چکیده :

در این پایان نامه (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

این پروژه شامل پنج فصل است که :

فصل اول :در موردشناخت ترانسفورماتور و آشنایی کلی با اصول اولیه ترانسفورماتور اصول کار و مشخصات اسمی ترانسفورماتور و چگونگی تعیین تلفات در ترانسفورماتور و ساختمان ووسایل حفاظتی بکار رفته در ترانسفورماتور بحث می کند .

فصل دوم :در مورد رابطه بین B – H و منحنی مغناطیس شوندگی تلفات پس ماند هسته جریان تحریکی در ترانسفورماتورها و ناپایداری هارمونیکی مرتبط با هسته و چگونگی ایجاد ناپایداری کنترل ناپایداری و آنالیز هارمونیکی جریان مغناطیس کننده و عناصر اشباع را مورد بررسی قرار می دهد .

فصل سوم :در این فصل با هارمونیکهای جریان ولتاژ اثرات آنها و هارمونیکهای جریان در یک سیستم خازن و یک سیستم پس از نصب خازن و عیوب هارمونیکهای جریان و هارمونیکهای ولتاژ و چگونگی تعیین آنها را مورد بررسی قرار می دهد .

فصل چهارم : دراین فصل به بررسی عملکرد هارمونیک در ترانسفورماتور می پردازیم و انواع آن در اتصالات ترانس را مورد بررسی قرار می دهیم و هارمونیک سوم در ترانسفورماتور و ایجاد سیم پیچ ثالثیه یا پایدارکننده برای حذف هارمونیک و همچنین تلفات هارمونیکها در ترانسفورماتور می پردازیم .

فصل پنجم:در این فصل به منظورحذف هارمونیکهاواثرات آنها در سیستمهای قدرت،به مطالعه جبرانکننده های استاتیک می پردازیم. امروزه در سیستم های قدرت مدرت جبران کننده های استاتیک بعنوان کامل ترین جبران کننده ها مطرح هستند.

فهرست مطالب

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 Y_y 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

فهرست تصاویر

فصل اول................................. 6

شکل1-1: نمایش خطوط شار.................. 8

شکل2-1: شمای کلی ترانسفورماتور.......... 9

شکل3-1: رابطه فوران و نیروی محرکه مغناطیسی 11

شکل4-1: نمایش منحنی های هیستر زیس....... 15

شکل5-1: نمایش بوشیگ های عایق............ 20

شکل6-1: یک نمونه رله.................... 22

شکل7-1: رله کنترل درجه حرارت سیم پیچ ها. 23

شکل8-1: ظرف سیلی کاژل................... 23

شکل9-1: شمای کلی یک ترانسفورماتور با مخزن روغن و سیستم جرقه گیر................................ 24

شکل10-1: نمایش پیچ ارت.................. 25

فصل دوم................................. 26

شکل1-2: نمایش شدت جریان در هسته چنبره شکل 28

شکل2-2: منحنی مغناطیس شوندگی............ 29

شکل3-2: منحنی مغناطیس شوندگی............ 29

شکل4-2: منحنی های هیستر زیس............. 31

شکل5-2: حلقه های ایستا و پویا........... 32

شکل6-2: شکل موج جریان مغناطیس کننده..... 34

شکل7-2: شکل موج جریان تحریک با پسماند... 35

شکل8-2: شکل موج شار برای جریان مغناطیس کننده سینوسی 36

شکل9-2: نمایش هارمونیک های توالی مثبت و منفی 38

شکل10-2: ترکیبdc توالی منفی تولید شده توسط مبدلHVDC 39

شکل11-2: نمایش امپدانس هایAC,DC در روش سیستم حوزه فرکانس........................................ 40

شکل12-2: مقایسه حالات مختلف اشباع........ 41

شکل13-2: مشخصه مغناطیسی ترانسفورماتور... 42

شکل14-2: جریان مغناطیس کننده ترانس و محتوای هارمونیکی آن........................................ 43

شکل15-2: مدار معادلT برای یک ترانسفورماتور 44

شکل16-2: منحنی شار مغناطیسی برحسب جریان ترانسفورماتور 44

شکل17-2: نمونه شکل موج جریان مغناطیسی برای یک ترانسفورماتور........................... 44

فصل سوم................................. 46

شکل1-3: مولدهای هارمونی جریان........... 47

شکل2-3: هارمونیک پنجم با ضریب35%........ 48

شکل3-3: طیف هارمونیک ها................. 50

شکل4-3: جریان تحمیل شده روی جریان اصلی.. 50

شکل5-3: طیف هارمونیک ها................. 50

شکل6-3: جریان تحمیل شده روی جریان اصلی.. 50

شکل7-3: مسیر هارمونیکی جریان در سیستم بدون خازن 52

شکل8-3: مسیر هارمونی های جریان در سیستم پس از نصب خازن 53

شکل9-3: تداخل الکترو استاتیکی با مدارهای مغناطیسی 55

شکل10-3: ولتاژ تشدید بزرگ در اثر هارمونیک سوم 56

شکل11-3: ترانسفورماتور ستاره مثلث زمین، برای حذف هارمونیک های مضرب3........................................ 58

شکل12-3: طراحی ترانسفورماتور برای سازگاری با هارمونیک ها........................................ 58

شکل13-3: مدار معادل ساده شده سیم پیچ ترانسفورماتور 60

شکل14-3: توزیع ولتاژ در طول یک سیم پیچ.. 61

فصل چهارم............................... 63

شکل1-4: نمودار برداری ولتاژهای مؤلفه اصلی، سوم، پنجم و هفتم.................................... 65

شکل2-4: نمودار برداری ولتاژهای اصلی، هارمونیک پنجم وهفتم........................................ 66

شکل3-4: نمایش نیروی محرکه الکتریکیemf اتصال ستاره در هر لحظه.................................... 66

شکل4-4:نمایش هارمونیک های سوم در اتصال مثلث 66

شکل5-4: مربوط به نوسان نقطه خنثی........ 70

شکل6-4: مسیر پارهای هارمونیک سوم (مضرب سه) در ترانسفورماتورهای سه فاز

نوع هسته ای.............................. 71

شکل7-4: ترانسفورماتور با اتصالY-yبدون بار 75

شکل8-4: سیم پیچ سومین (ثالثیه).......... 77

فصل پنجم................................ 80

شکل1-5: ساختمان شماتیکTCR............... 81

شکل2-5: منحنی تغییرات بر حسب زاویه هدایت و زاویه آتش...................................... 83

شکل3-5: مشخصه ولتاژ- جریانTCR........... 84

شکل4-5: یک نمونه صافی با استفاده ازL.C.. 85

شکل5-5: حذف هارمونیک سوم با استفاده از مدارTCR با اتصال ستاره................................... 86

شکل6-5: حدف هارمونیک های پنجم وهفتم با استفاده از مدار TCR با اتصال ستاره.............................. 86

شکل7-5: بررسی اختلال در شبکه قدرت قبل و بعد از استفاده از جبران کننده با خازن............................ 87

شکل8-5: منحنی مشخصه ولتاژ- جریانSR...... 88

شکل9-5: حذف هارمونیک های شبکه قدرت با استفاده از راکتور اشباع شدهSR............................. 88

شکل10-5: منحنی مشخصه ولتاژ- جریانSR با خازن اصلاح شیب 89

شکل 11-5 : حذف هارمونیکهای شبکه قدرت با استفاده از راکتور اشباع شده SR............................. 89

شکل 12-5: منحنی مشخصه ولتاژ – جریان SR با خازن اصلاح شیب........................................ 90

فهرست جداول

فصل دوم.................................

جدول1-2: مقادیر هارمونیک ها در جریان مغناطیسی یک ترانسفورماتور........................... 45

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 :

در کشور ما صنایع عظیم و فعالی وجود دارند که دارای منابع بزرگ هارمونیکی هستند . در زیر به چند نمونه از آنها اشاره خواهیم کرد :

ـ‌ مجتمع های فولاد و صنایع ذوب آهن نظیر نورد اهواز، ذوب آهن اصفهان و . . . از کوره های عظیم قوس الکتریکی استفاده می کنند که در کنار این کوره ها از SVC برای تامین توان راکتیو مورد نیاز جهت بهبود ضریب توان آنها استفاده می شود . در قسمتهای دیگر این مراکز صنعتی انواع و اقسام موتورهای AC و DC در حال کار می باشند و در کنارآنها نیز کنترل کننده های مربوطه در حال انجام وظیفه خود و در نتیجه تزریق هارمونیک در شبکه می باشند.

ـ مجتمع های پتروشیمی و صنایع شیمیائی نظیر پتروشیمی اصفهان ، امام و اراک جهت انجام بسیاری از فرآیندهای شیمیائی به برق DC نیازمند می باشند که برای تامین این برق از یکسو سازهای پر قدرتی استفاده می شود که سهم قابل توجهی را در تولید هارمونیکهای شبکه خواهند داشت .

ـ سیستمهای انتقال ولتاژ بالای DC دارای دو ایستگاه مبدل در ابتدا و انتهای خط DC می باشند که یکی در حالت یکسوکنندگی و دیگری در وضعیت اینورتری کار می کنند . ایستگاههای مبدل فوق حاوی پل های سه فاز تریستوری می باشند و می دانیم که این پل ها در ردیف مهمترین تولید کنندگان هارمونیک می باشند. لازم به توضیح است فعلاً به دلیل عدم وجود سیستم HVDC در شبکه سراسری ایران ، این شبکه از این هارمونیکها مصون می باشد . مع الوصف چنانچه مساله اتصال برق شبکه های کشورهای همسایه مطرح شود بی شک باید هارمونیکهای تولید شده مورد توجه و بررسی قرار گیرند .

ـ سیستم حمل و نقل برقی شهری " مترو" ، جهت تغذیه و کنترل سرعت و گشتاور موتورهای الکتریکی متصل به لوکوموتیوها از محرکه هائی استفاده می کند که به نوبه خود در نقش منبع هارمونیک ، باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج ولتاژ و جریان سیستمی می شود که شبکه مترو را تغذیه می کند . با توجه به اینکه در آینده نزدیک مترو در کلان شهرهایی نظیر اصفهان ، تبریز ، مشهد و غیره علاوه بر تهران شروع به کار خواهد کرد ، چنانچه بررسی های هارمونیکی به درستی انجام نگیرد ، ممکن است باعث بروز مشکلات زیادی در شبکه برق شهرهای مربوط و نیز شبکه سراسری شود .

ـ پیشرفت روز افزون عناصر نیمه هادی و کاربرد آنها در تجهیزات ادارات و بمارستانها و حتی منازل باعث ایجاد مشکلاتی در خود این مراکز یا مصرف کنندگان دیگر شبکه خواهد شد. لامپهای تخلیه ای ( مثل بخار جیوه ، بخار سدیم و فلور سنت ) مورد استفاده در این مراکز ، خود نیز باعث بروز هارمونیکها می باشند .

فصل اول

شناخت ترانسفورماتور

1-1 مقدمه :

قبل از اینکه به موضوعات اصلی نوشته حاضر که بررسی اثرات هارمونیکها در ترانسفورماتورهای قدرت می باشد بپردازیم در این فصل مروری بسیار مختصر بر روی تئوری ترانس و مفاهیم و همچنین شناسائی قسمتهای مختلف ان خواهیم داشت .

ترانسفورماتورهایی که در صنعت به کار می روند اکثرا سه فاز بوده و بر اساس قدرت و ولتاژ و دیگر مشخصات تقسیم بندی می شوند برای انتقال ولتاژ به صورت اقتصادی و کاهش تلفات در طول مسیر انتقال ولتاژ را به وسیله ترانسفورماتورها افزایش داده و در مراکز مصرف با تقلیل دادن ولتاژ بصورت مرحله ای در چند مرحله ( در ایران از 400 به 230 به 132 به 63 و به 20کیلو ولت ) امکان استفاده از نیروی برق را حاصل خواهند نمود که در این راستا برای داشتن ولتاژ شهری در مراکز توزیع با استفاده از ترانسفورماتور کاهنده در قدرتهای پائین ولتاژ را به حدود V400 می رسانند

علاوه بر ترانسفورماتورهای قدرت و توزیع انواع دیگری از ترانسفورماتور نیز وجود دارد که از جمله انها می توان ترانسهای ولتاژ – جریان و ترانسهای مخصوص کوره های القائی را نام برد که از بحث این جزوه خارج می باشد و سعی برآن است که بیشتر روی ترانسفورماتورهای تا قدرت KVA 1600 و ولتاژ KV 33 بحث شود .

2-1 تعریف ترانسفورماتور

ترانسفورماتور یک وسیله الکترومغناطیسی ساکنی است که توسط القاء الکترومغناطیسی بین دو یا چند سیم پیچ انرژی الکتریکی را در یک سیستم جریان متناوب از یک مداری به مدار دیگر با حفظ اندازه فرکانس انتقال می دهد و می تواند ولتاژ کم را به به زیاد و یا بلعکس تبدیل نماید .

3-1 اصول اولیه

همانطور که در تعریف ترانسفورماتور بیان شد اساس کاربر القاء متقابل بین دوبوبین بنا نهاده شده است این دوبوبین از لحاظ الکتریکی جدا از هم ولی از لحاظ مغناطیسی به هم مرتبط هستند .

4-1 القاء متقابل

بطوری که می دانیم تغییرات حوزه مغناطیسی در اطراف سیم پیچ ها موجب پیدایش یک نیروی محرکه القائی می گردد . ظهور این پدیده با عبور جریان متناوب از سیم پیچ ها همیشه همراه است زیرا تغییرات جریان ، همواره باعث تغییر سیل مغناطیسی در بوبین ها می شود .

حال اگر دوبوبین A و B را که به ترتیب دارای اندوکتانس L₁ و L₂ هستند در مجاورت یکدیگر قرار دهیم قسمتی از سیل مغناطیسی که بر اثر عبور جریان iدرهسته بوبین A تولید می شود از داخل بوبین B نیز می گذارد و در سیم های آن هم نیروی محرکه القایی e₁ بوجود می آید بلعکس عبور هر جریان متناوبی از بوبین B موجب پیدایش نیروی محرکه القائی در بوبین A می شود این پدیده را القاء متقابل می گویند .

هر قدر ارتباط مغناطیسی بین دوبوبین کاملتر باشد اثر این پدیده شدیدتر است بطوریکه اگر تمام سیل مغناطیسی هسته بوبین A از هسته B بگذرد در هر حلقه از آنها نیروی محرکه مساوی القاء می شود .

شکل 1-1 نمایش خطوط شار

اگر فرض کنیم از سیل القائی که با نمایش می دهیم از هسته بوبین B بگذرد که تعداد حلقه های آن N₂ باشد القاء کننده در این بوبین خواهد بود و نیروی محرکه القائی در بوبین B از این لحاظ رابطه به دست می آید .

5-1 اصول کار ترانسفورماتور

اساس کار ترانسفورماتور عبارت است از دو سیم پیچ که در اثر عبور جریان از هر کدام روی یکدیگر القاء متقابل داشته و برای کوپلاژ کامل و هدایت سیل مغناطیسی دو سیم پیچ روی هسته ای از آهن با ضریب نفوذ مغناطیسی حتی الامکان زیاد پیچیده می شود .

شکل (2-1) شمای کلی ترانسفورماتور

اگر یک سیم پیچ با N دور داشته باشیم که در میدان مغناطیسی با فوران متغیر قرار داشته باشد ولتاژ القائی در آن سیم پیچ برابر خواهد بود با

بنابراین ولتاژ موثر برابر مقدار زیر است . E=4.44NF A_FeB_m

B_m دامنه چگالی فوران مغناطیسی سینوسی و A_Fe سطح مقطع خالص هسته ای که این فوران را عبور می دهد می باشد با توجه به رابطه فوق نسبت ولتاژهای القائی در شکل (2-1) با صرفنظر از تمام تلفات بدست خواهد آمد k را نسبت تبدیل ترانسفورماتور گویند .

اگر K>1 باشدترانسفورماتورافزاینده واگرk<1 باشدآنرا کاهنده گویند . همینطور با صرفنظر از تلفات و با توجه به برابری آمپر دوردر اولیه و ثانویه خواهیم داشت.

فلوی مغناطیسی در هسته تابعی غیر خطی از میزان جریان سیم پیچی روی آن می باشد رابطه فوران و نیروی محرکه مغناطیسی در منحنی شکل (3-1) نمایش داده شده است منحنی اشباع آهن (C-3-1) نشان می دهد . در فورانهای بالا آهن اشباع شده جریان مغناطیس کننده بشدت زیاد می شود علاوه بر آن طی یک سیکل کامل ولتاژ بافوران سینوسی بواسطه خاصیت پس ماند مغناطیسی آهن ، اندوکسیون بر حسب آمپر دور بجای یک خط مستقیم گذرا از مبدا یک حلقه بسته را تشکیل می دهد که موجب تلفاتی به اندازه سطح داخل حلقه یعنی در واحد حجم طی هر سیکل است در شکل (3-1) سطح داخلی هسته با ازدیاد فرکانس بزرگتر می شود و این به واسطه اضافه شدن تلفات جریان گردابی آهن بر تلفات هیسترزیس است منحنی DC را در این منحنی ها حلقه هیسترزیس می نامند .

شکل (3-1) رابطه فوران و نیروی محرکه مغناطیسی

(b) – برای اندوکسیون کم

( (a برای اندوکسیون زیاد

منحنی DC همان حلقه هیسترزیس

(c) – نمونه ای از منحنی اشباع شده

6-1 مشخصات اسمی ترانسفورماتور

منظور از مشخصات اسمی ترانسفورماتور مقادیری است نظیر قدرت ولتاژ جریان – فرکانس و غیره که روی صفحه مشخصات ( پلاک مشخصات ) نوشته شده آن به این معنی است که ترانسفورماتور در حالت کار عادی باید با آن مقادیر کار کند و طبق مقررات بین المللی یک ترانسفورماتور باید بتواند 8765 ساعت در سال با مشخصات اسمی بدون هیچگونه اشکالی کار کند همیشه مقادیر اسمی با اندیس n” نمایش می دهند مثلا u_in .

1-6-1 قدرت اسمی

قدرتی است که می تواند از قسمت ثانویه ترانسفورماتور گرفت و معمولا مقدار آن بر حسب KVA روی صفحه مشخصات نوشته شده است ( قدرت ظاهری PS)

2-6-1 ولتاژ اسمی اولیه

اختلاف سطح مجازی است که اولیه ترانسفورماتور باید با آن تغذیه شود U_in ولتاژ اسمی ثانویه ولتاژی است که می توان از ثانویه ترانسفورماتور بدون بار بوده و به اولیه ولتاژ اسمی داده شده باشد . U_2n به بیان دیگر ولتاژ اسمی عبارت است از ولتاژی که عملا کلیه عایقها و سیستم های عایق را بر اساس آن طراحی می کنند و ولتاژی است که در حالت بهره برداری عادی به ترانسفورماتور اعمال می شود . ولتاژهای استانداردی که در شبکه توزیع متوسط در ایران مورد استفاده قرار می گیرد در رنجهای 11 و 20 و 33 کیلو ولت می باشد . که بسته به موقعیت نصب ترانس در هر یک از شبکه ها از ولتاژ اسمی مناسب طراحی می شود .

3-6-1 جریان اسمی

جریان اسمی اولیه یا ثانویه جریانی است که روی پلاک مشخصات تعیین شده و یا می توان با قدرت ظاهری و ولتاژ اسمی محاسبه نمود از آنجا که نسبتا ضریب بهره ترانسفورماتور زیاد است قدرت اسمی اولیه و ثانویه را می توان یکی گرفت .

در این پایان نامه (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

فهرست مطالب

مقدمه1

فصل اول: شناخت ترانسفورماتور6

1-1 مقدمه7

2-1 تعریف ترانسفورماتور7

3-1 اصول اولیه7

4-1 القاء متقابل7

5-1 اصول کار ترانسفورماتور9

6-1 مشخصات اسمی ترانسفورماتور12

1-6-1 قدرت اسمی12

2-6-1 ولتاژ اسمی اولیه12

3-6-1 جریان اسمی12

4-6-1 فرکانس اسمی12

5-6-1 نسبت تبدیل اسمی13

7-1 تعیین تلفات در ترانسفورماتورها13

1-7-1 تلفات آهنی13

2-7-1 تلفات فوکو در هسته13

3-7-1 تلفات هیسترزیس14

4-7-1 مقدار تلفات هیسترزیس16

5-7-1 تلفات مس16

8-1 ساختمان ترانسفورماتور17

1-8-1 مدار مغناطیسی (هسته17

2-8-1 مدار الکتریکی (سیم پیچها17

1-2-8-1 تپ چنجر18

2-2-8-1 انواع تپ چنجر18

3-8-1 مخزن روغن19

مخزن انبساط19

4-8-1 مواد عایق19

الف - کاغذهای عایق20

ب - روغن عایق20

ج - بوشینکهای عایق20

5-8-1 وسایل حفاظتی21

الف – رله بوخهلتس21

ب – رله کنترل درجه حرارت سیم پیچ22

ج – ظرفیت سیلی گاژل23

9-1 جرقه گیر24

1-10 پیچ ارت24

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

1-2 مقدمه27

2-2 منحنی مغناطیس شوندگی27

3-2 پس ماند (هیسترزیس30

4-2 تلفات پس ماند (تلفات هیسترزیس32

5-2 تلفات هسته32

6-2 جریان تحریک33

7-2 پدیده تحریک در ترانسفورماتورها33

8-2 تعریف و مفهوم هارمونیک ها36

1-8-2 هارمونیک ها36

2-8-2 هارمونیک های میانی37

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

10-2 واکنشهای فرکانسی AC-DC37

11-2 چگونگی ایجاد ناپایداری39

12-2 تحلیل ناپایداری40

13-2 کنترل ناپایداری41

14-2 جریان مغناطیس کننده ترانسفورماتور42

1-14-2 عناصر قابل اشباع42

2-14-2 وسایل فرومغناطیسی43

فصل سوم : تأثیر هارمونیکهای جریان ولتاژ روی ترانسفورماتورهای قدرت 46

1-3 مقدمه47

2-3 مروری بر تعاریف اساسی47

3-3 اعوجاج هارمونیکها در نمونه هایی از شبکه49

4-3 اثرات هارمونیک ها51

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 جریان54

7-3 عیوب هارمونیکها در ترانسفورماتور54

1-7-3 هارمونیکهای جریان54

1) اثر بر تلفات اهمی54

2) تداخل الکترومغناطیسی با مدارهای مخابراتی54

3) تأثیر بر روی تلفات هسته55

2-7-3 هارمونیک های ولتاژ55

1) تنش ولتاژ روی عایق55

2) تداخل الکترواستاتیکی در مدارهای مخابراتی55

3) ولتاژ تشدید بزرگ56

8-3 حذف هارمونیکها56

1) چگالی شار کمتر56

2) نوع اتصال57

3) اتصال مثلث سیم پیچی اولیه یا ثانویه57

4) استفاده از سیم پیچ سومین57

5) ترانسفورماتور ستاره – مثلث زمین57

9-3 طراحی ترانسفورماتور برای سازگاری با هارمونیک ها58

10-3 چگونگی تعیین هارمونیکها59

11-3 اثرات هارمونیکهای جریان مرتبه بالا روی ترانسفورماتور 59

12-3 مفاهیم تئوری60

1-12-3 مدل سازی60

13- 3 نتایج عمل61

14-3 راه حل ها62

15-3 نتیجه گیری نهایی62

فصل چهارم: بررسی عملکرد هارمونیک ها در ترانسفورماتورهای قدرت 63

1-4 مقدمه64

2-4- پدیده هارمونیک در ترانسفورماتور سه فاز64

3-4 اتصال ستاره68

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 Y_y ستاره با نقطه خنثی72

5-4 اتصال Dy72

6-4 اتصال yd73

7-4 اتصال Dd74

8-4 هارمونیک های سوم در عمل ترانسفورماتور سه فاز74

9-4 سیم پیچ ثالثیه یا پایدارکننده76

10-4 تلفات هارمونیک در ترانسفورماتور77

1-10-4 تلفات جریان گردابی در هادی های ترانسفورماتور77

2-10-4 تلفات هیسترزیس هسته77

3-10-4 تلفات جریان گردابی در هسته78

4-10-4 کاهش ظرفیت ترانسفورماتور79

فصل پنجم: جبران کننده های استاتیک80

1-5 مقدمه81

2-5 راکتور کنترل شده با تریستور TCR81

1-2-5 ترکیب TCR و خازنهای ثابت موازی87

3-5 راکتور اشباع شدهSCR88

1-3-5 شیب مشخصه ولتاژ89

نتیجه گیری 91

منابع و مآخذ92

چکیده به زبان انگلیسی94

فهرست تصاویر

فصل اول6

شکل1-1: نمایش خطوط شار8

شکل2-1: شمای کلی ترانسفورماتور9

شکل3-1: رابطه فوران و نیروی محرکه مغناطیسی11

شکل4-1: نمایش منحنی های هیستر زیس15

شکل5-1: نمایش بوشیگ های عایق20

شکل6-1: یک نمونه رله22

شکل7-1: رله کنترل درجه حرارت سیم پیچ ها23

شکل8-1: ظرف سیلی کاژل23

شکل9-1: شمای کلی یک ترانسفورماتور با مخزن روغن و سیستم جرقه گیر24

شکل10-1: نمایش پیچ ارت25

فصل دوم26

شکل1-2: نمایش شدت جریان در هسته چنبره شکل28

شکل2-2: منحنی مغناطیس شوندگی29

شکل3-2: منحنی مغناطیس شوندگی29

شکل4-2: منحنی های هیستر زیس31

شکل5-2: حلقه های ایستا و پویا32

شکل6-2: شکل موج جریان مغناطیس کننده34

شکل7-2: شکل موج جریان تحریک با پسماند35

شکل8-2: شکل موج شار برای جریان مغناطیس کننده سینوسی36

شکل9-2: نمایش هارمونیک های توالی مثبت و منفی38

شکل10-2: ترکیبdc توالی منفی تولید شده توسط مبدلHVDC39

شکل11-2: نمایش امپدانس هایAC,DC در روش سیستم حوزه فرکانس40

شکل12-2: مقایسه حالات مختلف اشباع41

شکل13-2: مشخصه مغناطیسی ترانسفورماتور42

شکل14-2: جریان مغناطیس کننده ترانس و محتوای هارمونیکی آن43

شکل15-2: مدار معادلT برای یک ترانسفورماتور44

شکل16-2: منحنی شار مغناطیسی برحسب جریان ترانسفورماتور44

شکل17-2: نمونه شکل موج جریان مغناطیسی برای یک ترانسفورماتور44

فصل سوم 46

شکل1-3: مولدهای هارمونی جریان47

شکل2-3: هارمونیک پنجم با ضریب3548

شکل3-3: طیف هارمونیک ها50

شکل4-3: جریان تحمیل شده روی جریان اصلی50

شکل5-3: طیف هارمونیک ها50

شکل6-3: جریان تحمیل شده روی جریان اصلی50

شکل7-3: مسیر هارمونیکی جریان در سیستم بدون خازن52

شکل8-3: مسیر هارمونی های جریان در سیستم پس از نصب خازن53

شکل9-3: تداخل الکترو استاتیکی با مدارهای مغناطیسی55

شکل10-3: ولتاژ تشدید بزرگ در اثر هارمونیک سوم56

شکل11-3: ترانسفورماتور ستاره مثلث زمین، برای حذف هارمونیک های مضرب358

شکل12-3: طراحی ترانسفورماتور برای سازگاری با هارمونیک ها58

شکل13-3: مدار معادل ساده شده سیم پیچ ترانسفورماتور60

شکل14-3: توزیع ولتاژ در طول یک سیم پیچ61

فصل چهارم63

شکل1-4: نمودار برداری ولتاژهای مؤلفه اصلی، سوم، پنجم و هفتم65

شکل2-4: نمودار برداری ولتاژهای اصلی، هارمونیک پنجم وهفتم66

شکل3-4: نمایش نیروی محرکه الکتریکیemf اتصال ستاره در هر لحظه66

شکل4-4:نمایش هارمونیک های سوم در اتصال مثلث66

شکل5-4: مربوط به نوسان نقطه خنثی70

شکل6-4: مسیر پارهای هارمونیک سوم (مضرب سه) در ترانسفورماتورهای سه فاز

نوع هسته ای 71

شکل7-4: ترانسفورماتور با اتصالY-yبدون بار75

شکل8-4: سیم پیچ سومین (ثالثیه77

فصل پنجم80

شکل1-5: ساختمان شماتیکTCR81

شکل2-5: منحنی تغییرات بر حسب زاویه هدایت و زاویه آتش83

شکل3-5: مشخصه ولتاژ- جریانTCR84

شکل4-5: یک نمونه صافی با استفاده ازL.C85

شکل5-5: حذف هارمونیک سوم با استفاده از مدارTCR با اتصال ستاره86

شکل6-5: حدف هارمونیک های پنجم وهفتم با استفاده از مدار TCR با اتصال ستاره.. 86

شکل7-5: بررسی اختلال در شبکه قدرت قبل و بعد از استفاده از جبران کننده با خازن. 87

شکل8-5: منحنی مشخصه ولتاژ- جریانSR88

شکل9-5: حذف هارمونیک های شبکه قدرت با استفاده از راکتور اشباع شدهSR..... 88

شکل10-5: منحنی مشخصه ولتاژ- جریانSR با خازن اصلاح شیب89

شکل 11-5 : حذف هارمونیکهای شبکه قدرت با استفاده از راکتور اشباع شده SR....... 89

شکل 12-5: منحنی مشخصه ولتاژ – جریان SR با خازن اصلاح شیب90

فهرست جداول

فصل دوم

جدول1-2: مقادیر هارمونیک ها در جریان مغناطیسی یک ترانسفورماتور 45