ترجمه مقاله ترانسفورماتور استاتیک سه فاز به پنج فاز

ترانسفورماتور استاتیک سه فاز به پنج فاز، بر اساس اتصال اسکات

A static three-phase to five-phase transformer based on Scott connection

 

چکیده

ماشین‌های چندفاز در کاربردهای حساس به ایمنی که نیاز به ظرفیت تحمل خطای گسترده و قابلیت اطمینان بالاتری دارند، دانشجویان را به چالش کشیده است. با این حال، این عمل پیچیدگی بیشتری به مبدل های قدرت اتخاذ شده می‌افزاید. در کاربردهایی مانند سیستم های پمپ شناور الکتریکی (ESP)، موتور برق معمولا با استفاده از یک سیستم درایو ولتاژ پایین فرکانس متغیرِ سه فاز (VFD) تغذیه می شود که با یک ترانسفورماتور افزاینده و یک فیدر طویل ولتاژ متوسط ​​پشتیبانی می شود. استفاده از ماشین‌های چندفاز در این چنین کاربردها اخیرا مزایای امکان‌پذیری را از خود نشان داده است، با این حال، این ما را ناگزیر به استفاده از یک مبدل قدرت پیچیده تر چندفاز و یک ترانسفورماتور چندفاز کرده است. با روشی دیگر، یک تبدیل منفعل (پَسیو) موفقیت آمیز بوده و راه حل مقرون به صرفه تری برای افزایش خروجی اینورتر ، از حالت استاندارد سه فاز و تبدیل آن به ولتاژ ثانویه n فاز است. این مقاله به بررسی ارتباط موجود بین تبدیل پسیو می پردازد و یک تبدیل، بر اساس ارتباط شناخته شده اسکات، برای تبدیل ولتاژ شبکه سه فاز به یک ولتاژ ثانویهn  فاز پیشنهاد می کند. در مقایسه با اتصالات و ارتباط های دیگر در متون علمی، اتصال پیشنهادی تنها از دو هسته مغناطیسی و تعداد کمتری از سیم پیچ ها استفاده می کند، لذا ترانسفورماتور حجم کمتری خواهد داشت. این مقاله همچنین مدار معادل در هر فاز برای ترانسفورماتور سه فاز یا n فاز را معرفی می کند، و تغییرات مورد نیاز برای آزمون مدار باز و اتصال کوتاه معمولی را به منظور برآورد پارامترهای ترانسفورماتور یادآور می شود. یک مطالعه موردی برای یک ترانسفورماتور سه به پنج فاز برای اعتبارسنجی اتصال پیشنهادی انجام شد. شبیه سازی و همچنین بررسی تجربی ارائه شده است.

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

 

1. مقدمه

ماشین سه فازِ آماده به مصرفِ استاندارد به طور گسترده مورد استفاده است چراکه می تواند به طور مستقیم از برق سه فاز و یا از طریق مبدل های قدرت سه فاز DC-AC تغذیه کند. در قدرت بالا و کاربردهای حساس به ایمنی، ماشین‌های چندفاز تغذیه‌کننده  از اینورترهای چندفاز به عنوان موضوعی چالش‌برانگیز برای درایوهای موجود سه فاز شناخته شده اند. علاوه بر این، مزایای متعدد ارائه شده توسط سیستم‌های چندفاز، از جمله تراکم گشتاور بالاتر، کاهش ریپل گشتاور، کاهش هارمونیک، عملکرد بهتر در حالت گذرا و حالت پایدار و نظارت قوی تر ارائه شده توسط تزریق جریان هارمونیک، توجه و علاقه محققان را به خود جلب کرده است. با این وجود، افزایش تعداد فاز قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می دهد اما یک مبدل پیچیده تر نیاز دارد. در آثار علمی، ماشین‌ها با تعداد فازهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته اند. تلاش قابل توجهی برای توسعه درایوهای سرعت-متغیرِ پنج فاز و شش فاز صورت گرفته است.

در عمل، یک منبع چندفاز می تواند به طور غیر مستقیم با تبدیل برق سه فاز AC به DC به کار برده شود؛ از این رو، یک اینورتر منبع ولتاژ چندفاز می تواند برای تولید خروجی n فاز مورد نیاز استفاده شود. به تازگی، مبدل‌های ماتریسی AC-AC مستقیم توجه زیادی را به علت چندین مزیت نسبت به مبدل های سنتی AC-DC-AC، از جمله عملیات ضریب قدرت واحد برای بارهای مختلف، قابلیت جریان برق دو طرفه آنها، و حداقل الزامات ذخیره سازی انرژی، به خود جلب کرده اند. در مقابل، مبدل ماتریسی معایبی هم دارد، از جمله نسبت انتقال ولتاژ ماکزیمم محدود به حدود 87٪ ، و تعداد بیشتری از دستگاه های نیمه هادی به کارگرفته شده نسبت به مبدل‌های AC-DC-AC متعارف.

در عمل سیستم های پمپ شناور الکتریکی با درایو فرکانس متغیر (VFD-ESP)، یک سیستم VFD-ESP مبتنی بر VSI معمولی به طور کلی متشکل از یک اینورتر سه فاز ولتاژ پایین، یک ترانسفورماتور افزاینده، یک فیدر طویل، و یک موتورESP   است. در مرجع [8] این سیستم نشان داده شده است، که از یک موتور پنج فاز با سیم پیچی مدولار استفاده می کند که مزایای زیادی را نسبت به موتورهای سه فاز ارائه می دهد. با این حال، یک موتور چندفاز به نوبه خود نیاز به یک اینورتر پنج فاز سفارشی با یک ترانسفورماتور پنج فاز افزاینده دارد، که در شکل 1(a) نشان داده شده است. با روش دیگر، تبدیل AC-AC مستقیم در ولتاژ و فرکانس ثابت را می توان با استفاده از ترانسفورماتور معمولی (تبدیل پسیو) به دست آورد. از این رو یک اینورتر سه فاز ولتاژ پایین آماده و در دسترس، همانطور که در سیستم سه فاز معمولی هست، می تواند در سمت اولیه استفاده شود، که در شکل 1(b) نشان داده شده است. بهره برداری از مزایای استفاده از ماشین‌های چند فاز به هنگام استفاده از مبدل های استاندارد سه فاز ولتاژ پایین، منافع و مزایای کاربردی قابل توجهی خواهد داشت. علاوه بر این، هنگامی که با یک ترانسفورماتور پنج فاز/پنج فاز مقایسه می شود، مفهوم ترانسفورماتور پیشنهادی به کارگیری یک قطع کننده مدار متعارف سه فاز در سمت اولیه (سمت ولتاژ پایین) را برای حفاظت از سیستم تسهیل می کند.

به طور مشابه در کاربردهای انرژی بادی، ژنراتورهای چندفاز به عنوان ژنراتورهای باد مقرون به صرفه با گشتاور بالا و کیفیت ولتاژ مورد نظر شناخته شده اند. در عمل، ترانسفورماتور افزاینده استفاده می شود تا خروجی ولتاژ پایین ژنراتور را افزیش دهد. از این رو در ژنراتورهای سرعت ثابت، به کارگیری ترانسفورماتور پسیو یک راه حل عملی و مقرون به صرفه برای تبدیل خروجی پنج فاز ژنراتور به ترمینال های سه فاز خواهد بود که به طور مستقیم و یا به آسانی از طریق مبدل‌هایی که به سرعت در دسترس قرار می گیرند، به شبکه متصل می شوند.

ایده سیستم ترانسفورماتور پَسیو چندفاز در پنج دهه اول قرن گذشته سرچشمه گرفت، وقتی که تئوری عمومی تبدیل فازها برای تبدیل از n فاز به m فاز در یک ترانسفورماتور K-ستونی ارائه شد. با این حال، استفاده عملی به طور عمده متمایل به استفاده سه فاز است. برخی از کارهای اخیر از همان مفهوم برای توسعه ترانسفورماتور سه‌فاز به پنج فاز و یا هفت فاز استفاده کرده اند. برای مورد  سه فاز به پنج فاز، تبدیل کلی ارائه شده در [18] نیاز به یک ترانسفورماتور سه‌شاخه و یا سه هسته واحد با 3 سیم‌پیچ اولیه و 15 سیم‌پیچ ثانویه با تعداد دور مختلف دارد، که به گونه ای اتصال دارند که خروجی پنج فاز ارائه می دهند. اگر فرض شود که منبع ورودی سه فاز کاملا متعادل با مجموع ولتاژ سه فاز است، برای تسهیل بیشتر، با تعداد کل سیم پیچ‌های ثانویه تنها هشت مورد از آنها می تواند مورد استفاده قرار گیرد، که در [16] نشان داده شده است. علاوه بر این، تعداد کل دورها حدود 9.5٪ کاهش می یابد. با این حال، سیم پیچ اولیه (PW) جریان سه فاز قابل توجهی در توالی صفر به مقدار 5.6 درصدِ جریان نامی را تجربه می کند. از این رو PW با اتصال ستاره‌ی زمین شده یا مثلثی باید برای غلبه بر مشکل  ESTA مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، عدم تعادل در ولتاژ فاز در سیم پیچ ثانویه (SW) با توجه به عدم تعادل ولتاژ PW بدتر است.

این مقاله یک اتصال ترانسفورماتوری جدیدِ مبتنی بر اتصال اسکات برای به دست آوردن خروجی n فاز از یک منبع ورودی سه فاز ارائه می دهد. این براساس این واقعیت است که همواره اتصال اسکات را می توان برای تبدیل سه فاز به دو فاز، تنها با استفاده از دو ترانسفورماتور تک فاز، به کار برد. از این رو، به خوبی واضح است که منبع 2 فاز سپس می تواند تبدیل به هر خروجی n فاز شود. ترانسفورماتور پیشنهادی از دو هسته مغناطیسی با 2 سیم‌پیچ اولیه و2n-1  سیم پیچ ثانویه برای خروجی n فاز استفاده می کند. برای خروجی پنج فاز، نه سیم پیچ ثانویه مورد نیاز است. این اتصال به طور کلی معادل مورد [18] است اما با ساخت و ساز ساده تر. علاوه بر این، می توان آن را به راحتی به هر تعداد از فاز خروجی با تعدیل ساده گسترش داد. در این مقاله، یک ترانسفورماتور سه به پنج فاز بر اساس اتصال پیشنهادی، در مقایسه با دو اتصال معمول ارائه شده در [18] و ساده‌سازی‌ آن در [16]، ارائه شده است. یک ترانسفورماتور نمونه با اتصال پیشنهادی طراحی شده و با یک ماشین القایی پنج فاز برای تأیید تجربی و عملی استفاده شده است. این مقاله همچنین مدار معادل در هر فاز برای ترانسفورماتور پیشنهادی چندفاز را معرفی می کند و تغییرات مورد نیاز برای آزمون های معمول بی باری و اتصال کوتاه را به منظور برآورد پارامترهای آن نشان می دهد.

 

2. اتصالات سه فاز به پنج فاز

2.1. اتصالات سه فاز به پنج فاز متعارف

در [18]، یک نظریه عمومی تبدیل فازی با استفاده از ترانسفورماتورها برای تبدیل  mفاز به n فاز در یک ترانسفورماتور k ستونی ارائه شده است. این روش می تواند به سادگی به شرح زیر برای تبدیل یک بردار m فاز [Xm]m×1 ، به یک بردار خروجی دیگر n فاز [Yn]n×1 فرموله شود.

به خوبی معلوم است که هر تعداد فاز m فرد را می توان به (m − 1)/2  پلن  جدا (βα) و یک دنباله صفر به صورت داده شده در (1) تبدیل کرد:

 

 

 

که در آن [T] ماتریس تبدیل است و با فرمول (2) داده شده،   h = (m −1)/2  و     ᵟm= 2 _/m.

 

 

از آنجا که این تبدیل می تواند برای یک توالی خاص انجام شود، از این رو، با توجه به دنباله اساسی، (1) را می توان به  (3) کاهش داد:

 

که می تواند به سادگی در صورت ماتریسی به صورت (4) بیان شود.

تبدیل معکوس از  (βα)  به هر n-فاز دیگر را می توان با (5) بدست آورد، که در آن در ᵟn= 2π/n  است.که می تواند به صورت زیر خلاصه شود:

 

با جا گذاری (3) و (5) داریم:

 

بنابراین، ترانسفورماتور سه فاز به پنج فاز به صورت زیر داده میشود:

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

که در آن N1 / N2 نسبت تبدیل ترانسفورماتور است.

هر عنصر در ماتریس تبدیل نشان دهنده یک سیم پیچ ثانویه با مجموع 15 حلقه با استفاده ازیک ترانسفورماتور سه ستونه یا سه ترانسفورماتور هسته جدا است.

برای منبع سه فاز متعادل، تبدیل ارائه شده با (8) موجب یک خروجی SW متعادل پنج فاز می شود. با بار پنج فاز متعادل، جریانات SW نیز متعادل خواهند شد. از این رو، جریان‌های PW سه فاز منعکس شده به صورت زیر خواهد بود:

 

 

اگر جریان در فاز a برابر با = I∠α  باشد، از این رو جریان‌های سه فاز مربوطه، با استفاده از (9)، به صورت زیر خواهد بود:

 

 

روشن است که جریان‌های سه فاز برای اتصال متعادل خواهد بود. این اتصال در شکل a2 نشان داده شده است و در سراسر مقاله با عنوان اتصال 1 معرفی خواهد شد.

برای ولتاژ تغذیه متعادل، مجموع ولتاژهای سه فاز صفر خواهد شد. از این رو با توجه به [16]، (8) را می توان به (11) خلاصه کرد:

 

با این خلاصه سازی، تنها نه سیم پیچ ثانویه با توجه به کاهش کامل 13.8٪ در تعداد دورها، اما با هسته مغناطیسی یکسان، استفاده می شود. یک ساده سازی دیگر در [16] با توجه به استفاده از تنها هشت سیم پیچ ارائه شده است اما یکی از آنها مقطعی بزرگتر دارد. این اتصال در شکل 2b نشان داده شده است و  به عنوان اتصال 2 معرفی می شود.

اگر چه برای منبع متعادل سه فاز، خروجی پنج فاز متعادل خواهد شد، با این حال، این منجر به جریان های نامتعادل سه فاز خواهد شد که در زیر عنوان شده:

 

این جریان‌هامربوط به یک جریان توالی مثبت برابر با (5/3)(N2/N1)I∠α  و جریان توالی صفر برابر با 0.0933 I(N2/N1)I∠α   است، که 5.6٪ از جریان توالی مثبت را نشان می دهد. از این رو، نقطه ستاره PW باید برای عبور جریان نوترال متصل شود. در ستاره ایزوله‌‍ PW، ولتاژ فاز SW متعادل نخواهد بود. گزینه دیگر اتصال PW به صورت مثلثی است.

 

 

 

شکل 2.  ترانسفورماتور سه فاز به پنج فاز: (a) اتصال 1 و (b) اتصال 2.

 

2.2. اتصال پیشنهادd سه فاز به پنج فاز

در آثار علمی، اتصال اسکات به طور گسترده برای به دست آوردن خروجی دو فاز از یک منبع سه فاز استفاده می شود. بر اساس (5)، سپس دو فاز خروجی را می توان به هر تعداد فاز تبدیل کرد. برای خروجی پنج فاز داریم:

 

که در آن Vα و vβ دو ولتاژ برابر با تفاوت فاز 90 درجه می باشند. بلوک دیاگرام طرح سیم پیچی ارائه شده در شکل 3 داده شده است. در حالی که نمودار فازور آن در شکل 4 داده شده است. در شکل 4، فازورهای ولتاژ VXO و Vyz یک تغییر فاز نسبی 90 درجه دارند و می توانند به جای  Vαو Vβ  استفاده شوند که به صورت زیر عنوان شده:

 

به طور مشابه، برای جریان های SW متعادل، جریان های م سه فاز متعادل اند و برابر هستند با:

 

 

 

که معادل با تبدیل اصلی ارائه شده در (10) است.

روشن است که این اتصال به طور کلی معادل با مورد اتصال 1 است اما با تنها 9 سیم پیچ ثانویه، تقریبا به همان تعداد دور و تنها دو هسته. این اتصال به عنوان اتصال 3 معرفی می شود.

نکته عمومی برای همه اتصالات این است که، اگر چه ولتاژهای خروجی SW باید در اندازه یکسان باشند، ولی تعداد دور در فازهای SW مختلف، متفاوت است. این کار باعث عدم تطبیق امپدانسی بین فازها می شود.

3. تعیین مدار و پارامترهای معادل

مدار معادل عمومی در هر فاز ترانسفورماتور چندفاز در شکل 5a نشان داده شده است. از آنجا که همه KVA مربوط به طرف PW باید برابر KVA کلی سمت سیم پیچ ثانویه (SW) باشد، رابطه بین دو طرف به صورت زیر خواهد بود:

 

 

اگر نسبت تبدیل ولتاژ N1 / N2  باشد، جریان انعکاسی SW به صورت زیر خواهد شد:

 

 

اگر Rs   و Xs  مقاومت و نشت راکتانس SW  باشند، از این رو، مدار SW را می توان به سیم پیچ اولیه (PW) نسبت داد که در شکل 5b نشان داده شده است و به صورت  زیر است:

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

که Rp   و Xp   مقاومت و راکتانس نشتی PW هستند، در حالی که راکتانس مغناطیسی Xm   است که از سمت PW دیده می شود.

 

شکل 3.  آرایش ترانسفورماتور پیشنهادی (اتصال 3).

 

 

شکل 4. نمودار فازور ترانسفورماتور.

 

شایان توجه است که مدار معادل یکسانی برای اتصال های 1، 2 و 3 معتبر است. پارامترهای مدار معادل را می توان به سادگی از آزمون های معمولی بی باری و اتصال کوتاه بدست آورد. همانطور که قبلا اشاره شد، SW عدم تطبیق امپدانسی بین فازهای مختلف را تجربه می کند. این به دلیل تعداد دور متفاوت در هر فاز است. در تست اتصال کوتاه، این عدم تطبیق امپدانس SW جریان را نامتعادل می کند. از این رو، امپدانس معادل مدار SW را می توان به استفاده از توالی های اصلیِ جریان های پنج فاز اتصال کوتاه با استفاده از (3) تعیین کرد. این روش نیاز به اندازه گیری اندازه و زاویه فاز همه جریان‍های فاز دارد. در عوض، یک روش ساده تقریبی را می توان برای تعیین جریان دنباله اصلی، برای درجه محدودی از عدم تعادل استفاده کرد، که به صورت زیر عنوان می شود:

 

که در آن Ij جریان فاز j ام است.

 

جدول 1 : جریان های تجربی SW اتصال کوتاه

 

 

 

شکل 5. مدار معادل ترانسفورماتور سه فاز به چندفاز: (a) مدار معادل هر فاز ، (b) مدار معادل مربوط به دنباله  اصلی و ارجاعی به سمت PW، و (c) مدار معادل مربوط به توالی صفر و غیر اصلی.

‌

 

دنباله اصلی برای ترانسفورماتور نمونه فعلی با استفاده از هر دو روش محاسبه شده است، که در پیوست آمده است. مقدار جریانهای فاز اتصال کوتاه SW، در جدول 1 با ولتاژ فاز 26.7 ولت اعمالی به PW داده شده است. با استفاده از (3)، جریان دنباله اصلی 3.843 آمپر است، در حالی که با استفاده از (19) این جریان برابر 3.856 می شود. روشن است که هر دو روش بسیار نزدیک به هم می باشند.

جریان اتصال کوتاه دنباله اصلی را می توان برای به  دست آوردن امپدانس متوسط تقریبی فاز، Zt ، با استفاده از آزمون اتصال کوتاه و با تقسیم ولتاژ فاز اتصال کوتاه PW اعمال شده‍، VSC، با جریان SW نسبت داده شده، به صورت زیر، استفاده کرد:

 

 

که یک مقدار تقریبی برای امپدانس کلی ترانسفورماتور به مقدار 2.41 .  توان ورودی کل می تواند برای پیدا کردن قسمت واقعی و موهومی این امپدانس معادل مورد استفاده قرار گیرد . سپس فرض می شود که امپدانس معادل  PW و SW  به صورت زیر برابر باشند:

 

برای مدل سازی دقیق تر ریاضی، مدل فازی استفاده می شود. برای به دست آوردن یک برآورد تقریبی برای فازهای مختلف، مقاومت و راکتانس نشتی برای فازهای مختلف را می توان با محاسبه مقاومت و راکتانس نشتی در هر دور بر اساس متوسط امپدانس معادل تقریبی، Zt ، محاسبه کرد. از این رو، امپدانس هر فاز را می توان به طور مشابه بر اساس تعداد دور ان یافت. این در شبیه سازی برای مقایسه اتصال پیشنهادی با اتصالات دیگر استفاده خواهد شد.

همانطور که از (3) نتیجه گیری شد، ورودی سه فاز تبدیل به دنباله ای اصلی از خروجی n فاز می شود. اگر جریان های SW نامتعادل و یا منحرف شده باشند، تمام توالی ها و توالی اصلی، بر PW تاثیر نمی گذارند. از این رو، امپدانس معادل هر توالی دیگر K در شکل 5c داده شده است، که در آن مدار SW توسط مقاومت معادل و راکتانس نشتی معادل ارائه شده است. با استفاده از فقط توالی اصلی، فرض ساخته شده توسط (21) رضایت بخش است. با این حال، یک روش دقیق تر برای امپدانس SW مدار را می توان با اعمال هر دنباله دیگر به جای دنباله اصلی به مدار SW ، با استفاده از یک اینورتر پنج فاز، محاسبه کرد.

4. نتایج تجربی

ترانسفورماتور 2 کیلو ولت سه به پنج فاز نمونه بر اساس اتصال اسکات، طراحی شده و در ضمیمه ارائه شده است. ترانسفورماتور طراحی شده نسبت تبدیل 1:1 دارد و با ولتاژ فاز 100 ولت در 50 هرتز جریان فاز نامی 4 آمپر کار می کند. یک ماشین 1.5 اسب بخار پنج فاز القایی به عنوان یک مصرف کننده الکتریکی به SW ترانسفورماتورمتصل می شود. پارامترهای ماشین و مقادیر نامی در پیوست داده شده است. ماشین به یک ژنراتور DC PM کوپل شده که به عنوان یک بار مکانیکی عمل می کند. ترانسفورماتور PW از یک ترانسفورماتور سه فاز خودکار تغذیه می کند. شکل 6 راه اندازی آزمایشگاهی آنرا نشان می دهد . ماشین پنج فازی موجود در 110 ولت و 60 هرتز تنظیم شده است. از آنجا که منبع AC در دسترس 50 هرتز است، ولتاژ ماشین با تنظیم ولتاژ PW به 92 ولت کاهش می یابد. ولتاژ خروجی ترانسفورماتور پنج فاز در شکل 7 نشان داده شده است. ترانسفورماتور در شرایط متعادل و همچنین یک خط باز در SW تست شده است. همچنین، در مورد حالت متعادل، جریان سیم پیچ ها با مورد ماشین بی بار و بار کامل داده شده است.

شکل 8a  و   8b جریان های SW و PW با ماشین بدون بار را نشان می دهند. شکل موج جریان مولفه هارمونیک سوم قابل توجهی را تجربه می کند؛ این عمدتا به دلیل اثرات اشباع است که در ماشین القایی شایع است. با بار دار شدن ماشین این اثر کاهش می یابد. از آنجایی که تبدیل فقط مبتنی بر توالی اصلی است ، شکل 8a نشان می دهد که جریان PW با چنین مشکلی مواجه نخواهد شد . از آنجا که، مولفه هارمونیک سوم متعلق به طرح دنباله سوم است، شار کلی تولید شده در هسته ترانسفورماتور با توجه به این مولفه جریان به صفر می رسد. از این رو، اثر آن در سمت PW ناپدید می شود. یک ماشین با عملکرد متعادل و بار کامل، جریان های PW و SW ترانسفورماتور در شکل 8c  و 8d به ترتیب نشان داده شده است. هنگامی که یکی از فازهای SW به فرض باز است، جریان های PW مربوطه و جریان های فازهای سالم SW باقی مانده در شکل 8e و 8f به ترتیب نشان داده شده است. در این مورد، ماشین به طور نیمه بار دار به مقدار 67٪ مورد متعادل آن، برای جلوگیری از اضافه بار سیم پیچ، بار دار شده است.

 

5. مطالعه شبیه سازی مقایسه برای اتصال به شبکه های مختلف

در این بخش، دو اتصال ترانسفورماتور ارائه شده در [16، 18] و اتصال ترانسفورماتور پیشنهادی مبتنی بر اتصال اسکات مقایسه می شوند. همانطور که در بخش 3 اشاره شد، آزمایش بی باری و اتصال کوتاه معمولی برای تعیین راکتانس مغناطیسی و ​​امپدانس معادل متوسط ترانسفورماتور نمونه استفاده می شود. بر اساس مقاومت و راکتانس نشتی در هر دور آن، امپدانس فاز های مختلف SW برآورد شده است. دو ترانسفورماتور دیگر مبتنی بر اتصالات دیگر طراحی شد و پارامترهای آنها برای همان نسبت دور‍ های ولتاژ ورودی/خروجی و توان ظاهری برآورد شد. سه ترانسفورماتور با استفاده از جعبه ابزار "SimPowerSystems" تحت نرم افزار MATLAB / Simulink شبیه سازی شدند. ماشین نمونه پنج فاز القایی، با پارامترهای ارائه شده در ضمیمه، به عنوان یک بار پنج فاز استفاده شد.

در مرحله اول، سه ترانسفورماتور با اتصال PW به عنوان ستاره ایزوله برای دو اتصال اول و با IM پنج فازِ بارگیری شده در بار نامی خود، شبیه سازی شده است. این مورد در شکل 9 نشان داده شده است. لازم به ذکر است که انتظار می رود اتصال 2 از اثرات ولتاژ نامتعادل SW و جریان های مربوط به نقطه ستاره ایزوله‌ی PW دستخوش تغییر شود. با این حال، از سمت PW، جریان سه فاز برای سه اتصال یکسان است. همچنین، اتصال‌های 1 و 3 تقریبا معادل آن است. مورد دیگری که شبیه سازی شد، و در شکل 10 نشان داده شده، درواقع یک خط باز در SW با ماشین نیمه باردار را شبیه سازی می کرد. در این مورد، نقطه ستاره PW  اتصال 2 زمین شده تا جریان توالی صفر جریان پیدا کند. بدون این، ماشین نمی تواند تا وقتی که مقدار ولتاژ بزرگ است، راه اندازی شود. با زمین شدن نقطه ستاره اتصالِ 2 ، سه اتصال همانطور که از SW نمایان است معادل خواهند بود، که از ولتاژها و جریان‌های SW هویدا بوده و در شکل‌های  10a،b ،c ،d، e  و  f نشان داده شده است. با این حال، از PW، اتصال دوم مولفه توالی صفر بالایی را تجربه می کند که در جدول 2 نشان داده شده.

 

 

شکل 10. مقایسه سه اتصال زیر بخشی از بار نامی و یک خط باز، که نقطه ستاره اتصال 2 زمین شده است.

 

6. نتیجه گیری

این مقاله به بررسی اتصالات مختلف برای تبدیل منبع سه فاز به خروجی چندفاز با استفاده از تبدیل پَسیو می پردازد. در این مقاله ابتدا دو اتصال موجود در متون و آثار علمی ارائه شد و سپس یک اتصال سوم بر اساس اتصال اسکات پیشنهاد شد. اولین اتصال نشان دهنده حالت کلی برای تبدیل ورودی 3 فاز به یک خروجی n فاز با استفاده از یک هسته مغناطیسی سه شاخه‌ای  یا سه هسته مغناطیسی تکی است. اگر ولتاژ ورودی سه فاز کاملا متعادل باشد، اتصال دوم دارای یک ساده سازی در اتصال با تعداد دور کلی کمتر خواهد بود، که این باعث کاهش وزن هسته خواهد بود. با این حال، این مولفه جریان توالی صفر قابل توجهی را در PW  تجربه  می کند.  PW باید به صورت ستاره زمین شده و یا مثلثی وصل شود. نقطه ستاره زمین نشده و ایزوله موجب ولتاژ و جریان نامتعادل SW می شود. اتصال پیشنهادی سوم مبتنی براتصال اسکات، از لحاظ کارکردی حدودا مانند اتصال اول و با همان مس مورد استفاده، اما تنها  با دو هسته مغناطیسی است، و از این رو ترانسفورماتور حجم کمتری دارد. علاوه بر این، این اتصال می تواند برای هر خروجی n فاز با تعداد سیم پیچ کمتر در مقایسه با اتصال اول تعمیم داده شود.

 

جدول 2

مولفه های جریان دنباله PW تحت شرایط یک خط باز.

 

 

 

از آنجا که سه اتصال از لحاظ نظری معادل هستند، این مقاله مدار معادل کلی بر فاز برای ترانسفورماتور سه فاز به n فاز، و فاکتورهای لازم برای ارجاع سمت SW به سمت  PW را معرفی کرده و نشان می دهد. تغییرات مورد نیاز برای سادگی تست اتصال کوتاه و بی بار نیز برای به دست آوردن پارامترهای هر فاز ترانسفورماتور داده شده است.

یک مطالعه مقایسه ای بین سه اتصال، با استفاده از مورد سه فاز به پنج فاز برای هرکدام از حالت های  فاز SW سالم و باز، انجام شد. یک نمونه ترانسفورماتور اولیه مبتنی بر اتصال اسکات طراحی شده، و ساخته شد، و برای تحقیق تجربی مورد استفاده قرار گرفت. بر اساس پارامترهای اندازه گیری شده ترانسفورماتور نمونه، پارامترهای تخمینی برای ترانسفورماتور معادل مبتنی بر دو اتصال دیگر نیز برای مقایسه سه اتصال استفاده شد. مقایسه یک هم ارزی بین اتصال پیشنهادی و اتصال یک را نشان می دهد.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

ضمیمه A

A.1. طراحی ترانسفورماتور با اتصالات مختلف

بر اساس استاندارد I E- برای ابعاد هسته، نمونه اولیه ترانسفورماتور اتصال اسکات ساخته شد. با توجه به اینکه ولتاژ SW مورد نیاز 100v است، ولتاژ فاز PW VXO)) برای ترانسفورماتور تیزر 150 ولت بر اساس نسب دور آن است، که در شکل 3 نشان داده شده است. ولتاژ در سراسر سیم پیچ اصلی ترانسفورماتور برابر ولتاژ خط به خط، Vyz ، است، که برابر 173.2 ولت است. این ولتاژ در سراسر دو سیم پیچ تپ وسط به طور برابر تقسیم می شود. طرح سه هسته‌ای نیز به صورت ستاره متصل می شود، از این رو به همان ولت در هر دور برای هر PW ، برای سه طرح، می رسد. سطح مقطع هسته مورد نیاز (Ac) برای هر مورد (که برابر است) به طور کلی با استفاده از معادله emf محاسبه می شود:

 

 

که در آن E1 ولتاژ سیم پیچی اعمال شده، f فرکانس منبع، Bmax حداکثر چگالی شار، و N1 تعداد دورها در هر سیم پیچ مشخص شده است. ناحیه پنجره‌ای لازم بر اساس منطقه مس مورد نیاز کلی محاسبه شده است، با توجه به اینکه ku= 0.35 است، و بر طبق اینکه داریم:

 

که در آن ac سطح مقطع انتخابی برای هر سیم پیچ است، و N تعداد دورها در هر سیم پیچ مشخص شده است. مقدار مس کلی برای هر هسته بر اساس میانگین طول سیم پیچ در هر دور (MLT) تخمین زده می شود:

 

 

بر اساس نواحی پنجره‌ای موجود، تعداد مورد نیاز دور برای هر دو سیم پیچ PW و SW در جدول 3 نشان داده شده است. امپدانس PW نیز در جدول 3 نشان داده شده است. جدول 4 تعداد حاصل از دور بر هر فاز در SW پس از اتصال جفت‌های سیم پیچ در ترانسفورماتور اصلی و فرعی را بیان می کند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. امپدانس بر فاز SW نیز در همان جدول داده شده است.

A.2. ماشین القایی پنج فاز نمونه

پارامتر ها و مقادیر نامی ماشین نمونه پنج فاز نمونه با قدرت 1.5 اسب بخار در جداول 5 و 6 ذکر شده است.