مقاله بررسی اثرات هارمونیک های ولتاژ و جریان بر روی ترانسفورماتورهای قدرت

اختصاصی از نیک فایل مقاله بررسی اثرات هارمونیک های ولتاژ و جریان بر روی ترانسفورماتورهای قدرت دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

این محصول در قالب ورد و قابل ویرایش در 110 صفحه می باشد.

چکیده :

در این پژوهش به مطالعه ارتباط بین منحنی مغناطیس شوندگی هسته ترانسفور ماتور و ناپایداریهای هارمونیکی ناشی از آن می پردازیم .سپس انواع هارمونیک های ولتاژ و جریان و اثرات آنها را بر روی سیستم های قدرت ، در حالات مختلف مورد بررسی قرار   می دهیم0 در قسمت بعد به بررسی چگونگی حذف هارمونیک ها در ترانسفور ماتور های قدرت با استفاده از اتصالات ستاره ومثلث سیم پیچی ها می پردازیم .و در نها یت نیز جبرانکننده ها ی استاتیک و فیلتر ها را به منظور حذف  هارمونیک های سیستم قدرت مورد مطالعه قرار می دهیم.

کلمات کلیدی :

ناپایداری هارمونیکی ، منحنی مغناطیس شوندگی ، فیلترها ، سیستم قدرت ، هارمونیک ولتاژ و جریان ، جبرانساز استا تیک

مقدمه : در سیستم  های قدرت پیشرفته انرژی الکتریکی توسط ژنراتورهای سه فاز تولید می شود که پس از انتقال به صورت سه فاز توزیع می شود . به دلایل اقتصادی از ایستگاه تا مصرف ولتاژ چندین بار افزایش و کاهش می یابد .در هر باز افزایش و کاهش ولتاژ ت سه فاز موردنیاز است . بدین جهت در سیستم  های قدرت سه فاز از تعداد زیادی ترانسفورماتور سه فاز استفاده می شود . برای هر تبدیل ولتاژ از مقداری به مقدار دیگر ممکن است از سه واحد ترانسفورماتور تک فاز یا یک واحد ترانسفورماتور سه فاز استفاده شود . در ترانسفورماتورهای قدرت و توزیع جریان تحریک تنها درصد کوچکی ( 2 تا 6%) از جریان نامی است . پدیده هارمونیک در ترانسفورماتورهای قدرت بسیار مهم است . زیرا تحت شرایط معینی هارمونیک های جریان تحریک باعث عمل عمدی تجهزات حفاظتی می گردند ممکن است باعث تداخل در مدارهای مخابراتی شوند . نظر به این مسئله مهندسین مخابرات و سیستم  انرژی باید قادر به بررسی و حذف چنین شرایط باشند . از این رو هارمونیک در ترانسفورماتور از اهمیت ویژه ای برخوردار است . اولین مورد از مشکلات اعوجاجات هارمونیکی در سال 1893 در شهر هارتفورد امریکا پیش آمد،به این صورت که یک موتور الکتریکی با گرم شدن زیاد باعث خرابی عایقبندی خود شد. پس از آزمایشات معلوم شد که علت این امر تشدید ایجاد شده در خط انتقال ، ناشی از وجود هارمونیکها بوده است. مشکل بعدی ،یک ژنراتور سه فاز 125 هرتز با ولتاژ 8/3  کیلوولت ساخت شرکت جنرال الکتریک امریکا بود. در این موردهمه محاسبات با تقریبهای خوبی انجام شده بودولی بازهم تشدید در خط انتقال بود . با محاسبه اندوکتانس و ظرفیت خازنی خط انتقال و احتمالاً اندوکتانس بار،مشاهده شد که در فرکانس حدود 1600 هرتز ( هارمونیک سیزدهم‌ ) در خط تشدید ایجاد می شود.شکل موجهای ولتاژ ژنراتور نیروگاه و موتور سنکرون دارای مؤلفه های هارمونیکی قابل توجه بودند. این فرایند محاسبات واندازه گیری توسط یک موج نمای ساده در آن سال انجام شد که شکل موج را به صورت نقطه به نقطه از طریق قطع و وصل مرتب یک زبانه ،نمونه گیری می کرد. امروزه با استفاده از هارمونیک سنجهای دیجیتال و با بکارگیری الگوریتم های سریع " تبدیل فوریه گسسته " می توان بصورت بدون وقفه اعوجاجات هارمونیکی را اندازه گیری کرد. دو سال بعداز اولین مورد مشاهده مشکلات هارمونیکی ، شرکتهای وستینگهاوس و جنرال الکتریک، طرحهای جدیدی را برای ژنراتورها معرفی نمودند که در این طرح ها، از سیم پیچهای غیر متمرکز در آرمیچر استفاده کردند و به تبع آن شکل موج را بهبود بخشیده و به اصطلاح سینوسی تر کردند. مشکل دیگر هارمونیکها در شکل موج ژنراتورها ، مربوط به جریان بسیار زیاد نول ژنراتورهایی بود که به صورت موازی نصب و مستقیماً زمین می شدند. امروزه این مساله کاملاً شناخته شده است و مربوط به هارمونیک سوم ولتاژ و صفر بودن توالی این هارمونیک در ماشینهایی می باشد که به صورت ستاره بسته شده اند. مشکل دیگر ، " هماهنگی هارمونیکی " یا همان " ضریب تداخل تلفنی TIF " می باشد.    ـ  فیلتر کردن هارمونیکها : از اولین سالهائی که مشکلات اعوجاجات هارمونیکی شناخته شدند ،‌از خازن شانت shunt برای بهبود ضریب توان در سیستم های الکتریکی استفاده می شد.امروزه بسیاری از این خازنها به یک سلف سری مجهز و تبدیل به یک فیلتر هارمونیکی تک تنظیمه شده اند .  ـ هارمونیکها در شبکه قدرت : اکثر اعوجاجات ایجاد شده در شکل موجهای ولتاژ و جریان شبکه قدرت ناشی از بارهایی هستند که دارای مشخصه غیر خطی بوده ویا درآنها از عناصر الکترونیک قدرت استفاده می شود. پیشرفت سریع نیمه هادیها انقلابی در کنترل فرآیندهای صنعتی و تبدیل انرژی بوجود آورده است . از آن جهت که نیمه هادیها ی قدرت در هر نقطه از شکل موج ولتاژ به ناگهان روشن یا خاموش می شوند ، حالتهای گذرائی با فرکانس نوسان بالا ودامنه میرا شونده پدید می آورند . اگر در هر پریود عمل کلید زنی  در نقطه مشابهی انجام شود ،‌حالت گذرا شکلی متناوب به خود می گیرد .همچنین سیگنالهای غیر سینوسی را می توان با استفاده از بسط سری فوریه بصورت مجموعی از امواج سینوسی بیان نمود که به " هارمونیکهای شبکه قدرت " موسومند و فرکانس آنها مضربی صحیح از فرکانس قدرت می باشد. هنگامی که اثر سلفها و خازنهای شبکه نیز مد نظر قرار گیرد ، اهمیت اعوجاجات هارمونیکی دو چندان می شود . در حقیقت چون سیگنال اعوجاج یافته دارای مؤلفه هایی با فرکانس های متفاوت می باشد ، دریکی از این فرکانسها امکان ایجاد تشدید بین یکی از خازنها و سلف معادل شبکه وجود دارد که به تبع آن ، دامنه هارمونیک مربوط به فرکانس تشدید افزایش نیز می یابد.

ـ منابع تولید هارمونیکها : منابع تولید هارمونیکها به دو گروه « غیر وابسته»‌ و « وابسته » به عناصر نیمه هادی تقسیم می شوند . منابع غیر وابسته به عناصر نیمه هادی عبارتند از : ـ اعوجاجات مو جود در شکل موج ولتاژ ماشینهای الکتریکی که معمولاً ناشی از عدم توزیع یکنواخت سیم پیچ های این ماشینها و وجود شیارها می باشد . ـ یکنواخت نبودن رلوکتانس فاصله هوائی بین دو قطب در ماشین سنکرون .  ـ اعوجاج شار مغناطیسی ناشی از تغییرات نا گهانی بار در ماشین سنکرون . ـ توزیع غیر سینوسی شار مغناطیسی در فاصله هوائی ماشین سنکرون . ـ جریان مغناطیس کنندگی ترانسفور ماتورها . ـ ‌وجود بارهای غیر خطی نظیر دستگاههای جوش کاری ،‌کوره های الکتریکی و غیره . منابع وابسته به عناصر نیمه هادی عبارتند از : ـ تجهیزات کنترلی موتورها مانند کنترل کننده های سرعت برای سیستم های حمل ونقل برقی . ـ سیستم انتقال انرژی جریان مستقیم ( HVDC ) . ـ برقراری ارتباط بین دو نیروگاه بادی و خورشیدی و سیستم توزیع . ـ کنترل کننده های ولتاژ ساکن( SVC ) که بطور گسترده به عنوان منبع توان راکتیو جایگزین کندانسورهای سنکرون شده اند. ـ وسایل نقلیه الکتریکی که با استفاده گسترده از آنها مقدار قابل توجهی انرژی برای شارژ کردن باطریها لازم می باشد. ـ مبدلهای فرکانسی که در ماشین هایی که سرعت کم وگشتاور بالا دارند کاربرد فراوان دارند. ـ عناصر حرارتی کوره های بزرگ که به روش PBM کنترل می شوند .

ـ آثـار  هارمونیکهـا : برخی از آثار سوء هارمونیکها در شبکه قدرت که ناکنون گزارش شده اند به قرار زیر می باشند : ـ خرابی بانک خازنی بدلیل شکست عایقی یا افزایش بیش از حد توان راکتیو . ـ‌ تداخل با سیستم های کنترل اعوجاج و PLC  و در نتیجه عدم کارکرد صحیح این سیستم ها که وظیفه انجام اعمالی چون کلید زنی از راه دور ، کنترل بار واندازه گیری را بر عهده دارند. ـ تلفات اضافی و ایجاد حرارت زیاد در ماشینهای سنکرون و القائی . ـ اضافه ولتاژها و جریانهای اضافی در سیستم که ناشی از تشدید ولتاژها و جریانهای هارمونیکی در شبکه هستند . ـ شکست عایقی در کابل ها به خاطر اضافه ولتاژهای هارمونیکی در سیستم . ـ تداخل با سیستم های مخابراتی . ـ خطا در دستگاههای اندازه گیری الکتریکی که به روش القا کار می کنند. ـ عملکرد اشتباه رله ها ، بخصوص در سیستم های استاتیکی و میکرو پروسسوری . ـ تداخل در سیستم های کنترل موتوری بزرگ و سیستم های تحریک در نیروگاهها . ـ نوسانات مکانیکی در ماشینهای سنکرون و القائی . ـ عملکرد نا پایدار مدارهای آتش بخصوص مدارهائی که بر اساس تشخیص نقطه صفر ولتاژ عمل می کنند.  ـ منابع عمده تولید هارمونیک در شبکه قدرت ایران 

فهرست مطالب

عنوان

صفحه

مقدمه................................ 1

فصل اول: شناخت ترانسفورماتور......... 6

1-1 مقدمه............................ 7

2-1 تعریف ترانسفورماتور.............. 7

3-1 اصول اولیه....................... 7

4-1 القاء متقابل..................... 7

5-1 اصول کار ترانسفورماتور........... 9

6-1 مشخصات اسمی ترانسفورماتور........ 12

1-6-1 قدرت اسمی...................... 12

2-6-1 ولتاژ اسمی اولیه............... 12

3-6-1 جریان اسمی..................... 12

4-6-1 فرکانس اسمی.................... 12

5-6-1 نسبت تبدیل اسمی................ 13

7-1 تعیین تلفات در ترانسفورماتورها    13

1-7-1 تلفات آهنی..................... 13

2-7-1 تلفات فوکو در هسته............. 13

3-7-1 تلفات هیسترزیس................. 14

4-7-1 مقدار تلفات هیسترزیس........... 16

5-7-1 تلفات مس....................... 16

8-1 ساختمان ترانسفورماتور............ 17

1-8-1 مدار مغناطیسی (هسته)........... 17

2-8-1 مدار الکتریکی (سیم پیچها)       17

1-2-8-1 تپ چنجر...................... 18

2-2-8-1 انواع تپ چنجر................ 18

3-8-1 مخزن روغن...................... 19

مخزن انبساط.......................... 19

4-8-1 مواد عایق...................... 19

الف - کاغذهای عایق................... 20

ب - روغن عایق........................ 20

ج - بوشینکهای عایق................... 20

5-8-1 وسایل حفاظتی................... 21

الف – رله بوخهلتس.................... 21

ب – رله کنترل درجه حرارت سیم پیچ      22

ج – ظرفیت سیلی گاژل.................. 23

9-1 جرقه گیر......................... 24

1-10 پیچ ارت......................... 24

فصل دوم: بررسی بین منحنی B-H و آنالیز هارمونیکی جریان مغناطیس کننده............................................ 26

1-2 مقدمه............................ 27

2-2 منحنی مغناطیس شوندگی............. 27

3-2 پس ماند (هیسترزیس)............... 30

4-2 تلفات پس ماند (تلفات هیسترزیس)    32

5-2 تلفات هسته....................... 32

6-2 جریان تحریک...................... 33

7-2 پدیده تحریک در ترانسفورماتورها    33

8-2 تعریف و مفهوم هارمونیک ها........ 36

1-8-2 هارمونیک ها.................... 36

2-8-2 هارمونیک های میانی............. 37

9-2 ناپایداری هارمونیکی مرتبط با هسته ترانس در سیستمهای AC-DC................................ 37

10-2 واکنشهای فرکانسی AC-DC.......... 37

11-2 چگونگی ایجاد ناپایداری.......... 39

12-2 تحلیل ناپایداری................. 40

13-2 کنترل ناپایداری................. 41

14-2 جریان مغناطیس کننده ترانسفورماتور 42

1-14-2 عناصر قابل اشباع.............. 42

2-14-2 وسایل فرومغناطیسی............. 43

فصل سوم : تأثیر هارمونیکهای جریان ولتاژ روی ترانسفورماتورهای قدرت................................. 46

1-3 مقدمه............................ 47

2-3 مروری بر تعاریف اساسی............ 47

3-3 اعوجاج هارمونیکها در نمونه هایی از شبکه  49

4-3 اثرات هارمونیک ها................ 51

5-3 نقش ترمیم در سیستمهای قدرت با استفاده از اثر خازنها 52

1-5-3 توزیع هارمونیکهای جریان در یک سیستم قدرت بدون خازن..................................... 52

2-5-3 توزیع هارمونیکهای جریان در یک سیستم پس از نصب خازن..................................... 52

6-3 رفتار ترانسفورماتور در اثر هارمونیکهای جریان 54

7-3 عیوب هارمونیکها در ترانسفورماتور  54

1-7-3 هارمونیکهای جریان.............. 54

1) اثر بر تلفات اهمی................. 54

2) تداخل الکترومغناطیسی با مدارهای مخابراتی 54

3) تأثیر بر روی تلفات هسته........... 55

2-7-3 هارمونیک های ولتاژ............. 55

1) تنش ولتاژ روی عایق................ 55

2) تداخل الکترواستاتیکی در مدارهای مخابراتی 55

3) ولتاژ تشدید بزرگ.................. 56

8-3 حذف هارمونیکها................... 56

1) چگالی شار کمتر.................... 56

2) نوع اتصال......................... 57

3) اتصال مثلث سیم پیچی اولیه یا ثانویه   57

4) استفاده از سیم پیچ سومین.......... 57

5) ترانسفورماتور ستاره – مثلث زمین    57

9-3 طراحی ترانسفورماتور برای سازگاری با هارمونیک ها 58

10-3 چگونگی تعیین هارمونیکها......... 59

11-3 اثرات هارمونیکهای جریان مرتبه بالا روی ترانسفورماتور..................................... 59

12-3 مفاهیم تئوری.................... 60

1-12-3 مدل سازی...................... 60

13- 3 نتایج عمل...................... 61

14-3 راه حل ها....................... 62

15-3 نتیجه گیری نهایی................ 62

فصل چهارم: بررسی عملکرد هارمونیک ها در ترانسفورماتورهای قدرت........................................ 63

1-4 مقدمه............................ 64

2-4- پدیده هارمونیک در ترانسفورماتور سه فاز  64

3-4 اتصال ستاره...................... 68

1-3-4 ترانسفورماتورهای با مدار مغناطیسی مجزا و مستقل 68

2-3-4 ترانسفورماتورها با مدار مغناطیسی پیوسته یا تزویج شده..................................... 71

4-4 اتصال Yy ستاره با نقطه خنثی       72

5-4 اتصال Dy......................... 72

6-4 اتصال yd......................... 73

7-4 اتصال Dd......................... 74

8-4 هارمونیک های سوم در عمل ترانسفورماتور سه فاز 74

9-4 سیم پیچ ثالثیه یا پایدارکننده     76

10-4 تلفات هارمونیک در ترانسفورماتور  77

1-10-4 تلفات جریان گردابی در هادی های ترانسفورماتور 77

2-10-4 تلفات هیسترزیس هسته........... 77

3-10-4 تلفات جریان گردابی در هسته     78

4-10-4 کاهش ظرفیت ترانسفورماتور       79

فصل پنجم: جبران کننده های استاتیک     80

1-5 مقدمه............................ 81

2-5 راکتور کنترل شده با تریستور TCR   81

1-2-5 ترکیب TCR و خازنهای ثابت موازی  87

3-5 راکتور اشباع شدهSCR.............. 88

1-3-5 شیب مشخصه ولتاژ................ 89

نتیجه گیری .......................... 91

منابع و مآخذ......................... 92

چکیده به زبان انگلیسی................ 94