Ο μετασχηματιστής ισχύος χρησιμοποιεί μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή για να μεταφέρει ηλεκτρική ισχύ, με μαγνητική σύζευξη, μεταξύ τυλιγμάτων διαφορετικής τάσης. Ο ελασματωμένος χαλύβδινος πυρήνας είναι καθοριστικός: μεταφέρει το μεγαλύτερο μέρος της ροής, περιορίζει μαγνητικές απώλειες και συνδέει τις τρεις φάσεις.
Το πρώτο εργαλείο μας επικεντρώνεται σε συμμετρικούς τριφασικούς μετασχηματιστές ΜΤ/ΧΤ δύο τυλιγμάτων. Υπολογίζει ονομαστικά ρεύματα, μεγέθη τυλιγμάτων, μετατόπιση ομάδας συνδεσμολογίας, μέτρο ισοδύναμης σύνθετης αντίστασης και ρητά απλουστευμένη εκτίμηση τριφασικού σφάλματος ΧΤ.
Τι μπορούμε να υπολογίσουμε από την πινακίδα του μετασχηματιστή;
Από την ονομαστική τριφασική φαινόμενη ισχύ (kVA), τις πολικές τάσεις πρωτεύοντος και δευτερεύοντος, την τάση βραχυκύκλωσης uk% και την ομάδα συνδεσμολογίας υπολογίζονται τα ονομαστικά ρεύματα γραμμής και τα ηλεκτρικά μεγέθη των τυλιγμάτων. Η συνδεσμολογία επηρεάζει τις τάσεις και τα ρεύματα κάθε τυλίγματος, όχι όμως το συνολικό ονομαστικό ρεύμα γραμμής όταν η τριφασική ισχύς και η αντίστοιχη τάση παραμένουν ίδιες.
Η επιλογή μόνωσης/ψύξης μετασχηματιστή — Χυτορητίνης (ξηρού τύπου) or Ελαίου — παρέχεται για πληροφοριακούς λόγους. Δεν αλλάζει αυτόματα τα ονομαστικά ηλεκτρικά στοιχεία, το uk% ή την επιτρεπόμενη φόρτιση. Οι τιμές πρέπει να προέρχονται από την πραγματική πινακίδα και την τεκμηρίωση του κατασκευαστή.
Πώς λειτουργεί ο τριφασικός μαγνητικός πυρήνας;
Οι περισσότεροι συμβατικοί τριφασικοί μετασχηματιστές διανομής χρησιμοποιούν πυρήνα τριών στηλών κατασκευασμένο από λεπτά, μονωμένα ελάσματα ηλεκτροτεχνικού χάλυβα. Οι κατακόρυφες στήλες ονομάζονται σκέλη· οι οριζόντιες συνδέσεις ονομάζονται ζυγοί του πυρήνα (yokes). Κάθε σκέλος φέρει τα τυλίγματα μίας φάσης, συνήθως ομόκεντρα γύρω από τον χάλυβα.
Η τάση AC στο πρωτεύον τύλιγμα δημιουργεί εναλλασσόμενη ροή στο σκέλος του. Οι άνω και κάτω ζυγοί του πυρήνα συνδέουν τα σκέλη μαγνητικά· η ροή κάθε σκέλους συσχετίζεται επομένως με τις μαγνητικές συνθήκες στα άλλα. Σε ιδανικό συμμετρικό τριφασικό σύστημα, το στιγμιαίο άθροισμα των τριών ροών είναι περίπου μηδέν:
Η μαγνητική ροή δεν είναι υλικό που μεταφέρεται από το πρωτεύον στο δευτερεύον. Είναι μέγεθος που περιγράφει το μαγνητικό πεδίο μέσα από μια επιφάνεια. Ο πυρήνας προσφέρει διαδρομή χαμηλής μαγνητικής αντίστασης, ώστε η μεταβαλλόμενη ροή να συνδέει αποτελεσματικά τα δύο τυλίγματα.
Πώς επάγεται τάση στο δευτερεύον;
Όταν μεταβάλλεται η μαγνητική ροή που συνδέει ένα τύλιγμα, επάγεται ηλεκτρεγερτική δύναμη (τάση). Ο νόμος του Faraday για τύλιγμα με N σπείρες είναι:
Το αρνητικό πρόσημο εκφράζει τον νόμο του Lenz: η επαγόμενη δράση αντιτίθεται στη μεταβολή που την προκαλεί. Πρωτεύον και δευτερεύον συνδέονται ουσιαστικά με την ίδια ροή πυρήνα, άρα περισσότερες σπείρες αντιστοιχούν σε μεγαλύτερη επαγόμενη τάση. Για περίπου ημιτονοειδή μαγνητική ροή, η ενεργός τάση τυλίγματος είναι:
Εδώ f είναι η συχνότητα σε hertz και Φμέγ. είναι η μέγιστη μαγνητική ροή σε weber. Αυτό εξηγεί επίσης γιατί η εφαρμογή ίδιας ονομαστικής τάσης σε χαμηλότερη συχνότητα μπορεί να αυξήσει την πυκνότητα ροής και να οδηγήσει τον χάλυβα προς κορεσμό.
Ακόμη και χωρίς φορτίο στο δευτερεύον, ο μετασχηματιστής απορροφά ρεύμα μαγνήτισης και ρεύμα που αντιστοιχεί στις απώλειες εν κενώ. Όταν συνδεθεί φορτίο, αυξάνεται το ρεύμα του πρωτεύοντος για να αντισταθμίσει τη μαγνητική επίδραση του δευτερεύοντος. Έτσι η ροή παραμένει περίπου εκείνη που καθορίζουν η εφαρμοζόμενη τάση και η συχνότητα.
Γιατί ο πυρήνας αποτελείται από ελάσματα και όχι συμπαγή χάλυβα;
Το εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο επάγει κυκλοφορούντα ρεύματα μέσα στον αγώγιμο χάλυβα. Αυτά τα δινορρεύματα παράγουν ανεπιθύμητη θέρμανση I²R. Τα λεπτά, αμοιβαία μονωμένα ελάσματα διασπούν τους μεγάλους βρόχους ρεύματος και περιορίζουν σημαντικά τις απώλειες.
Ο πυρήνας επίσης απορροφά ενέργεια κάθε κύκλο επειδή οι μαγνητικές περιοχές μεταβάλλουν επανειλημμένα τον προσανατολισμό τους. Πρόκειται για απώλειες υστέρησης. Ειδικοί ηλεκτροτεχνικοί χάλυβες προσανατολισμένων κόκκων ή άλλοι κατάλληλοι χάλυβες μετασχηματιστών μειώνουν και τους δύο τύπους μαγνητικών απωλειών.
Η ισχύς που καταναλώνει ο πυρήνας υπάρχει ακόμη κι όταν το δευτερεύον είναι ανοικτό· αποτελεί σημαντικό τμήμα των απωλειών εν κενώ P₀. Αντίθετα, οι ωμικές απώλειες τυλιγμάτων χαλκού/αλουμινίου αυξάνονται έντονα με το ρεύμα και συχνά προσεγγίζονται ως ανάλογες του τετραγώνου του ρεύματος φορτίου.
Κορεσμός, ρεύμα εν κενώ και ρεύμα ζεύξης μετασχηματιστή
Ο χάλυβας δεν διαθέτει άπειρη μαγνητική διαπερατότητα. Όταν η πυκνότητα ροής προσεγγίζει το γόνατο της καμπύλης μαγνήτισης B–H, περαιτέρω αύξηση της έντασης πεδίου επιφέρει μικρή πρόσθετη ροή: ο πυρήνας πλησιάζει τον μαγνητικό κορεσμό. Τότε το ρεύμα μαγνήτισης αυξάνεται δυσανάλογα.
Κατά την ενεργοποίηση, η στιγμή ζεύξης και ο τυχόν παραμένουσα μαγνήτιση μπορεί να δημιουργήσουν μεταβατική μετατόπιση της μαγνητικής ροής. Ο μετασχηματιστής μπορεί να απορροφήσει υψηλό, ασύμμετρο ρεύμα ζεύξης μαγνήτισης (inrush) παρά την απουσία φορτίου στο δευτερεύον. Το μέγεθος και η απόσβεσή του εξαρτώνται από τη μαγνητική σχεδίαση, τη στιγμή ζεύξης ως προς την κυματομορφή, την παραμένουσα ροή και τη σύνθετη αντίσταση δικτύου.
Η προστασία πρέπει να ξεχωρίζει το παροδικό ρεύμα μαγνήτισης κατά τη ζεύξη (inrush) από ένα πραγματικό εσωτερικό σφάλμα. Στους διαφορικούς ηλεκτρονόμους χρησιμοποιούνται συχνά λειτουργίες συγκράτησης ή αναστολής για το inrush. Η επιλογή και οι ρυθμίσεις τους πρέπει να βασίζονται στον συγκεκριμένο μετασχηματιστή και στη μελέτη προστασιών.
Χυτορητίνης έναντι ελαίου
Χυτορητίνης · Ξηρού τύπου
Τα τυλίγματα συνήθως εγκιβωτίζονται ή μονώνονται με στερεά μονωτικά συστήματα. Η ψύξη γίνεται συνήθως με φυσικό αέρα (AN) ή εξαναγκασμένο αέρα σύμφωνα με τη σχεδίαση κατασκευαστή (AF). Πυρήνας και τυλίγματα δεν βυθίζονται σε μονωτικό υγρό.
Σχετική αναφορά: IEC 60076-11 για μετασχηματιστές ισχύος ξηρού τύπου.
Ελαίου
Ο πυρήνας και τα τυλίγματα βυθίζονται σε μονωτικό υγρό που παρέχει ηλεκτρική μόνωση και μεταφέρει θερμότητα προς ψυγεία ή τοιχώματα δοχείου. Τυπική ψύξη ONAN, με ONAF υποβοηθούμενη από ανεμιστήρες όπου υποστηρίζεται.
Σχετικές αναφορές: IEC 60076-1 και οδηγός φόρτισης μετασχηματιστών ελαίου IEC 60076-7, όπου εφαρμόζεται.
Και οι δύο τύποι ακολουθούν τις ίδιες σχέσεις επαγωγής και ονομαστικών ρευμάτων. Η επιτρεπόμενη ανύψωση θερμοκρασίας, η δυνατότητα υπερφόρτισης, οι μονωτικές αποστάσεις και οι ανάγκες συντήρησης εξαρτώνται από τον συγκεκριμένο τύπο μετασχηματιστή και τα στοιχεία του κατασκευαστή. Η ύπαρξη εξαναγκασμένης ψύξης (AN/AF ή ONAN/ONAF) δεν σημαίνει από μόνη της ότι επιτρέπεται αύξηση της ονομαστικής ισχύος σε kVA.
Από τα ονομαστικά kVA στα μεγέθη γραμμής και τυλιγμάτων
Το ονομαστικό ρεύμα κάθε πλευράς συμμετρικού τριφασικού μετασχηματιστή προκύπτει από τη φαινόμενη ισχύ:
Δεν χρειάζεται cos φ επειδή τα kVA είναι φαινόμενη ισχύς. Η πραγματική τάση και το ρεύμα κάθε τυλίγματος εξαρτώνται από τη συνδεσμολογία της πλευράς.
Ο ιδανικός λόγος τάσεων ανά σπείρα αντιστοιχεί στις τάσεις τυλιγμάτων και όχι απλώς στις δύο ονομαστικές πολικές τάσεις:
Για Dyn5 ή Dyn11, η πλευρά ΜΤ συνδέεται σε τρίγωνο και η ΧΤ σε αστέρα: το τύλιγμα ΜΤ δέχεται ολόκληρη την πολική τάση ΜΤ, ενώ το τύλιγμα φάσης ΧΤ δέχεται 400/√3 V. Οι συνδέσεις δοκιμής λόγου μετασχηματισμού (TTR) και οι συμβάσεις των οργάνων πρέπει να ληφθούν χωριστά υπόψη.
Ομάδες συνδεσμολογίας: γιατί το Dyn5 διαφέρει από το Dyn11
Dyn5 — η προεπιλογή μας
D: Πλευρά ΜΤ σε τρίγωνο.
y: Πλευρά ΧΤ σε αστέρα.
n: Διαθέσιμος ουδέτερος ΧΤ.
5: Ο φάσορας γραμμής ΧΤ βρίσκεται στη θέση 5 του ρολογιού, δηλαδή υστερεί κατά 150° ως προς την αναφορά ΜΤ.
Για σύγκριση, Dyn11 έχει ίδιες συνδέσεις τριγώνου/αστέρα και ουδέτερο, αλλά ο φάσορας γραμμής ΧΤ βρίσκεται στην ώρα 11: προηγείται κατά 30°.
Οι θέσεις ώρας δηλώνουν φασική μετατόπιση, όχι φυσική φορά περιστροφής του μετασχηματιστή. Δύο μετασχηματιστές με διαφορετικές ομάδες συνδεσμολογίας κατά κανόνα δεν πρέπει να λειτουργούν παράλληλα χωρίς τεχνική αξιολόγηση· κυκλοφορούντα ρεύματα και ασυμφωνία φάσης αποτελούν σοβαρούς κινδύνους.
Το εργαλείο προσφέρει επίσης Dyn1, Dyn7, Yyn0, Dd0 και επιλεγμένες διατάξεις YN/d. Αναφέρει διαθεσιμότητα ουδετέρου και μεγέθη τυλιγμάτων με βάση τη συνδεσμολογία. Δεν υπολογίζει σύνθετη αντίσταση μηδενικής ακολουθίας, πραγματικά διαγράμματα πολικότητας ακροδεκτών ή κυκλοφορία αρμονικών.
Τι δείχνει η τάση βραχυκύκλωσης;
Η αναγραφόμενη τάση βραχυκύκλωσης uk% εκφράζει το μέτρο της ισοδύναμης σύνθετης αντίστασης του μετασχηματιστή σε ανά μονάδα, ως ποσοστό επί ονομαστικών τιμών βάσης. Στην πλευρά ΧΤ:
Για μια πρώτη εκτίμηση του συμμετρικού ρεύματος βραχυκυκλώματος στους ακροδέκτες ΧΤ, με παραδοχή ότι η ανάντη ισχύς βραχυκυκλώματος είναι άπειρη, is:
Πρόκειται για προκαταρκτική εκτίμηση μόνο από τον μετασχηματιστή, με παραδοχή ιδανικά ισχυρής ανάντη πηγής, όχι εγγυημένο μέγιστο για την εγκατάσταση ούτε πλήρες αποτέλεσμα IEC 60909. Συντελεστές τάσης δικτύου, ανάντη σύνθετη αντίσταση, διατάξεις πηγών, συντελεστές διόρθωσης, συνεισφορές κινητήρων και άλλων πηγών, λόγος X/R του σφάλματος, θέσεις λήψεων και σύνθετες αντιστάσεις συνδέσεων μπορούν να αλλάξουν την πραγματική μελέτη σφάλματος.
Μην χρησιμοποιείτε αυτή την απλουστευμένη εκτίμηση ως μοναδικό κριτήριο για την ικανότητα διακοπής ή ζεύξης ενός διακόπτη ούτε για την αντοχή πίνακα ΧΤ σε βραχυκύκλωμα. Απαιτείται ανεξάρτητος έλεγχος με τα πραγματικά δεδομένα της εγκατάστασης.
1.600 kVA · 20/0,4 kV · Dyn5 · uk = 6%
Υποθέστε τριφασικό μετασχηματιστή χυτορητίνης, ψύξης AN, 1.600 kVA, ΜΤ 20 kV, ΧΤ 400 V, ομάδας Dyn5 και uk 6%. Οι παρακάτω τιμές υπολογίζονται από τον ίδιο υπολογιστικό πυρήνα με το εργαλείο.
Τεχνική ερμηνεία: Το ονομαστικό ρεύμα ΧΤ είναι χρήσιμο για επιλογή αγωγών ή προκαταρκτικής διάταξης ζυγών. Η εκτίμηση σφάλματος αναδεικνύει την ανάγκη πραγματικής μελέτης βραχυκυκλωμάτων και προστασίας, αλλά δεν πιστοποιεί μόνη της πίνακα ή διακόπτη.
Τι πρέπει να επαληθεύσουμε κατά τη σχεδίαση και τις δοκιμές
Συγκεντρώστε την πινακίδα κατασκευαστή, τη θέση λήψης, τις ονομαστικές τάσεις και τον χαρακτηρισμό ψύξης. Για προστασία και διακοπτικό εξοπλισμό, λάβετε πραγματικά στοιχεία σφάλματος δικτύου και μετασχηματιστή και εκπονήστε κατάλληλη μελέτη IEC 60909 αντί να βασίζεστε μόνο στην εκτίμηση του μετασχηματιστή.
Για δοκιμές πεδίου όπως TTR, αντίσταση τυλιγμάτων, αντίσταση μόνωσης και έλεγχος ομάδας συνδεσμολογίας, χρησιμοποιήστε τις σωστές συνδέσεις ακροδεκτών και διαδικασίες δοκιμής. Ένα φυσικό όργανο TTR μπορεί να εμφανίζει διαφορετική αναπαράσταση από τον λόγο πολικών τάσεων, ανάλογα με τον τρόπο διέγερσης και μέτρησης τυλιγμάτων.
Αναλυτικές απώλειες, απόδοση, λειτουργική συμπεριφορά μεταγωγέα λήψεων, μέγεθος inrush, ικανότητα υπερφόρτισης, ανύψωση θερμοκρασίας, σύνθετη αντίσταση μηδενικής ακολουθίας και συμπεριφορά σε σφάλματα προς γη σκόπιμα δεν υπολογίζονται σε αυτή την πρώτη έκδοση.
Αποφύγετε αυτά τα σφάλματα υπολογισμού μετασχηματιστή
Τα ονομαστικά ρεύματα προκύπτουν απευθείας από τα kVA και την πολική τάση· το cos φ δεν είναι είσοδος.
Για μετασχηματιστές τριγώνου/αστέρα ο λόγος πολικών τάσεων και ο λόγος ανά τύλιγμα διαφέρουν κατά √3.
Ίδια ονομαστικά ρεύματα δεν σημαίνουν ίδια φασική μετατόπιση ή δυνατότητα παραλληλισμού.
Χρησιμοποιήστε το πραγματικό uk% πινακίδας ή δοκιμών, όχι γενική προεπιλογή.
Η πηγή δικτύου, οι συντελεστές διόρθωσης, η λειτουργική διαμόρφωση και οι συνεισφορές έχουν σημασία.
Μόνο η καθορισμένη και επαληθευμένη από κατασκευαστή ισχύς AF/ONAF επιτρέπει διαφορετική φόρτιση.
Πρότυπα και τεχνικές αναφορές
IEC 60076-1 (γενικές αρχές και στοιχεία πινακίδας μετασχηματιστών), IEC 60076-11 (μετασχηματιστές ξηρού τύπου), IEC 60076-7 (οδηγίες φόρτισης ελαιόψυκτων μετασχηματιστών), IEC 60076-12 (οδηγίες φόρτισης μετασχηματιστών ξηρού τύπου) και IEC 60909-0 (υπολογισμοί βραχυκυκλωμάτων σε τριφασικά συστήματα AC). Για πραγματικό σχεδιασμό, ελέγχετε πάντοτε τις εκδόσεις και την εφαρμοστέα εθνική υιοθέτηση.
Για περαιτέρω τεχνική μελέτη συμβουλευτείτε τον Schneider Electric Electrical Installation Guide και το IEC Webstore για επίσημες εκδόσεις προτύπων. Το KiloVolt παρέχει εκπαιδευτικές προσεγγίσεις και δεν αποτελεί φορέα πιστοποίησης συμμόρφωσης.