توضیحات
پروژه شبیه سازی ترانسفورماتور سه فاز در نرم افزار انسیس مکسول
Simulation of three phase transformer in ANSYS MAXWELL
ترانسفورماتور:
ترانسفورمرهای قدرت بزرگترین، سنگین ترین و معمولا گرانترین تجهیز سیستم قدرت می باشند.واضح است که در نظر گرفتن تمهیدات مناسب برای راه اندازی، بهره برداری و تعمیرات ترانسفورمرهای قدرت اساسی می باشد. آنها اصلی ترین تجهیز در سیستم قدرت می باشند.از انجاییکه زمان تعمیرات طولانی بوده و همیشه ترانس جایگزین وجود ندارد، بنابراین ارزیابی عملکرد تک تک آنها در سیستم قدرت مهم می باشد. در این شرایط چون همیشه امکان تست عملی وجود ندارد و از طرفی در مرحله طراحی بایستی تمهیدات لازم در نظر گرفته شود، بنابراین استفاده از مدل برای شبیه سازی و تحلیل ضروری به نظر می رسد. ترانسفورماتور قدرت به عنوان یکی از تجهیزات حیاتی و بسیار مهم در شبکه‌های الکتریکی، انرژی الکتریکی را به‌وسیله‌ی دو یا چند سیم‌پیچ و از طریق القای مغناطیسی از یک مدار به مدار دیگر منتقل می‌کند. بر اثر اعمال ولتاژ بر سیم‌پیچ تحریک ترانسفورماتور، هسته مغناطیسی به حالت اشباع رفته و در نتیجه باعث افزایش رلوکتانس مغناطیسی و به دنبال آن کاهش اندوکتانس مدار و نهایتاً جریان قابل توجهی توسط ترانسفورماتور می‌شود که به این پدیده جریان هجومی اطلاق می‌شود. جریان هجومی ترانسفورماتورها می‌تواند دارای دامنه بالا و حاوی هارمونیک‌های فراوان باشند.
در این پروژه مدل مناسب برای ترانسفورمر سه فاز ارائه شده است. برای این منظور از نرم افزار ANSYS MAXWELL استفاده شده است.
ترانسفورماتورهای سه فاز یا متشکل از یک هسته و یک مجموعه سیم پیچ در داخل تانک هستند که به آن ترانسفورماتور سه فاز اطلاق می گردد یا از سه تانک و سه هسته جداگانه برای هر سیم پیچ استفاده میکنند که در این صورت سه ترانسفورماتور تک فاز خواهند بود. استفاده از سه ترانسفورماتور تک فاز گران تر از یک دستگاه ترانس سه فاز است. مهم ترین عامل تعیین کننده در این خصوص محدودیت حمل و نقل ترانسفورماتور است؛ زیرا ترانسفورماتورهای تک فاز به لحاظ وزن و ارتفاع کمتر از ترانسفورماتور سه فاز هستند.
به لحاظ ماده عایقی اصلی و ماده خنک کننده، ترانسفورماتورها را به سه دسته به شرح زیر تقسیم بندی می کنند:
١- ترانسفورماتورهای روغنی ٢- ترانسفورماتورهای خشک یا رزینی ٣- ترانسفورماتورهای با عایق گازی.
هسته ترانسفورماتور:
هسته ترانسفورماتور در حقیقت مسیری است که به کمک آن شار مغناطیسی می تواند به راحتی از سیم پیچ ها عبور کند. ورقه های هسته از ورقه های فولادی نورد شده به ضخامت0.3 میلی متر و کمتر ساخته می شوند و برای کاهش تلفات فوکو و هیسترزیس ورقه ها را با یک لایه فیلم عایق از یکدیگر جدا می سازند. هسته ترانسفورماتورهای قدرت معمولا ساق دار یا ستون دار هستند و ستون ها به وسیله دو یوک از بالا و پایین به هم متصل می گردند. ستون ها که سیم پیچ ها روی آنها سوار می شوند معمولا دارای مقطع پله ای هستند که در دایره محصور می شود. هر چه قدرت ترانسفورماتور بیشتر باشد شماره پله ها و قطر دایره نیز بزرگ تر می شود. بنابراین هسته مغناطیسی باید از نظر مکانیکی دارای استحکام کافی باشد؛ چون در شرایط کار عادی، نیروهای مکانیکی بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه و نیروی بین حلقه های هر سیم پیچ کوچک است. ولی در شرایط اتصال کوتاه این نیروها به شدت افزایش می یابند؛ به نحوی که در شرایط اتصال کوتاه جریان ترانس به ۱۰ تا ۲۵ برابر جریان نامی افزایش پیدا می کند. بسته به نحوه قرار گرفتن سیم پیچ ها بر روی هسته، ترانسفورماتورها را به دو دسته تقسیم بندی می کنند:
الف – ترانسفورماتورهای از نوع هسته ای(Core type transformer)
ب- ترانسفورماتورهای از نوع زرهی(shell type transformer)
در ترانسفورماتورهای از نوع هسته ای سیم پیچ ها بخش اصلی هسته؛ یعنی ستون ها را در بر گرفته اند. درحالیکه در ترانسفورماتورهای نوع زرهی هسته سیم بندی را محاصر می کند و سیم پیچی ها همواره در شاخه یا ستون وسطی هسته پیچیده می شوند.
شکل ترانسفورماتور نوع هسته ای.
شکل ترانسفورماتور نوع زرهی.
از انواع ترانسفورماتورهای هسته ای سه فاز، می توان به ترانسفورماتور با هسته سه و پنج ستونی اشاره کرد. در ترانسفورماتورهای با هسته سه ستونی هسته سه ستون دارد و سیم پیچ های مربوط به هر فاز روی هر ستون هسته قرار می گیرد و در نوع پنج ستونی هسته دارای سه ستون اصلی و دو ستون کناری با سطح مقطع معادل نصف ستون های اصلی است و سیم پیچ ها روی ستون های اصلی قرار می گیرند. این نوع هسته که باعث کاهش ارتفاع ترانسفورماتور می گردد در قدرت های بسیار بالا و در مواقعی که محدودیت ارتفاع در زمان حمل و نقل ترانسفورماتور از تونل ها وجود داشته باشد مورد استفاده قرار می گیرد.
ورقه های هسته معمولا با پیچ، نوار و بانداژ به همدیگر بسته می شوند ولی امروزه حتی الامکان از پیچ برای محکم کردن ورقه ها و تشکیل هسته استفاده نمی شود؛ زیرا وجود سوراخ و پیچ در هسته باعث افزایش تلفات هسته می گردد؛ از طرف دیگر پیچ ها باید از هسته ایزوله باشند که این موضوع از نظر اجرایی مشکلاتی را به همراه دارد. همچنین لایه های یوک هسته به وسیله تیرآهن های قاب فلزی به هم بسته می شوند و از این قاب هم به عنوان پایه و هم جهت بلند کردن مجموعه هسته و سیم پیچ استفاده می شود.
شکل هسته سه ستونه.
شکل هسته پنج ستونه.
هنگام بهره برداری از ترانسفورماتور، هسته و دیگر قطعات فلزی تحت میدان الکتریکی قوی قرار گرفته، باردار می شوند و اختلاف پتانسیل ناشی از ایجاد بارها در نقاط مختلف می تواند موجب تولید قوس الکتریکی شود. به منظور جلوگیری از این موضوع پله های موجود در هسته به وسیله صفحات نازک مسی زمین می شوند. در ترانسفورماتور با هسته ستونی سیم پیچ ها اعم از فشار قوی، فشار ضعیف و سیم پیچ تنظیم ولتاژ، به صورت استوانه های متحدالمرکز روی ستون های هسته قرار می گیرند. معمولا سیم پیچ فشار ضعیف در داخل و سیم پیچ فشار قوی در خارج آن واقع می شود. ترتيب فوق به این دلیل رعایت می شود که عایق کاری سیم پیچ فشار ضعیف نسبت به هسته راحت تر است.
سیم پیچ ترانسفورماتور(winding):
سیم پیچ ها بخش اساسی ترانسفورماتور بوده، مدار الکتریکی آن را تشکیل می دهند. طرح های مختلفی از سیم پیچ ارائه شده است ولی هر نوع سیم پیچ امتیازات مشخصی را برای دامنه معینی از ظرفیت و ولتاژ دارا هستند. سیم پیچ ها باید بر آورنده خواسته های متعددی باشند که مهم ترین آنها عبارتند از:
الف) قابلیت عایقی لازم در مقابل انواع ولتاژها از قبیل ولتاژ نامی، ولتاژ ناشی از امواج گذرای قطع و وصل کليدها، ولتاژ امواج گذرای ناشی از صاعقه و ولتاژهای آزمایش کارخانه ای ترانسفورماتور را داشته باشند.
ب) سیم پیچ باید به آسانی خنک شود و روغن از کانال ها و مجراهای آن به راحتی عبور کند.
ج) سیم پیچ باید قدرت مکانیکی لازم را برای حفظ حالت و کیفیت خود در شرایط حمل و نقل، اتصال کوتاه و کار معمولی ترانسفورماتور دارا باشد. شرایط اتصال کوتاه معمولا تعیین کننده مقدار استقامت لازم در سیم پیچ ها و هسته است. نیروهایی که در هادی های سیم پیچ وجود دارند شامل نیروهای شعاعی به سمت بیرون برای سیم پیچ های بیرونی، نیروهای شعاعی به سمت هسته برای سیم پیچ های درونی و نیروهای محوری است که سیم پیچ را به داخل می فشارد. همچنین وجود اختلاف در ارتفاع مراکز مغناطیسی سیم پیچ ها به نیرویی منتج می شود که تمایل دارد فاصله بین آن ها را افزایش دهد.
انواع سیم پیچی:
سیم پیچ ها به طرق مختلفی پیچیده می شوند که هر یک کاربرد خاصی دارند و به طور کلی به دو دسته به شرح زیر تقسیم بندی می شوند
١- سیم پیچی نانی شکل(inter leaved pancake winding)
۲- سیم پیچی متحدالمرکز (concentric winding)
سیم پیچی متحدالمرکز نیز به نوبه خود به انواع زیر تقسیم می شود:
الف – متحدالمرکز یا لایه ای چهار گوش (Rectangular Concentric Winding)
ب- متحدالمرکز یا لایه ای گرد (Round Concentric Winding)
ج- دیسکی ناپیوسته(Wire Wound Disk-type Coil)
د- دیسکی پیوسته (Continuous- Wound Disk Coil )
ه- حلزونی یا مارپیچی (Helical Winding)
سیم پیچی نوع لایه ای گرد خود به سه دسته به شرح زیر تقسیم می شود: – استوانه ای شمشی – استوانه ای با هادی گرد – استوانه ای ساندویچی در ادامه انواع مهم آن ها توضیح داده می شوند.
نرم افزار انسیس مکسول:
انسیس مکسول(ANSYS MAXWELL)، یک نرم افزار قدرتمندی است که از تحليل المان محدود برای حل مسائل الکتریکی با مغناطیسی استفاده می کند. این نرم افزار با حل معادلات ماکسول در دامین طراحی شده و اعمال شرایط مرزی مناسب به همراه شرایط اولیه تعیین شده توسط کاربر، میدان های الکترومغناطیسی را حل می کند. با توجه به حل گر انتخاب شده در تنظیمات مسأله، معادلات متناظر حل خواهند شد. حل گره های موجود در نرم افزار ماکسول شامل: حل گر الكترومغناطيس، الكترواستاتیک، جریان گردابه ای و مغناطیسی گذرا، می باشند.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی ترانسفورماتور سه فاز در نرم افزار انسیس مکسول انجام شده است.
هندسه مسئله:
نمونه نتایج شبیه سازی:
