بخشی از مقاله
کاربردهاي ترانسفورماتور زيگزاگ در شبکه توزيع جهت اصلاح کيفيت توان
کلمات کليدي : ترانسفورماتور زيگزاگ ، جريان مولفه صفر، امپدانس توالي صفر، سيستم اصلاح کننده پوياي فرو رفتگي ولتاژ
Dysc، دو فازه شدن موتور القايي
چکيده :
در اين مقاله مزاياي کاربرد ترانسفورماتور زيگزاگ در شبکه توزيع مورد بررسي قرار گرفته است . از جمله کاربردهاي ترانسفورماتور زيگزاگ مي توان از نولسازي ، حفاظت خط اي نامتقارن ، کاهش تبعات هارمونيک هاي شبکه توزيع ، حفاظت و استفاده مناسب از برخي تجهيزات و بارهاي صنعتي (نظير موتورهاي القايي موجود در کارخانجات ( و کاهش سطح اتصال کوتاه نام برد. در واقع با بررسي گزينه هاي موجود براي تحقق هر کدام از موارد فوق الذکر، مي توان با نصب و تجهيز و يا استفاده از ترانسفورماتورهاي زيگزاگ موجود در شبکه ، از قابليتهاي اين ترانسفورماتورها بهره گرفت .
١ مقدمه :
امروزه مراکز صنعتي و تجاري که وابسته به سيستمها و کنترل کننده حساس و دقيق الکترونيکي مي باشند به شدت از موضوع کيفيت نامناسب توان رنج مي برند. حالات گذراي ناشي از ضربات صاعقه ، افت ولتاژ ناشي از حوادث و خاموشي هايي که در اثر عملکرد سيستمهاي حفاظتي ايجاد مي شوند، عامل بيش از ٩۲ درصد مشکلات کيفيت توان مي باشند. سيستم اصلاح کننده پوياي فرو رفتگي ولتاژ Dynamic Sag Corrector System- Dysc-، دستگاهي است که با اتصال سري به شبکه در مقابل حوادث و مشکلات کيفيت توان از آن حفاظت مي نمايد. از طرفي جريانهاي هارمونيکي در سيستم قدرت مي تواند تبعات نامط لوب متعددي را در پي داشته باشد. از جمله اين تبعات مي توان به گرم شدن بيش از حد تجهيزات ، کاهش عمر تجهيزات ، تداخل راديويي با سيستمهاي مخابراتي و... اشاره نمود. در يک شبکه برق صنعتي تجاري سه فاز چهار سيمه توزيع برق بارهاي الکتريکي متعددي از جمله تجهيزات ادراي نظير کامپيوترها، دستگاه فاکس ، دستگاه فتوکپي ، لامپهاي فلورسنت ، سيستمهاي تهويه هوا و سيستمهاي گرمايش سرمايش با سرعت دور قابل تنظيم و ساير بارهاي حساس الکترونيکي وجود دارند. اغلب اين تجهيزات داراي يک طبقه يکسوکننده قدرت ميباشند که خود جريان هارمونيکي بالايي را به شبکه توزيع تزريق مي نمايند. اخيرا... بزرگترين عامل مولد هارمونيک که سهم بالايي در ايجاد هارمونيک مراکز صنعتي تجاري را دارد کامپيوترهاي شخصي مي باشد. قسمت عمده اين جريان هارمونيکي نيز هارمونيک مرتبه سوم (١٥٠هرتز( مي باشد. اصولا... هارمونيک سوم و مضارب سوم از هارمونيک سوم (هارمونيکهاي مرتبه ۹، ١٥ و...( که هم فاز بوده و با هم جمع شده و اثر يکديگر را در سيم نول خنثي نمي نمايند، جريان توالي صفر را ايجاد مي نمايند. مع الوصف هارمونيکهاي مرتبه سوم با يکديگر جمع شده و جريان بالايي را در سيم نول سيستم سه فاز چهار سيمه برقرار مي نمايند. جريان بالاي ايجاد شده در سيم نول منجر به ايجاد سروصدا، گرم شدن هادي و ترانسفورماتور و اعوجاج ولتاژ شبکه مصرف کننده مي گردد. بنابراين هارمونيکهاي جريان سيم نول ، يکي از مهمترين موضوعات مطرح در يک سيستم توزيع الکتريکي مي باشد. در شکل 1 نمونه اي از سيستم قدرت يک ساختمان تجاري اداري با ساختار سه فاز چهار سيمه نشان داده شده است [١[.
در اين مقاله تکنيک حذف مولفه صفر به صورت اکتيو، براي سيستم قدرت نامتعادل يک ساختمان تجاري نيز بررسي گرديده است . درواقع يک ترانسفورماتور زمين کننده (نولساز) از نوع زيگزاگ جهت جريان يافتن جريان هارمونيکي يکسان در تمام سيم پيچهاي ترانسفورماتور و يک جريان مولفه اصلي در نقطه نول شبکه برقرار مي گردد. اينورترهاي تک فازه با ولتاژ پايين تر و جريان بالا، فقط قابليت متعادل سازي جريان يک فاز را دارد. بنابراين ، جريان ساير فازها با به کارگيري ترانسفورماتور زيگزاگ به طور متعادل توزيع ميگردد. ضمنا... مولفه اصلي جريان سيم نول از هارمونيک هاي چرخان در سيم پيچ ترانسفورماتور زيگزاگ ايجاد مي گردد.
جريان مولفه منفي ايجاد شده بر اثر دو فازه شدن يک موتور القايي سه فاز، عدم اجازه راه اندازي به موتور در حالت سکون ، و گرم شدن بسيار شديد سيم پيچيها در موتور در حالت حرکت خواهد گرديد. در راستاي حذف مولفه منفي و در نتيجه عملکرد رضايت بخش موتور تحت شرايط دو فازه شدن موتور، يک راه حل وصل کردن نقطه ستاره ترانسفورماتور زيگزاگ به نقطه خنثي مولد (برق شهر) مي باشد.
٢ استفاده از ترانسفورماتور زيگزاگ مناسب در سيسمتهاي زمين نشده :
چنانچه سيستم زمين نشده باشد، ولي توسط ترانسفورماتور زيگزاگ آن را زمين شده نماييم با توجه به حضور ترانسفورماتور ارت (زيگزاگ ( در مولفه صفر سيستم و جاري شدن جريان اتصالي فاز به زمين بر روي خط وط خروجي ٢٠ و يا ١١کيلوولت پست که ترانسفورماتور زيگزاگ آن نصب شده و توسط يک ترانسفورماتور جريان که در نقطه صفر -نول- ترانسفورماتور زيگزاگ نصب شده يک رله زمين با زماني بيش از زمان عملکرد رله هاي زمين خط وط خروجي نصب گردد تا اين که حفاظت پشتيبان براي رله هاي زمين خط وط خروجي از پست باشد.
در شکل 2چگونگي جاري شدن جريان اتصالي يک فاز به زمين با حضور ترانسفورماتور زيگزاگ بررسي و مشاهده مي نماييم . با توجه به شکل ٢، فقط توالي صفر ترانسفورماتور زيگزاگ در مسير جريان اتصالي فاز به زمين قرار مي گردد و بر اساس امپدانس صفر ترانسفورماتور زيگزاگ جريان اتصالي تعيين و محاسبه مي گردد.
چنانچه يک ترانسفورماتور نولساز ٥٠٠ آمپري داشته باشيم و بر روي هر بازو و سيم پيچي ترانسفورماتور ارت ، ١٦٦.٦ آمپر جريان داريم . که در فاز اتصالي شده جريان به سمت زمين برگشته و دو فاز ديگر از طريق دو سيم پيچي ترانسفورماتور قدرت (فاز اول و سوم ( جريان دور زده و نهايتا... به زمين سرازير مي گردد و به تناسب اين دو جريان و با اعمال نمودن نسبت تبديل ترانسفورماتور قدرت در سمت فشار قوي (KV ٦٦) به صورت اتصالي دو فاز با جرياني خيلي کمتر خود را نشان مي دهد که بعضا... نمي توان آن را در رله هاي جرياني و زمين آشکار نمود.
مع الوصف ملاحظه مي گردد که انتخاب ترانسفورماتور نولساز بسيار با اهميت بوده و بايد کليه موارد شامل قدرت ترانسفورماتور اصلي وجود رله هاي جرياني و رله هاي اتصال زمين ، طول ومسافت خط وط توزيع KV ٢٠ يا KV ١١ سط ح مقط ع سيمهاي بکار رفته و زمين منط قه را در نظر گرفت تا اينکه بتوان حداقل جريانهاي اتصالي به زمين را در ديد رله ها آورد و نهايتا... قط ع نمودن کليد مربوطه که مي تواند اتصالي وارده را برطرف نمايد همراه داشت .
٣ حذف جريان توالي صفر در سيستم قدرت نامتقارن ساختمانهاي تجاري
در [١[، يک تکنيک حذف توالي صفر جريان به صورت اکتيو براي سيستمهاي قدرت متعادل و همچنين نامتعادل پيشنهاد گرديده است . يک ترانسفورماتور نولساز از نوع زيگزاگ جهت برقرارسازي جريان هارمونيک مرتبه سوم يکسان در تمام سيم پيچهاي ترانسفورماتور توزيع بکار گرفته شده است . از طرفي اينورترهاي ولتاژ پايين يک فاز فقط قابليت تنظيم کردن جريان يک فاز را دارا مي باشند لذا جريان ساير فازها به علت کاربرد ترانسفورماتور زيگزاگ به طور يکسان توزيع مي گردد. در اين تکنيک فقط نياز به نمونه برداري از جريان نقطه نول بار و جريان اينورترتک فاز مي باشد.
در شکل 3 دو روش اکتيو براي حذف توالي صفر جريان در سيم نول که به کار گيري ترانسفورماتور زيگزاگ ارائه شده نشان داده شده است .
همانطور که ديده مي شود، در شکل (٣ الف )، اينورتر تک فاز در مرکز نول ترانسفورماتور زيگزاگ نصب شده ، ولي در شکل (٣ ب)، اينورتر تک فاز در يکي از فازها نصب شده است . در واقع در شکل (٣ ب)، يک فاز از ترانسفورماتور زيگزاگ شکسته شده و يک اينورتر يک فاز در فاز مربوطه سري شده است و سيم نول ترانسفورماتور زيگزاگ ، مستقيما... به نقطه نول بار متصل گرديده است . بديهي است که در صورت به کار بردن ساختار شکل (٣ ب) ميزان سط ح ولتاژ خروجي اينورتر (Vdc) کمتر از حالت شکل (٣ الف ) مي گردد. زيرا که ولتاژ بين نقطه نول بار و نقطه نول ترانسفورماتور در شکل (٣ ب) کمتر مي باشد. اين در حالي است که جريان عبوري از اينورترها در حالت (٣ الف ) برابر با Izn و در حالت (٣ ب) مي باشد. جهت انتخاب ظرفيت ترانسفورماتور زيگزاگ ، طبق رابطه (1) عمل مي نماييم :
که Vline ولتاژخط بوده و Izn کل جريان هارمونيکي (برآيند جريان ) در سيم نول مي باشد.
در واقع جريان هارمونيکي در سيم نول در يک سيستم قدرت سه فاز چهارسيمه ، جريانهاي توالي صفر مي باشند که اين جريان در داخل سيم پيچهاي يک ترانسفورماتور زيگزاگ توسط يک اينورتر تک فاز کنترل شده در سط ح ولتاژ نامي پايين ، گردش و تضعيف داده مي شود و حذف مي گردد. و تنها مولفه اصلي جريان که سينوسي کامل مي باشد در سيم نول مصرف کننده در گردش خواهد بود.
اصولا... در حالت عادي ، در شرايط متعادل يا نامتعادل بودن بارها، قسمت عمده جريان سيم نول ، جريان هارمونيک مرتبه سوم مي باشند که در واقع جريان توالي صفر محسوب مي گردند. اين در حالي است که در جريان هاي توالي مثبت و توالي منفي نظير هارمونيک هاي ٥ام ، هارمونيک ٧ام ، و... فقط در شرايط نامتعادل بودن بارها رخ مي دهند و در بار متعادل وجود ندارند. هر چند مولفه هاي غير مضرب ٣ بسيار ضعيف تر (قابل صرف نظرتر) نسبت به جريان هارمونيکي مضرب ٣ مي باشند.
٤ کاربرد ترانسفورماتور زيگزاگ در يک سيستم سه سيم پيچه اصلاح کننده ديناميکي فرورفتگي ولتاژ کوتاه مدت (sag)
اصولا... فرو رفتگي ولتاژ کوتاه مدت (sag)، نوعي اغتشاش مي باشد که طبق استاندارد IEC، کاهش ناگهاني سط ح ولتاژ از ١٠
تا ۹٠ درصد دامنه ولتاژ نامي ، به مدت نيم سيکل الي چند ثانيه (حداکثر ١ دقيقه ) مي باشد. سيستم اصلاح کننده پوياي افت ولتاژ (Dysc) سيستمي است که با اتصال سري به شبکه در مقابل حوادث و مشکلات کيفيت توان از آن حفاظت مي نمايد. واحد ساختماني يک Dysc، در واقع يک واحد تک فاز است که ولتاژ فاز ۲٧٧.۲٤٠.۲٠۸.١۲٠ ولت را گرفته و ولتاژ اصلاح شده اي را در خروجي ايجاد مي کند. يک سيستم سه فاز Dysc شامل ٣ واحد تک فاز است که به ٣ فاز شبکه وصل مي شود و هريک از آنها نيازمند يک نقطه خنثي به عنوان مرجع براي اصلاح ولتاژ مي باشند و لذا در يک شبکه سه فاز که چنين نقطه اي وجود ندارد بايد با اتخاذ تمهيداتي آن را ايجاد نمود. ترانسفورماتورهاي زيگزاگ روشي با صرفه براي ايجاد چنين نقطه خنثايي مي باشند [٣].
٤١ سيستم Dysc سه سيمه
يک Dysc تکفاز از مداري که تحت عنوان مدار تقويت ولتاژ شناخته مي شود مشتق شده است [٣]. يک اينورتر تک فاز با کمک دو برابر کننده ولتاژ قادر است تا در صورت افت ٥٠ درصدي ولتاژ ورودي ، خروجي مرجع قابل قبول را ارائه نمايد. از سوي ديگر خازنهاي موجود در شينه DC از اينورتر نيز با توجه به ظرفيت خازني خود، قادرند تا مدت معيني در صورت قط ع کامل ورودي ، خروجي را حفظ نمايند (شکل ٤(. وقتي ولتاژ نقطه خنثي ورودي از ميزان محاسبه شده تغيير نمايد يک افت ولتاژ احساس مي شود. ولتاژ نقطه خنثي در حالت عادي و قبل از وقوع افت ولتاژ محاسبه و به عنوان مرجع ، مورد استفاده قرار مي گيرد.
در شکل (٥)، يک سيستم Dysc سه فاز مشتمل بر ٣ واحد Dysc تکفاز نشان داده شده است که از يک نقطه خنثي به عنوان مرجع استفاده مي کند. اين نقطه خنثي توسط يک ترانسفورماتور زيگزاگ که امپدانس بالا را براي حالت متعادل بودن ولتاژ و امپدانس پايين را براي ولتاژهاي توالي صفر ايجاد مي کند مهيا مي گردد. از آنجا که ولتاژ نامي هر سيم پيچ تنها يک سوم ولتاژ فاز است لذا ابعاد و قيمت ترانسفورماتور کاهش مي يابد. اتصالات خط و خنثي نيز به ورودي يکسو کننده Dysc تک فاز(مط ابق شکل ٥( وصل مي شوند.
