ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ
ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ
در حالت كلي ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ به دو گروه عمده تقسيم مي‌شوند.اين دو گروه عبارتند از: ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ سلفي يا مغناطيسي وترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژخازني (CVT-capacitor voltage transformer). در سيستمهاي قدرت، تا ولتاژ 145 كيلوولت استفاده از ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ سلفي و در سيستمهاي قدرت با ولتاژهاي بالاتر، استفاده ازترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ خازني مقرون به صرفه است.
در عمل، دو نوع مختلف ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ خازني با خازن بالا وخازن پايين ساخته مي‌شود. با توجه به كلاس دقت ترانسفورماتور، در شرايط كار مختلف‌آن، مانند آلودگي محيط و نوسانات، تغييرات فركانس و پاسخ حالت گذاري سيستم، ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ خازني با خازن بالا بهترين انتخاب است. درسيستمهاي PLC، ترانسفورماتورهاي اندازه‌گيري ولتاژ خازني، مورد استفاده قرارمي‌گيرند. همان طور كه مي‌دانيم با استفاده از سيستمهاي PLC مي‌توان مانند خطوطمخابراتي، انتقال اطلاعات را با خطوط فشار قوي انجام داد. محدوه كار يك ترانسفورماتوراندازه‌گيري ولتاژ در سيستمهاي اندازه‌گيري، بين 80 تا 120 درصد ولتاژ نامي و درسيستمهاي محافظتي، بين 05/0 تا 5/1 يا 9/1 درصد ولتاژ نامي آن سيستم تغيير مي‌كند.
در عمل با استفاده از يك مقاومت سري مي توان محدوده اندازه گيري يك ولت متر راافزايش داد اين روش معمولا در سيستمهايي كه ولتاژ بالايي ندارند استفاده مي شود ولي اگرسيستمي ولتاژ بالا داشته باشد اين روش مشكلات فراواني خواهد داشت . در سيستمهاي ولتاژ بالا، ايزولاسيون مقاومتهاي سري موجود در ولت مترها (براي اندازه گيري ولتاژسيستم ) مقرون به صرفه نبوده و علي رغم ايزولاسيون مقاومتهاي سري ، با توجه به ولتاژبالاي سيستم ، وصل سيستم فشار قوي به دستگاه اندازه گيري بدون استفاده ازترانسفورماتور ولتاژ، كار خطرناكي است . با توجه به موارد فوق در سيستمهاي قدرت براي اندازه گيري ولتاژ، از ترانسفورماتورهاي اندازه گيري استفاده مي كنند.
ضريب افزايش ولتاژ ترانسفورماتور
در يك سيستم قدرت ، ترانسفورماتوراندازه گيري ولتاژ سلفي يا خازني ، معمولا بين فاز و زمين قرار مي گيرد. در سيستم سه فاز در لحظه نوسانات سيستم ، ممكن است ولتاژ دوسر ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژ به ولتاژهاي بالايي افزايش يابد. باتوجه به استاندارد IECضريب افزايش ولتاژترانسفورماتور معمولا 2/1 انتخاب مي شود. يك ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژ بايد به صورت مداوم در ولتاژي مساوي ولتاژ نامي ، ضرب در ضريب افزايش ولتاژ ترانسفورماتور، به كار خودبدون هيچ مشكلي ادامه داده و در اين ولتاژ،ترانسفورماتور تحت هر شرايطي به حالت اشباع وارد نشود.
كلاس دقت ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ:
مانند ترانسفورماتورهاي اندازه گيري جريان ، در ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ نيز كلاس دقت ترانسفورماتور با توجه به مورد استفاده آن در سيستمهاي حفاظتي يا اندازه گيري تغيير مي كند. درترانسفورماتورهاي اندازه گيري جريان ، هر يك از سيم پيچهاي ثانويه ترانسفورماتور در اطراف هسته هاي جداگانه اي پيچيده مي شوند. برعكس اگر ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ داراي سيم پيچهاي ثانويه متعددي باشد تمام اين سيم پيچها در اطراف يك هسته مشترك قرار مي گيرند. درترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ، افت ولتاژ در سيم پيچ اوليه با مجموع جريان بارهاي سيم پيچهاي ثانويه آن رابطه مستقيم دارد.
ساختمان ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ:
ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژمانند ترانسفورماتورهاي اندازه گيري جريان ،انواع مختلفي ندارند. در سيستمهاي ولتاژخيلي زياد، معمولا اتصال كاسكادترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ مورداستفاده قرار مي گيرد. البته تحت شرايط ولتاژبالا استفاده از ترانسفورماتورهاي ولتاژ خازني ، مقرون به صرفه است .
مشخصه هاي انتخاب ترانسفورماتور ولتاژ:
اگر كلاس دقت ترانسفورماتور و توان نامي آن خيلي زياد انتخاب شود، ابعادترانسفورماتور بسيار بزرگ بوده و ساخت آن مقرون به صرفه نخواهد بود. در نتيجه باتوجه به مورد استفاده مناسب ترانسفورماتور بايد كلاس دقت و توان آن درنظر گرفته شود.
سيم پيچهاي ثانويه يك ترانسفورماتوراندازه گيري ولتاژ از همديگر جدا نبوده و دراطراف يك هسته مشترك ، پيچيده مي شونددر نتيجه اگر يكي از سيم پيچهاي ثانويه ترانسفورماتور به دستگاه اندازه گيري و سيم پيچ ديگر به دستگاه حفاظتي (مانند رله )وصل شود در اين حالت براي انتخاب توان نامي و همچنين كلاس دقت ترانسفورماتورمثالي را در نظر مي گيريم :
-دستگاه اندازه گيري با توان : 30ولت آمپر-كلاس دقت دستگاه اندازه گيري : 5/0
-دستگاه حفاظتي (رله ) باتوان : 120ولت آمپر
-كلاس دقت دستگاه حفاظتي (رله ): 3P
با توجه به مقادير داده شده ، كلاس دقت ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژ 5/0 و توان آن 150 ولت آمپر انتخاب مي شود. در ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ، اگربيش از يك سيم پيچ ثانويه مورد نياز باشد باتوجه به چگونگي استفاده از بارها(كه درادامه شرح داده مي شود) و همچنين با در نظر گرفتن كلاس دقت آنها ترانسفورماتور انتخاب مي شود:
(a): يكي از سيم پيچهاي ثانويه باردار بوده وسيم پيچهاي ديگر بدون بار باشد.
(b): تمام سيم پيچهاي ثانويه باردار باشد.
بار حرارتي يك ترانسفورماتوراندازه گيري ولتاژ، با در نظر گرفتن ضريب ولتاژ آن ، به بيشترين مقدار باري گفته مي شود كه ترانسفورماتور بتواند بدون افزايش درجه حرارت از مقدار مشخص شده ، آن بار را تغذيه كند. با توجه به استاندارد IEC-186 كلاسهاي دقت دستگاههاي اندازه گيري بين 80 تا 120درصد ولتاژ نامي و بين 25 تا 100 درصد بارنامي و كلاسهاي دقت دستگاههاي حفاظتي بين 5 درصد ولتاژ نامي تا Vش برابر آن وهمچنين بين 25 تا 100 درصد بار نامي صادق هستند. دستگاههاي اندازه گيري و حفاظتي مدرن ، تلفات كمتري دارند در نتيجه ممكن است بار كل ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژاز 25 درصد مقدار بار نامي آن كوچكتر باشددر نتيجه مي توان گفت كه در اين حالت خطاي نسبت دورها افزايش خواهد يافت . در ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژ، خطاي نسبت دورها دربارهاي نزديك به بار نامي ترانسفورماتور به مقدار مينيمم خود مي رسد.
در حالت كلي با توجه به موارد فوق مي توان گفت كه بار نامي ترانسفورماتور ولتاژ بهتر است با مجموع بارهاي وصل شده به آن برابر باشد.
خطاهاي اندازه گيري ترانسفورماتور ولتاژ:
در حالت ايده آل ، افت ولتاژ در روي امپدانس سيم پيچهاي اوليه و ثانويه ترانسفورماتور برابر صفر ولت بوده و درنتيجه رابطه بين ولتاژ اوليه و ثانويه آن عبارت خواهد بود از:
در ترانسفورماتورهاي اندازه گيري ولتاژموجودر در عمل ، به علت افت ولتاژ در روي مقاومت سيم پيچهاي اوليه و ثانويه وهمچنين به علت افت ولتاژ در راكتانسهاي سيم پيچهاي اوليه و ثانويه (ناشي از شارپراكندگي موجود در سيم پيچها)، رابطه اوليه و ثانويه يك ترانسفورماتور حقيقي خواهد بود.
با توجه به مواردي كه مطرح شد،خطاي موجود در ترانسفورماتورهاي ولتاژحقيقي را مانند ترانسفورماتورهاي جريان باخطاي نسبت دورها و خطاي زاويه اي مي توان نشان داد.
اگر ولتاژ ثانويه خيلي بزرگ باشد،خطاي نسبت دورها مثبت خواهد بود. ازطرفي اگر ولتاژ ثانويه نسبت به ولتاژ اوليه پيش فاز باشد خطاي زاويه اي مثبت مي شود.
براي محاسبه خطاي نسبت دورها وخطاي زاويه در يك ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژ، مدار معادل الكتريكي يك ترانسفورماتور حقيقي كه به طرف ثانويه انتقال يافته است را در نظر مي گيريم .
همان طور كه مي دانيم امپدانس معادل سيم پيچها ازمجموع مقاومت اهمي سيم پيچ و راكتانس ناشي از سيل پراكندگي شار اطراف سيم پيچ به دست مي آيد. افت ولتاژ در امپدانسهاي اوليه و ثانويه ترانسفورماتور را در دو حالت بارداري و بي باري مورد بررسي قرار مي دهيم .
از آن جا كه ، در حالت بي باري به علت جريان كم موجود در مدار، افت ولتاژ درامپدانس سيم پيچ اوليه ترانسفورماتور مقدارناچيزي است لذا در اين قسمت فقط افت ولتاژ، در حالت بارداري ترانسفورماتور رامورد بررسي قرار مي دهيم . در حالت بارداري ، شدت جريان عبوري از امپدانس معادل هسته ، بسيار كوچكتر از شدت جريان بار ترانسفورماتور بوده و در نتيجه از امپدانس معادل هسته صرف نظر شده است .
تغييرات خطاهاي اندازه گيري نسبت به تغييرات ولتاژ:
در ترانسفورماتور اندازه گيري ولتاژ،خطاهاي اندازه گيري در ولتاژهاي مختلف سيستم ، مقادير مختلفي خواهد داشت . اين تغييرات با توجه به غير خطي بودن منحني مشخصه مغناطيس شوندگي هسته ترانسفورماتور، حاصل مي شود. تغييرات خطاهاي اندازه گيري نسبت به تغييرات ولتاژ سيستم را در حالت بارداري وبي باري نشان مي دهد. با توجه به اين شكل مي توان گفت كه تغييرات خطاهاي اندازه گيري در محدوده وسيعي از تغييرات ولتاژ سيستم ، تغيير چنداني نمي كند.
ابعاد سيم پيچهاي ترانسفورماتور:
در طراحي يك ترانسفورماتور، سطح مقطع مس سيم پيچها را با در نظر گرفتن كلاس دقت و خطاي مشخص شده به دست مي آوريم . هنگام محاسبه سطح مقطع مس سيم پيچها، مواردي را در نظر مي گيريم كه عبارتند از: ولتاژ نامي سيم پيچ اوليه وثانويه ، تعداد دور هر يك از سيم پيچها، بارنامي ، كلاس دقت ، فركانس نامي و ضريب ولتاژ نامي ترانسفورماتور.
اساس روش فوق به اين شرح است :
1- محاسبه تعداد دور سيم پيچهاي ترانسفورماتور: براي محاسبه تعداد دورسيم پيچهاي ترانسفورماتور رابطه (10) را درنظر مي گيريم :
در اين رابطه داريم :
تعداد دور سيم پيچ اوليه يا ثانويه =N
ولتاژنامي سيم پيچ اوليه يا ثانويه =Vn
فركانس نامي ترانسفورماتور=¾
سطح مقطع موثر هسته =Aj
چگالي شار مغناطيسي در ولتاژ نامي = Bnسيم پيچ اوليه و يا ثانويه
در حالت كلي مي توان گفت كه مقدارBn به ضريب ولتاژ نامي ترانسفورماتوربستگي دارد.
2- محاسبه مقاومت اهمي اتصال كوتاه RK:براي محاسبه مقاومت اهمي اتصال كوتاه .
با توجه به كلاس دقت ترانسفورماتور،مقدار درصد افت ولتاژ مقاومتي به دست مي آيد.
3- سطح مقطع مس سيم پيچهاي اوليه وثانويه ترانسفورماتور را با توجه به مقدارRK، انتخاب مي كنيم .
4- بعد از محاسبه ابعاد سيم پيچهاي ترانسفورماتور، راكتاس معادل سيم پيچها را(XK) به دست مي آوريم .
5- خطاي نسبت دورها و خطاي زاويه اي را محاسبه مي كنيم . اگر مقادير به دست آمده بزرگ باشد با توجه به كلاس دقت ترانسفورماتور، براي به دست آوردن خطاي مشخص شده ، سطح مقطع مس سيم پيچها را افزايش مي دهيم .
كلاس دقت و ظرفيت بارترانسفورماتور
در حالت كلي ، ظرفيت بارترانسفورماتور به امپدانس كوتاه آن بستگي دارد. يعني مي توان گفت كه اگر امپدانس اتصال كوتاه ترانسفورماتور، مقدار كوچكي باشد، ظرفيت بار آن مقدار بزرگي خواهد بودو برعكس . از طرفي ظرفيت بارترانسفورماتور به كلاس دقت آن نيز بستگي دارد. به عنوان مثال اگر ظرفيت بار، 200ولت آمپر با كلاس دقت 1 در نظر گرفته شوددر كلاس دقت 0/5 ظرفيت بار به 100 ولت آمپر كاهش خواهد يافت . در يك ترانسفورماتور، نسبت كلاس دقت به ظرفيت بار، هميشه مقدار ثابتي است .
