امپدانس ترانسفورماتور

 

 

 

1.1 تعریف امپدانس

تعریف: امپدانس یک ترانسفورماتور به مقاومت در جریان جریان در جریان جریان از طریق آن اشاره دارد. از دو بخش تشکیل شده است: مقاومت و واکنش القایی. بزرگی امپدانس معمولاً به عنوان درصدی بیان می شود و در صفحه نام ترانسفورماتور مشخص می شود.

قسمت تشکیل دهنده:

• مقاومت (R): این قسمت مقاومت از هادی الکتریکی در سیم پیچ ترانسفورماتور است که عمدتاً توسط مواد و طول سیم پیچ تعیین می شود. مقاومت می تواند باعث شود انرژی الکتریکی به شکل انرژی گرما از بین برود ، که به عنوان از دست دادن مس شناخته می شود.

• واکنش القایی (X): این بخش از امپدانس از القاء سیم پیچ سرچشمه می گیرد. هنگامی که جریان متناوب از سیم پیچ عبور می کند ، واکنش القایی مانع تغییر جریان می شود. واکنش القایی عمدتاً توسط ساختار هندسی سیم پیچ ها و شار مغناطیسی نشت بین سیم پیچ ها تعیین می شود.

 

1.2 حالت بیان امپدانس

امپدانس کل معمولاً به صورت پیچیده بیان می شود و از ترکیب مقاومت و واکنش القایی تشکیل شده است.

z=r+jx ،  در میان آنها ، J واحد خیالی است

توجه: امپدانس به امپدانس یک ولتاژ بالا یا ولتاژ پایین یا کم ولتاژ کم اشاره نمی کند ، بلکه امپدانس ترکیبی از ولتاژ بالا به ولتاژ کم ، مقاومت و واکنش پذیری است که برای توصیف امپدانس بین سیم پیچ های یک ترانسفورماتور تحت یک حالت عملیاتی خاص استفاده می شود.

به عنوان مثال ، امپدانس یک ترانسفورماتور سه سیم پیچ:

ولتاژ بالا - ولتاژ کم

ولتاژ بالا - ولتاژ متوسط

ولتاژ متوسط ​​- ولتاژ کم

 

 

2.1 تعریف امپدانس اتصال کوتاه

تعریف: امپدانس اتصال کوتاه در صفحه نام ترانسفورماتور یک پارامتر بسیار مهم است که نشان دهنده ویژگی های الکتریکی ترانسفورماتور در شرایط اتصال کوتاه است. امپدانس اتصال کوتاه معمولاً به عنوان درصدی (٪ Z) بیان می شود ، که نمایانگر نسبت ولتاژ است که باید برای سیم پیچ اولیه اعمال شود تا جریان دارای رتبه بندی شود وقتی سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور به ولتاژ دارای امتیاز از سیم پیچ اولیه تبدیل می شود.

 

 

فرمولاسیون:

امپدانس اتصال کوتاه () با فرمول زیر قابل بیان است:

در میان آنها:

• ولتاژ مورد نیاز برای سیم پیچ اولیه برای رسیدن به جریان رتبه بندی در هنگام سیم پیچ ثانویه کوتاه است.

• ولتاژ رتبه بندی سیم پیچ اولیه است.

اهمیت امپدانس اتصال کوتاه

 

2.2 اهمیت امپدانس اتصال کوتاه

2.2.1 جریان اتصال کوتاه را محدود کنید

امپدانس اتصال کوتاه ، میزان جریان اتصال کوتاه تولید شده توسط ترانسفورماتور را تعیین می کند که سیم پیچ ثانویه در مدار کوتاه باشد. جریان اتصال کوتاه حداکثر جریان است که می تواند در یک سیستم قدرت رخ دهد و ممکن است تهدیدی جدی برای ایمنی تجهیزات و سیستم ها ایجاد کند.

هرچه امپدانس اتصال کوتاه بیشتر باشد ، جریان اتصال کوتاه کوچکتر ، که به محافظت از ترانسفورماتور و تجهیزات پایین دست در برابر آسیب های ناشی از جریان بیش از حد اتصال کوتاه کمک می کند.

محاسبه مدار کوتاه

با توجه به: ظرفیت پلاک نام ترانسفورماتور 100mVA ، ولتاژ 132\/11 کیلو ولت و امپدانس اتصال کوتاه 10 ٪ است. جریان اتصال کوتاه را در هر دو طرف ولتاژ بالا و پایین محاسبه کنید.

= جریان اتصال کوتاه

= جریان دارای رتبه

z ٪=امپدانس مدار کوتاه

 

سمت ولتاژ بالا:

 

سمت ولتاژ کم:

 

2.2.2 تنظیم ولتاژ

امپدانس اتصال کوتاه و افت ولتاژ

بزرگی امپدانس اتصال کوتاه به طور مستقیم بر افت ولتاژ ترانسفورماتور تأثیر می گذارد. امپدانس اتصال کوتاه بزرگتر به این معنی است که وقتی ترانسفورماتور تحت بار است ، افت ولتاژ در سیم پیچ ها نیز بیشتر است که منجر به افت بیشتر ولتاژ خروجی می شود. به عبارت دیگر ، هرچه امپدانس اتصال کوتاه بیشتر باشد ، عملکرد تنظیم ولتاژ نیز بدتر می شود ، زیرا ولتاژ خروجی هنگام تغییر بار بیشتر نوسان می کند.

2.2.3 عملیات موازی

هنگامی که چند ترانسفورماتور به صورت موازی کار می کنند ، بزرگی امپدانس اتصال کوتاه نسبت بار هر ترانسفورماتور را تعیین می کند. اگر امپدانس های اتصال کوتاه ترانسفورماتورهای موازی متفاوت باشند ، بار به طور ناموزون توزیع می شود

• ترانسفورماتور با امپدانس کم

این بار نسبتاً بزرگ خواهد داشت. این امر به این دلیل است که یک امپدانس کوچکتر به معنای افت ولتاژ کوچکتر است ، بنابراین می تواند جریان بیشتری را منتقل کند و در نتیجه بار بیشتری داشته باشد.

• ترانسفورماتورها با امپدانس بالا

سپس بار کمتری را تحمل می کند. این امر به این دلیل است که یک امپدانس بزرگتر باعث افت ولتاژ بزرگتر می شود و در نتیجه جریان منتقل شده کوچکتر و در نتیجه بار کوچکتر ایجاد می شود.

یکی از شرایط برای عملکرد موازی این است که امپدانس های ترانسفورماتور چندگانه یکسان است.

فرض کنید دو ترانسفورماتور به طور موازی کار می کنند:

امپدانس اتصال کوتاه ترانسفورماتور A 8 ٪ است.

امپدانس اتصال کوتاه ترانسفورماتور B 10 ٪ است.

اگر این دو ترانسفورماتور به طور موازی عمل کنند ، به دلیل امپدانس اتصال کوتاه کوتاه تر A ، بار بیشتری نسبت به B. به عنوان مثال ، اگر بار کل سیستم 1000kVA باشد ، ممکن است ترانسفورماتور A 600 کیلو ولت داشته باشد ، در حالی که ترانسفورماتور B فقط 400kVa را تحمل می کند.

این توزیع بار ناهموار ممکن است منجر به مشکلات زیر شود:

• اضافه بار: ترانسفورماتورهایی که امپدانس کم دارند ممکن است بیش از حد بارگذاری شوند ، در حالی که ممکن است کسانی که امپدانس بالایی دارند در حالت بار نور قرار بگیرند.

• راندمان پایین: به دلیل توزیع بار ناهموار ، بازده عملیاتی کل سیستم ممکن است کاهش یابد.

• طول عمر کوتاه: ترانسفورماتورهایی که تحت شرایط اضافه بار کار می کنند ممکن است به دلیل استرس حرارتی و پیری تسریع ، طول عمر کوتاه را تجربه کنند.

2.2.4 تنظیمات حفاظت

امپدانس اتصال کوتاه تأثیر مستقیمی در تنظیم دستگاه های محافظ مانند رله و قطع کننده مدار دارد. دستگاه های محافظ معمولاً باید مطابق با جریان اتصال کوتاه تنظیم شوند تا اطمینان حاصل شود که در هنگام وقوع یک مدار کوتاه ، گسل ها به سرعت و به طور مؤثر قطع می شوند و از این طریق تأثیر را بر سایر قسمت های سیستم کاهش می دهند.

درک امپدانس اتصال کوتاه یک ترانسفورماتور برای طراحی تنظیمات حفاظت مناسب برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم مفید است.

 

 

3.1 مزیت امپدانس بالا

• جریان اتصال کوتاه را محدود کنید

ترانسفورماتورها با امپدانس بالا می توانند در هنگام وقوع یک مدار کوتاه ، میزان جریان اتصال کوتاه را محدود کنند. این به محافظت از سیستم برق و تجهیزات کمک می کند و تأثیر گسل ها را بر روی سیستم کاهش می دهد.

• انعطاف پذیری در حین کار موازی

در ترانسفورماتورهایی که به طور موازی کار می کنند ، اگر تفاوت کمی در امپدانس وجود داشته باشد (اما در یک محدوده معقول) ، توزیع بار و جلوگیری از غلظت بیش از حد بار بر روی یک ترانسفورماتور واحد به دلیل امپدانس خیلی کوچک آسان تر است.

• هزینه ممکن است نسبتاً کم باشد

در برخی از طرح ها ، افزایش امپدانس می تواند میزان مواد سیم پیچ مورد استفاده را کاهش دهد و در نتیجه هزینه های تولید را کاهش دهد.

 

3.2 ضرر امپدانس بالا

عملکرد تنظیم ولتاژ ضعیف است

ترانسفورماتورها با امپدانس بالا هنگام تغییر بار ، نوسانات قابل توجهی در ولتاژ خروجی خود را تجربه می کنند. این برای بارها که به ولتاژ پایدار نیاز دارند نامطلوب است و افت ولتاژ نسبتاً بزرگ است

از دست دادن انرژی نسبتاً زیاد

امپدانس بیشتر به معنای مقاومت و واکنش بیشتر است که ممکن است منجر به از بین رفتن انرژی بالاتر شود و کارایی ترانسفورماتور را کاهش دهد.

 

3.3 مزایای امپدانس کم

عملکرد تنظیم ولتاژ خوبی دارد

ترانسفورماتورها با امپدانس کم هنگام تغییر بار ، نوسانات ولتاژ خروجی کمتری دارند و می توانند ولتاژ پایدار تری را فراهم کنند. این برای دستگاه هایی که نسبت به نوسانات ولتاژ مانند دستگاه های الکترونیکی و مراکز داده حساس هستند ، بسیار مهم است ، جایی که افت ولتاژ نسبتاً ناچیز است.

راندمان بالا

امپدانس کوچکتر به معنای مقاومت و واکنش کمتری است که معمولاً منجر به راندمان انرژی بالاتر می شود و در حین کار باعث کاهش تلفات می شود.

 

3.4 ضرر امپدانس کم

جریان اتصال کوتاه نسبتاً بزرگ است

امپدانس کم به این معنی است که وقتی یک مدار کوتاه رخ می دهد ، جریان بسیار بزرگ خواهد بود که ممکن است تأثیر قابل توجهی در سیستم و تجهیزات ایجاد کند. این امر به اقدامات محافظ پیچیده تر و گران تر نیاز دارد.

هزینه تولید بالا

دستیابی به امپدانس کم معمولاً نیاز به استفاده از مواد بیشتر (مانند سیم های ضخیم تر یا هسته های بزرگتر) و فرآیندهای تولید پیچیده تر دارد که باعث افزایش هزینه ها می شود.

 

3.5 انتخاب سازش

در کاربردهای عملی ، طراحان ترانسفورماتور معمولاً باید یک نقطه تعادل بین بزرگی امپدانس پیدا کنند.

این نقطه تعادل به این بستگی دارد:

• الزامات حفاظت از سیستم های برق

اگر جریان اتصال کوتاه نیاز به کنترل دقیق داشته باشد ، ممکن است طرحی با امپدانس بزرگتر انتخاب شود.

• الزامات پایداری ولتاژ بار

در صورت نیاز به ولتاژ خروجی بسیار پایدار ، ممکن است طرحی با امپدانس کوچکتر انتخاب شود.

• توجه به هزینه

با فرض نیازهای عملکرد ، هزینه اغلب یک عامل مهم تصمیم گیری است.

 

 

4.1 هدف آزمون

امپدانس اتصال کوتاه و آزمون از دست دادن بار یک آزمایش مهم برای ترانسفورماتورها است که برای تعیین امپدانس اتصال کوتاه (٪ Z) ترانسفورماتور و از دست دادن بار (یعنی از دست دادن مس) در شرایط اتصال کوتاه استفاده می شود. این آزمایش می تواند اطلاعات مهم الکتریکی ترانسفورماتور را در شرایط خاص کار ارائه دهد ، که برای تأیید کیفیت طراحی و عملکرد ترانسفورماتور مفید است.

• امپدانس اتصال کوتاه (٪ z) را اندازه گیری کنید

امپدانس اتصال کوتاه نشان دهنده اثر ترکیبی مقاومت و واکنش یک ترانسفورماتور است و برای ارزیابی عملکرد یک ترانسفورماتور در شرایط گسل بسیار مهم است.

• کاهش بار را اندازه گیری کنید

از دست دادن بار (یا از بین رفتن مس) از دست دادن قدرت ناشی از مقاومت در برابر سیم پیچ یک ترانسفورماتور در زیر بار دارای امتیاز است ، که می تواند از طریق تست های امپدانس اتصال کوتاه اندازه گیری شود

 

4.2 اصل آزمون

تست امپدانس اتصال کوتاه شامل استفاده از ولتاژ نسبتاً کم به سیم پیچ اولیه (معمولاً سمت ولتاژ بالا) یک ترانسفورماتور در حالی که سیم پیچ کوتاه (معمولاً طرف ولتاژ کم) را اندازه گیری می کند ، و اندازه گیری ولتاژ ، جریان و قدرت سیم پیچ اولیه در این زمان است. بر اساس این مقادیر اندازه گیری ، امپدانس اتصال کوتاه و از دست دادن بار ترانسفورماتور را می توان محاسبه کرد.

 

4.3 مراحل آزمایش

4.3.1 آماده سازی آزمون

سیم کشی: اتصال کوتاه سمت ثانویه (سمت ولتاژ کم) سیم پیچ ترانسفورماتور و سیم پیچ سمت اصلی (سمت ولتاژ بالا) را به منبع تغذیه قابل تنظیم وصل کنید.

تهیه تجهیزات: دستگاه اندازه گیری را برای ثبت پارامترهایی مانند ولتاژ ، جریان و قدرت وصل کنید.

4.3.2 ولتاژ اعمال شده

به تدریج ولتاژ را در قسمت اصلی از صفر افزایش دهید تا جریان در قسمت اصلی به جریان امتیاز برسد. در این مرحله ، به دلیل اتصال کوتاه در سمت ثانویه ، ولتاژ باید نزدیک به صفر باشد.

اندازه گیری 4.3.3

ولتاژ: ولتاژ را اندازه گیری و ضبط کنیداز طرف اصلی

جریان: جریان را اندازه گیری و ضبط کنیداز طرف اصلی

POWER: INPUT ACTIVE POWER P را که عمدتاً از دست دادن بار (از دست دادن مس) سیم پیچ است ، اندازه گیری و ضبط کنید.

محاسبه 4.4.4

فرمول محاسبه امپدانس اتصال کوتاه:

درصد امپدانس اتصال کوتاه (٪ Z):

در میان آنها ،ولتاژ رتبه بندی ترانسفورماتور است

از دست دادن بار (از دست دادن مس) به قدرت اندازه گیری شده P. اشاره دارد.

4.4.5 شرایط آزمون

آزمایشات معمولاً در دمای اتاق انجام می شود ، اما به دلیل تأثیر قابل توجه دما در مقاومت در برابر سیم پیچ ، تلفات بار اندازه گیری شده واقعی ممکن است نیاز به تصحیح دما داشته باشد.

در آزمایش ، ولتاژ اعمال شده نسبتاً کم است. فقط نیاز به رسیدن به جریان رتبه بندی دارد ، نه ولتاژ دارای امتیاز ، زیرا هنگامی که سیم پیچ ثانویه با اتصال کوتاه است ، استفاده از ولتاژ پایین تر برای تولید جریان دارای امتیاز کافی است.

4.4.6 تجزیه و تحلیل نتایج آزمون

مقدار امپدانس اتصال کوتاه

مقدار امپدانس اتصال کوتاه اندازه گیری شده باید با مقدار طراحی یا مقدار موجود در صفحه نام سازگار باشد. اگر اختلافات قابل توجه باشد ، ممکن است نشان دهد که در طراحی یا ساخت ترانسفورماتور مشکلاتی وجود دارد.

از دست دادن بار

از دست دادن بار اندازه گیری شده (از دست دادن مس) برای ارزیابی کارایی ترانسفورماتور در شرایط کامل بار استفاده می شود. این ضرر باید در محدوده مشخص شده در طراحی باشد.

4.4.7 اهمیت

تست امپدانس اتصال کوتاه نه تنها طراحی و کیفیت ساخت ترانسفورماتور را تأیید می کند ، بلکه داده های کلیدی را برای تجزیه و تحلیل گسل سیستم ، تنظیم دستگاه های محافظت و عملکرد موازی ترانسفورماتور نیز فراهم می کند. از طریق این آزمایش ، مهندسان می توانند از ایمنی و قابلیت اطمینان ترانسفورماتور در عملکرد واقعی اطمینان حاصل کنند. در نتیجه ، آزمون امپدانس اتصال کوتاه یک گام مهم برای اطمینان از ترانسفورماتور با مشخصات طراحی است و می تواند با خیال راحت و کارآمد عمل کند.