بررسی پارامترهای طراحی ترانسفورماتورهای قدرت تكه فاز و ارائه الگوریتم مناسب برای طراحی بهینه آن با استفاده از نرم افزار MATLAB

دسته: برق ، الکترونیک و مخابرات
بازدید: 30 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 217 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 131

ضریب شكل موج برابر با نسبت مقدار rms موج ولتاژ مورد استفاده به مقدار میانگین این شكل موج است، كه بدین ترتیب برای هر شكل موج مشخصه موجود، این ضریب متفاوت خواهد بود برای مواردی كه از موج متناوب سینوسی استفاده می شود، مقدار این ضریب برابر با 111 در نظر گرفته خواهد شد

قیمت فایل فقط 5,900 تومان

بررسی پارامترهای طراحی ترانسفورماتورهای قدرت تكه فاز و ارائه الگوریتم مناسب برای طراحی بهینه آن با استفاده از نرم افزار MATLAB

فهرست مطالب

عنوان

مقدمه

فصل اول: مفاهیم اساسی  در طراحی

فصل دوم: هسته ترانسفورماتور

فصل سوم: سیم پیچی ترانسفورماتور

فصل چهارم: طراحی ترانسفورماتور

منابع و مراجع

مقدمه

در میان مباحث مختلف علوم بحث طراحی یكی از مهمترین موضوعاتی است كه در مورد آن باید تحقیقات وسیعی انجام شود. در مورد دستگاهها و وسایل الكتریكی نیز موضوع طراحی جایگاه ویژه ای دارد.

شاید پركاربردترین وسیله ای كه در اغلب دستگاههای الكتریكی و الكترونیكی بصورت مستقیم یا غیرمستقیم و در اندازه های كوچك و بزرگ استفاده می شود، ترانسفورماتور می باشد.

ترانسفورماتورها از نظر كاربرد انواع مختلفی دارند: ترانسفورماتورهای ولتاژ (VT) ، ترانسفورماتورهای جریان (CT) ، ترانسفورماتورهای قدرت (PT) ، ترانسفورماتورهای امپدانس، ترانسفورماتورهای ایزولاسیون و اتوترانسفورمرها . هر كدام از این نوع ترانسفورماتورها كاربرد و تعریف خاص خود را دارند.

در روند طراحی ترانسها مسایل مختلفی مطرح می شود، و مراحل متعددی باید طی شود تا یك طراحی بصورت پایدار و مناسب ، قاب ساخت و استفاده بصورت عملی باشد.

در این پروژه، بعد از بررسی مقدماتی و تعریف بعضی از پارامترهای مهم در مبحث ترانس، از جمله میل مدور (CM) ، ضریب شكل موج (Form Factor) و نیز ضریب انباشتگی سطح مقطع (Stacking factor) به معرفی دو فرمول اساسی مورد استفاده در روند طراحی پیشنهادی در این پروژه می پردازیم و در فصول بعدی به معرفی ضرایب مورد استفاده در طراحی هسته و سیم پیچی و نیز معرفی و ارایه كاتالوگها و نمودارهای موردنیاز برای طراحی انواع هسته و سیم پیجی، كه از مباحث اساسی در ترانسفورماتورها می‌باشد، پرداخته میشود.

در ادامه مبحث اصلی و در واقع نتیجه ای كه از مباحث قبلی گرفته شده است، در جهت ارائه یك نتیجه كلی، روندی برای طراحی ترانسفورماتورهای قدرت بصورت یك الگوریتم و روش برای طراحی آورده شده است.

در انتها نیز یك برنامه كامپیوتری در جهت بهبود روند طراحی و سرعت بخشیدن به انجام فرایند حجیم محاسباتی مبحث طراحی و بهبود بعضی از پارامترهای مهم از جمله راندمان، ارائه شده است. در پایان این بخش نیز نتایج چند طراحی آورده شده است.

فصل اول

مفاهیم اساسی در طراحی

در این قسمت به عنوان توضیح بعضی از تعاریف و مقدمات و چند مبحث بصورت گذرا مطرح می شود، كه با توجه به اهمیت آشنایی با این مفاهیم در بحث طراحی می تواند بسیار مفید باشد.

تعاریف و مفاهیم:

مدل مدور (Circular Mil) :

میل مدور یكی از واحدهای متداول بین كننده سطح مقطع هادیها می‌باشد. وقتی كه قطر هادی برابر با یك میل (mil) باشد، سطح مقطع هادی طبق روابط زیر و با توجه به شكل یك میل مدور خواهد بود.

(mil) قطر هادی D =

(CM) سطح مقطع هادی A=

1 mil = 0.001 inch

1 inch = 2.54 cm

(1-1) 

ضریب شكل موج (From Factor) :

ضریب شكل موج برابر با نسبت مقدار rms موج ولتاژ مورد استفاده به مقدار میانگین این شكل موج است، كه بدین ترتیب برای هر شكل موج مشخصه موجود، این ضریب متفاوت خواهد بود. برای مواردی كه از موج متناوب سینوسی استفاده می شود، مقدار این ضریب برابر با 11/1 در نظر گرفته خواهد شد.

(2-1)   

در شكل موج سینوسی روابط 3-1 و 4-1 برقرار می باشند:

(3-1)    و (4-1)

و از روابط قبل برای موج سینوسی بدست می آید:

(5-1) 

ضریب انباشتگی در سطح مقطع (Stacking Factor) :

ضریب انباشتگی در سطح مقطع برای بیان این واقعیت مطرح می‌شود كه، سطح مقطع محاسبه شده هسته همیشه از مقدار واقعی سطح مقطع آهن هسته بیشتر است. بنابراین برای استفاده از پارامتر سطح مقطع در فرمولها باید این ضریب را كه مقدار آن اغلب عددی نزدیك یك بوده و تقریباً 0.9 و یا 0.95 می باشد، به مقدار سطح مقطع ضرب كرد.

در اغلب موارد و نیز در این پروژه فاكتور انباشتگی با حرف كوچك s نمایش داده می شود.

معرفی دو فرمول اساسی در طراحی‌ها:

در طراحی ترانسها دو فرمول اساسی كاربرد زیادی دارند كه در زیر آورده شده اند. با استفاده از این دو فرمول می توان به نتایج ارزشمندی رسید و روند طراحی را بصورت مدون و مشخص ارائه نمود. در این روابط مقدار ضریب انباشتگی سطح مقطع (s) را تقریباً برابر با یك در نظر گرفته ایم.

فرمول ولتاژ:

در این فرمول مقدار موثر تولید شده در یك سیم پیچی توسط رابطه (6-1) بیان می شود:

(6-1) 

F : ضریب شكل موج

f : فركانس (Hz)

a : سطح مقطع هسته

N : تعداد دور سیم پیچی

B : چگالی شار مغناطیسی

 : ولتاژ تولید شده در سیم پیچی (ولت)

با استفاده از این رابطه می توان یكی از مهمترین پارامترهای طراحی یعنی تعداد دور به ازای هر ولت  را براحتی محاسبه كرد و با توجه به شكل موج ولتاژ مورد استفاده یك رابطه مشخص بین این پارامتر و پارامترهای دیگر بدست آورد:

(7-1) 

اگر در رابطه (7-1) مقدار a بجای  برحسب  بیان شود و نیز مقدار F هم برای موج سینوسی شكل در فرمول جاگذاری شود، رابطه (8-1) بدست خواهد آمد:

(8-1) 

فرمول ظرفیت توان:

این فرمول مقدار توانی را كه در یك هسته مشخص با چگالی جریان مشخص و در یك فركانس معین می تواند تولید شود بیان می‌شود:

(9-1) 

J : چگالی جریان سیم

f : فركانس (Hz)

W : مساحت پنجره هسته

a : سطح مقطع هسته

B : چگالی شار مغناطیسی

P : ظرفیت توان تولیدی (ولت آمپر)

با استفاده از این رابطه نیز می توان یكی دیگر از فاكتورهای مهم در طراحی را بدست آورد. این فاكتور كه در واقع حاصلضرب دو پارامتر W و a می باشد، با نام حاصلضرب Wa ، شناخته می شود و در حالتی كه مقدار a و W را با واحد  ، و مقدار J را بر حسب  بیان شده و رابطه (9-1) را مرتب كنیم، رابطه (10-1) بدست خواهد آمد كه از مهمترین و پرمصرف ترین روابط در طراحی می‌باشد:

(10-1) 

در روابط (9-1) و (10-1) ، اگر میزان چگالی جریان را با پارامتر دیگری كه دارای واحد اندازه گیری معكوس چگالی جریان قبلی است، بیان كنیم و پارامتر جدید را با S نمایش دهیم، بعد از اعمال سایر ضرایب معادل سازی، روابط (11-1) و (12-1) بدست خواهد آمد كه در آن واحد سنجش چگالی جریان جدید (S) برابر با میل مدور بر آمپر  بیان می گردد:

(11-1) 

(12-1) 

تلفات و افت ولتاژ در ترانسفورماتورها:

فلز هسته مانند سیمهای مسی توسط یك شار مغناطیسی متغیر لینك می شود. در نتیجه این شار یك جریان گردشی در هسته القا می‌شود. این جریان كه eddy current نامیده می شود به همراه اثری دیگر بنام هیسترزیس یك تلفات توان به شكل گرما در آهن هسته ایجاد می كنند، كه اغلب آن را تلفات آهن می گویند.

همچنین جریان بی باری در سیم پیچی اولیه با مقاومت سیم مسی روبرو می شود كه باعث ایجاد تلفات  و نیز افت ولتاژ می شود. این تلفات مستقل از بار بوده و به همراه تلفات آهن بخش عمده تلفات بی باری را تشكیل می دهند.

علاوه بر موارد بالا جریان بار كه از مقاومت سیمهای اولیه و ثانویه عبور می كنند، تلفات  را بوجود می آورد كه سیمهای مسی را گرم می كند و ایجاد افت ولتاژ می كند. این تلفات را تلفات بار می گویند. تلفات توان هسته آهنی و جریان های بار سیم پیچ اولیه هم فاز می‌باشد و بنابراین بطور مستقیم جمع پذیرند. این تلفات قسمت غالب تلفات توان را جواب می دهند و اغلب تنها فاكتوری می باشند كه در طراحی ها به حساب آورده می شوند.

منابع دیگر تلفات از جمله تلفات ناشی از جریان مغناطیس كنندگی نیز وجود دارند. این جریان به راكتانس سیم پیچی اولیه مربوط می‌باشد و مستقل از بار است. بخاطر اینكه این جریان نسبتاً راكتیو است، تلفات ناشی از آن نیز با تلفات توان هسته و جریان های بار هم فاز نمی باشد و نمی تواند بطور مستقیم با آنها جمع شود و زمانیكه این مقادیر باید به حساب آورده شوند (كه البته تقریباً به ندرت و در تعداد كمی از ترانسهای قدرت) باید بصورت برداری وارد محاسبات گردند. خازن پراكنده و اندوكتانس نشتی دو فاكتور مهمی هستند كه در تلفات و سایر پدیده های نامطلوب اثر می گذارند.

خاصیت خازنی پراكنده به طور حتم در بین دور سیمها، بین یك سیم پیچی با سیم پیچی دیگر و نیز بین سیم پیچی ها و هسته وجود دارد. این خازنها در عملكرد ترانس ایجاد اختلال می كنند، ولی با توجه به اینكه این خازنها به غیر از فركانس های نسبتاً بالا تأثیر قابل توجهی روی مقادیر ترانس ندارند در شرایط معمولی و كار با فركانس های پایین از آنها چشم پوشی می كنیم.

اندوكتانس نشتی بخاطر اینكه مقداری از خطوط شار سیم پیچی را در درون هسته لینك نمی كنند و مسیر فلو را در خارج هسته كامل می‌كنند، بوجود می آید. این نشت در هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه وجود دارد، ولی اگر هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه در روی یك ستون و بصورت روی هم پیچیده شوند مقدار آن بشدت كاهش خواهد یافت. اثر این اندوكتانس در فركانسهای پایین بسیار كم خواهد بود.

در طراحی ترانسهای قدرت از اكثر فاكتورهای تلفات پراكنده بجز در موارد خاص كه یك مقدار راكتانس كوچك را در نظر می گیریم، چشم‌پوشی می شود. به عنوان مثال فاصله های هوایی در هسته هایی كه بصورت نامناسب ساخته شده اند، یا حركت هسته به درون ناحیه اشباع اندوكتانس سیم پیچ اولیه و بنابراین راكتاس را كاهش می دهد. این امر باعث می شود كه جریان مغناطیس كنندگی بالا رفته و به دنبال آن افت ولتاژها و تلفات مس در درون سیم پیچ اولیه زیاد شود.

در شكل (2-1) یك مدار معادل دقیق از ترانسفورماتور آورده شده است كه در آن همه پارامترها منظور شده اند. شكل (3-1) برای حالت فركانسهای پایین تنظیم شده است و فقط پارامترهای موثر در نظر گرفته شده اند.

با در نظر گرفتن شكل (3-1) بعنوان شكل مورد استفاده در این پروژه مطالعات زیر را انجام می دهیم.

از روابط جریان ها داریم:

(13-1)  

(15-1)  و (14-1) 

(17-1)    و (16-1) 

برای ایجاد رابطه بین نسبت ولتاژها و تعداد دورها داریم:

(18-1) 

(19-1) 

از رابطه (19-1) می توان نتیجه بسیار مهم دیگری را بدست آورد. كاربرد این رابطه در بدست آوردن نسبت تعداد دورها در حالت جبران سازی افت ولتاژها برای حالتی كه یكی از تعداد دورها و نیز افت ولتاژ سیم پیچی ها مشخص باشند، است.

اگر تعداد دور اولیه مشخص باشد، برای اینكه بدانیم با چه تعداد دوری در طرف ثانویه علاوه بر ایجاد نسبت ولتاژ مناسب، افت ولتاژها را جبران نماییم، از رابطه (20-1) استفاده می كنیم:

(20-1)

در حالتی كه تعداد دور سیم پیچی در ثانویه مشخص باشد، تعداد دور اولیه با شرایط بالا بدست خواهد آمد:

(21-1) 

تخمین تلفات ترانسفورماتور برای راندمان ماكزیمم:

یكی از آسانترین و مفیدترین اعداد و ارقامی كه به عنوان فرض از آن استفاده فراوانی خواهد شد، راندمان می باشد. راندمان را با  نشان می دهیم. از نظر قاعده ترانسفورماتورها ادوات كم تلفاتی هستند و اغلب راندمانی بین 75/0 و 95/0 دارند. بنابراین هر عددی در این فاصله می تواند مقدار مناسبی برای یك حدس اولیه باشد.

با استفاده از این عدد اولیه براحتی می توان مقدار توان مورد نیاز ورودی برحسب وات را محاسبه كرد:

(22-1)   

بصورت منطقی از مقدار توان ورودی می توان جریان اولیه را برحسب آمپر محاسبه كرد:

(23-1) 

برای ایجاد حالت بهینه در راندمان و نیز اقتصادی تر كردن طراحی باید دو موضوع مهم را در نظر بگیریم:

1- تلفات سیم پیچ اولیه و ثانویه با هم برابر باشند.

2- تلفات آهنی با تلفات مسی كل برابر باشند.

به بیان دیگر یعنی نصف كل تلفات در آهن هسته و نصف دیگر در مس باشند و تلفات مسی بصورت برابر بین سیم پیچی اولیه و ثانویه تقسیم شود.

در این حالت به تجربه فرمول دیگری را می توان بدست آورد كه نسبت تعداد دور اولیه و ثانویه را از طریق راندمان به نسبت ولتاژها مربوط می‌سازد:

(24-1)  

برای ایجاد راندمان حداكثر از روش فوق باید فضای قابل دسترس برای سیم پیچی ها در هسته بصورت مساوی بین اولیه و ثانویه تقسیم شود، یعنی سیم پیچی اولیه نصف فضای كل در دسترس برای سیم پیچی ها در هسته را اشغال كند و مجموعه سیم پیچی های ثانویه نیز همگی با هم نصف دیگر فضای در دسترس را اشغال نمایند. منظور از فضای سیم پیچی حجم قسمتی است كه توسط سیم در هر سیم پیچی اشغال شده است. شكل های (4-1) و (5-1) این مطلب را توضیح می دهند.

در مواردی ممكن است برای طراحی مقدار رگولاسیون ولتاژ داده شده باشد و از طریق آن باید مقدار راندمان را برای شروع روند طراحی حدس زد. در مورد ارتباط بین رگولاسیون ولتاژ و راندمان می توان رابطه زیر را با تقریب مناسبی بیان كرد:

(25-1)    و

 از رابطه بالا رابطه (26-1) بدست خواهد آمد:

(26-1)    و

فصل دوم

هسته در ترانفسورماتورها

در این فصل در مورد انواع هسته و نیز مواد مورد استفاده در هسته ترانسفورماتورهای امروزی مطالبی آورده شده است كه با توجه به اهمیت انتخاب هسته در روند طراحی می تواند یكی از قسمتهای مهم این پروژه و نیز پروژه‌های مشابه باشد.

تا كنون ماده هسته به طور مكرر با عنوان آهن بیان می شد. در واقع بیشتر مواقع آهنی وجود ندارد ولی آهن هم می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

معمولاً ماده هسته آلیاژهایی در یك كلاس كاملاً كم آهن می باشد كه شامل 85% نیكل به علاوه مقدار كمی آهن و سایر مواد می باشد. ماده دیگری نیز وجود دارد كه اصلاً فلز نمی باشد و در واقع یك نوع سرامیك می باشد.

معمولترین نوع هسته فولاد تركیب شده با آهن با مقدار كمی از سایر مواد می باشد كه سایر مواد به صورت قابل ملاحظه سیلیكون می باشد.

مشخصه‌های مواد هسته:

به طور معمول پنج مشخصه هسته باید در نظر گرفته شود:

1-  Permeability :

پرمابیلیته توانایی هدایت فلو است و از نظر ریاضی برابر است با نسبت چگالی فلو (B) به نیروی مغناطیس كنندگی ایجاد كننده آن.

(1-2)  

وقتی كه B برحسب H رسم گردد منحنی بدست آمده مغناطیس شوندگی یا منحنی اشباع یا به صورت ساده منحنی B-H نامیده می شود (شكل 1-2).

این منحنی B-H برای یك ماده نمونه است كه قبلاً كاملاً مغناطیس زدایی شده است و سپس به تدریج در معرض افزایش تدریجی نیروی مغناطیسی كنندگی قرار گرفته و در هر لحظه چگالی فلو اندازه گیری شده است. شیب منحنی در هر نقطه داده شده پرمابیلیته در آن نقطه می باشد. زمانی كه  محاسبه شود و برحسب B یا H رسم شود مشهود است كه ثابت نیست. مقدار  تغییر می كند و بنابراین مقدار آن در یك نقطه B یا H داده شده مشخص می شود (شكل 2-2).

 در مقادیر كوچك H پرمابیلیته اولیه نامیده می شود. درجات معمولی مواد هسته از قبیل فولاد كم كربن و فولاد سیلیكون دار دارای  اولیه كمی می‌باشد آلیاژهی زیادی از جمله انواع آهن نیكل دار در چندین دهه اخیر تلاش شده است برای اینكه  اولیه آنها حتی به صورت نامحدود افزایش یابد.

یك اصطلاح دیگر كه به صورت متناوب در طراحی ترانسفورماتور مواجه می شویم  افزایشی است كه بعضی وقتها  ظاهری یا ac گفته می‌شود این  زمانی است كه یك نیروی مغناطیس كنندگی ac روی یك نیروی مغناطیس كنندگی dc گذاشته شود كه یك وضعیت مشابه در بعضی انواع مدارهای الكترونیكی می باشد.

اثر این مقدار dc بردن آهن به نزدیك نقطه اشباع است و سپس برای ac این  كاهش می یابد در چنین وضعیتی پرمابیلیته بهبود می یابد با در نظر گرفتن یك فاصله هوایی با اندازه بهینه در مدار مغناطیسی شكل 3-2 ، اثر تغییرات فاصله هوایی هسته را روی اندوكتانس سیم پیچی با هسته آهنی را نمایش می‌دهد. سه سطح dc جریان برای یك سطح ثابت نشان داده شده است.

2- Saturation :

منحنی B-H به وضوح معنای اشباع را مشخص می كند. دیده می شود كه بعد از یك مقدار مشخص H (نقطه c در شكل 1-2) افزایش كمی در مقدار B وجود دارد و آهن به شرایط اشباع می رسد. مواد مختلف در مقدارهای متفاوتی از چگالی فلو به اشباع می رسد باید توجه كنیم كه در حالت اشباع پرمابیلیته باید خیلی كوچك یا صفر باشد، برای اینكه افزایش كمی در مقدار B و یا عدم افزایش آن به خاطر افزایش H وجود دارد. این به آن معنی است كه هنگامی كه آهن اشباع می شود اندوكتانس خیلی كوچك است.

به صورت معمول دقت می شود كه آهن بالای نقطه اشباع نرود هر چند استثناهای مهمی وجود دارد كه بعداً به آنها پرداخته می شود. 

قیمت فایل فقط 5,900 تومان

برچسب ها : بررسی پارامترهای طراحی ترانسفورماتورهای قدرت تكه فاز و ارائه الگوریتم مناسب برای طراحی بهینه آن با استفاده از نرم افزار MATLAB , سیم پیچی ترانسفورماتور , مدل مدور , هسته ترانسفورماتور , طرح توجیهی بررسی پارامترهای طراحی ترانسفورماتورهای قدرت تكه فاز و ارائه الگوریتم مناسب برای طراحی بهینه آن با استفاده از نرم افزار MATLAB , دانلود بررسی پارامترهای طر