاف استیل کریستالی سیلیکون داري ساختار اتمی نامنظمی میباشد.2]،6،. [7
فقدان این نظم در ساختار اتمی فلز آمورف باعث کاهش تلفات هسته برخلاف استیل سیلیکون می شود. این تلفات هسته به دو بخش تلفات مغناطیس شوندگی و تلفات جریان گردابی تقسیم میشوند. تلفات مغناطیس شوندگی در طی عملکرد ترانسفورماتور در فرکانسهاي صنعتی که به دلیل مغناطیس شدن و مغناطیسزدا شدن هسته ترانسفورماتور در فرکانس شبکه قدرت رخ میدهد.
تلفات جریان گردابی در هسته در نتیجه بهوجود آمدن میدان الکتریکی در مواد هسته به وسیله چگالی شار مغناطیسی متغیر با زمان ایجاد میشوند. اندازه تلفات مغناطیس شوندگی مواد مغناطیسی توسط ناحیهاي که حلقه هیسترزیس در نمودار B-H در برمیگیرد تعیین میشود. با دقت در شکل - - 1 مشهود است که حلقه هیسترزیس فلز آمورف در مقایسه با استیل سیلیکون کوچکتر میباشد، همچنین با توجه به نفوذپذیري نسبی که با توجه به منحنی B-H در شکل - - 1 قابل مشاهده است، میتوان این مفهوم را بهتر درك کرد.
تلفات جریان گردابی در هسته با افزایش مقاومت الکتریکی آلیاژ فلز آمورف کاهش مییابد. با توجه به ساختار اتمی نامنظم فلز آمورف و مواد حل شده زیاد در این فلز مسیر حرکت الکترونها محدود می-باشد که این امر در مورد استیل سیلیکون صادق نیست، همین امر موجب افزایش مقاومت الکتریکی میشود. بعلاوه ضخامت خیلی کم ورقههاي آلیاژ فلز آمورف در مقایسه با ورقههاي استیل سیلیکون منجر به افزایش مقاومت الکتریکی میشود.
بالا بودن مقاومت الکتریکی باعث کمینهشدن تلفات جریان گردابی در هسته میشود6]،.[7 از طرف دیگر با توجه به ساختار اتمی فلز آمورف و شکل - - 1 از آنجایی که حد اشباع چگالی شار مغناطیسی فلز آمورف پایین میباشد این امر باعث میشود براي تنطیم چگالی شار مغناطیسی در هسته لایههاي هسته را افزایش دهند که منجر به افزایش حجم ترانسفورماتور شده و در نتیجه هزینه داخلی ساخت هر واحد ترانسفورماتور افزایش مییابد.
.3 آزمایشهاي بیباري و بارداري برروي ترانسفورماتورها
موضو عی که در روند طراحی ترانسفورماتورها به شدت مورد توجه قرار میگیرد کمینه کردن تلفات می باشد که این تلفات به دو بخش تلفات بیباري و بارداري تقسیم میشوند. تلفات بی باري که به تلفات هسته یا تلفات آهنی نیز معروف میباشد مقدار توان فعالی است که در طی روند مغناطیس شوندگی - برقدار کردن - هسته ترانسفورماتور هدر میرود9]،.[14 چون اکثر ترانسفورماتوهاي توزیع همیشه در حال برقدار شدن - مغناطیس شدن - هستند، تلفات بیباري در تمام زمانها وجود دارد، چه زمانی که بار به ترانسفورماتور متصل باشد و چه زمانی که بار به ترانسفورماتور متصل نباشد.
هنگامی که بخشی از بار به ترانسفورماتور متصل باشد، زمانی است که تلفات بیباري بیشترین نسبت تلفات را شامل میشود. در چند مقاله که ترانسفورماتوهاي توزیع هسته آمورف مورد بررسی قرار گرفتند، همگی تلفات بیباري را در مقایسه با ترانسفورماتورهاي استیل سیلیکونی مورد تحلیل و ارزیابی قرار دادهاند5]،.[9 در همه تحقیقاتی که انجام شده تاکید اصلی بر روي کاهش تلفات بیباري به وسیله استفاده از ترانسفورماتورهاي هسته آمورف می باشد. با دقت در شکل - - 2 اهمیت کاهش تلفات بی- باري به آسانی قابل درك و فهم خواهد بود. به طور معمول وقتی ترانسفورماتورهاي توزیع در گستره % 40-30 بیشینه مقدار بار عمل میکنند تلفات بیباري بر تلفات بارداري چیره است اما از این گستره به بالا تلفات بارداري به شدت افزایش مییابد.
.A مشخصات تحلیل تلفات بیباري
تلفات بیباري مربوط به توانی است که ترانسفورماتور در ولتاژ نامی از شبکه میکشد تا زمانی که سیمپیچهاي ثانویه باز میباشند9] ،.[14 این تلفات به طور عمده شامل تلفات هیسترزیس و تلفات جریان گردابی میباشد. تلفات هیسترزیس همان توانی است که براي مغناطیس شوندگی و مغناطیس زدا شوندگی هسته هدر میرود و تلفات جریان گردابی در هسته همان تلفات اهمی است که به خاطر جریانهاي گردابی که توسط چگالی شار متغیر با زمان بهوجود میآید ایجاد میشوند.
در این شبیهسازي سیمپیچهاي فشار قوي - سیمپیچهاي اولیه - به وسیله ولتاژ نامی برقدار - انرژي دار - می شوند، در حالی که سیمپیچ-هاي فشار ضعیف - ثانویه - باز هستند. در این حالت جریان منتجه در سیم پیچ هاي اولیه فقط درصدي از جریان نامی میباشد. بنابراین هیچ تلفات دیگري - در سیمپیچها یا دیگر بخشها - بر روي تلفات بی- باري تاثیر گذار نمیباشند.
.B مشخصات تحلیل تلفات بارداري
تلفات بارداري مربوط به توانی است که ترانسفورماتور هنگامی که سیمپیچهاي ثانویه اتصال کوتاه شدهاند از منبع می کشد که در این حالت ولتاژي که بر روي اولیه قرار دارد کاهش مییابد و جریانها به مقدار نامی خود میرسند.[ 9] تلفات بارداري به طور عمده شامل تلفات اهمی در سیمپیچها تلفات جریان گردابی در سیمپیچها و تلفات جریان گردابی پراکنده در عناصر هادي الکتریکی ترانسفورماتور می-باشد.
شبیهسازي آزمایش بارداري در اینجا با هدف محاسبه دیگر تلفات گردابی موجود در حالی که تلفات پراکنده سیمپیچها در مدل ما نادیده گرفته شده است انجام میشود. سیمپیچهاي فشار ضعیف داراي اتصال یکسانی مانند آزمایش بیباري با نقطه ستاره زمین شده می-باشد. سیمپیچهاي فشار قوي در آزمایش بارداري داراي اتصال مثلث میباشند.
C. منحنی هاي به کار گرفته شده در شبیه سازي
منحنیهایی که براي تلفات توسط تولید کننده تهیه شده است در شکلهاي - 3 - و - 4 - نشان داده شده است. منحنی چگالی شار مغناطیسی بر حسب میدان مغناطیسی براي فلز آمورف در شکل - 5 - نشان داده شده و چنین نموداري نیز براي استیل سیلیکون در شبیه سازي تعریف شده است.
