گروه برداری ترانسفورماتور سه فاز

ترانسفورماتورهای سه فاز از سه مجموعه سیم‌پیچ برای هر فاز (مجموعاً 9 سیم‌پیچ) تشکیل شده‌اند. این سیم‌پیچ‌ها می‌توانند به روش‌های مختلفی به هم متصل شوند که به آن “اتصالات ترانسفورماتورسه فاز” می‌گویند.  که سه نوع می باشد اتصال ستاره (Y)، اتصال دلتا (D) ، اتصال زیگزاگ (Z) هر نوع اتصال، ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارد. با توجه به نحوه و انواع اتصالات در ترانسفور ماتورسه فاز خروجی ترمینال متناظر در طرف اولیه و ثانویه می تواند اختلاف فاز  داشته باشند. مشخص کردن تمامی این موارد در گروه برداری ترانسفورماتور سه فاز تعریف می شود. یعنی گروه برداری ترانسفورماتور سه فاز، روشی برای دسته‌بندی ترانسفورماتورها بر اساس نوع اتصالات سیم‌پیچ‌های آنها و اختلاف فاز بین ولتاژهای اولیه و ثانویه است.

در این مطلب آموزشی با گروه برداری ترانسفورماتور سه فاز و انواع اتصالات ترانسفورماتور سه فاز آشنا خواهید شد. برای اتصال زیگزاگ در ترانسفورماتور سه فاز، عملکرد موازی ترانس های سه فاز، گروه برداری dyn5، گروه برداری ynd11با ماه همراه باشید.

انواع اتصالات ترانسفورماتور سه فاز

ترانسفورماتورهای سه فاز، بسته به آرایش سیم پیچ ها در وضعیت اولیه و ثانویه، حالت های مختلفی را ایجاد می کنند.انواع اتصالات در تراسفورماتور را می توان به صورت زیر دسته بندی نمود:

• اتصال ستاره (Y): در این نوع اتصال، انتهای غیرقطبی تمام سیم‌پیچ‌ها به هم متصل می‌شوند. این اتصال، نقطه خنثی را ایجاد می‌کند که می‌تواند برای اتصال به زمین یا سایر تجهیزات استفاده شود.
• اتصال دلتا (D): در این نوع اتصال، سیم‌پیچ‌ها به صورت یک حلقه به هم متصل می‌شوند. این اتصال، نقطه خنثی را ایجاد نمی‌کند.
• اتصال زیگزاگ (Z): این نوع اتصال مشابه اتصال ستاره است، اما با این تفاوت که سیم‌پیچ‌ها با زاویه 30 درجه نسبت به هم جابجا شده‌اند.

بیشتر بخوانید: محاسبه ظرفیت استاندارد ترانسفورماتور

گروه برداری ترانسفورماتور

سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به روش‌های مختلفی متصل می‌شوند. دو پیکربندی رایج “دلتا” و “ستاره” هستند. در گروه برداری ترانسفورماتور حالت ستاره، انتهای غیرقطبی هر سه سیم‌پیچ به هم متصل می‌شوند. سیم‌پیچ‌های ثانویه نیز به همین ترتیب متصل می‌شوند. این بدان معناست که یک ترانسفورماتور سه فاز می‌تواند دارای سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه با اتصال مشابه (دلتا-دلتا یا ستاره-ستاره) یا متفاوت (دلتا-ستاره یا ستاره-دلتا) باشد.

مهم است به خاطر داشته باشید که زمانی که سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به همین روش متصل شده باشند، شکل موج ولتاژ ثانویه با شکل موج ولتاژ اولیه هم‌فاز است. این حالت “بدون اختلاف فاز” نامیده می‌شود.

اما زمانی که سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به روش‌های مختلفی متصل می‌شوند، شکل موج ولتاژ ثانویه با 30 درجه الکتریکی نسبت به شکل موج ولتاژ اولیه متناظر با آن اختلاف‌فاز خواهد داشت. تعیین گروه برداری ترانسفورماتور قبل از اتصال دو یا چند ترانسفورماتور به صورت موازی بسیار مهم است. اگر دو ترانسفورماتور با گروه برداری مختلف به صورت موازی متصل شوند، اختلاف فاز بین ثانویه ترانسفورماتورها وجود خواهد داشت و جریان گردش بزرگی بین دو ترانسفورماتور جاری می‌شود که بسیار مضر است.

مفهوم اولیه سیم بندی سیم‌ پیچ‌ها (قطبیت یا پلاریته) در گروه برداری ترانسفورماتور

اعمال یک ولتاژ AC به یک سیم‌پیچ، ولتاژی را در سیم‌پیچ دوم القا می‌کند که این دو توسط یک مسیر مغناطیسی به هم مرتبط هستند. رابطه فازی این دو ولتاژ به نحوه اتصال سیم‌پیچ‌ها بستگی دارد. ولتاژها یا هم‌فاز خواهند بود یا با 180 درجه اختلاف‌فاز.

هنگامی که از 3 سیم‌پیچ در سیم‌پیچ ترانسفورماتور سه فاز استفاده می‌شود، گزینه‌های مختلفی وجود دارد. ولتاژ سیم‌پیچ‌ها می‌توانند هم‌فاز یا با اختلاف‌فاز باشند، به‌گونه‌ای که سیم‌پیچ‌ها به‌صورت ستاره یا دلتا متصل شوند و در مورد سیم‌پیچ ستاره، نقطه ستاره (خنثی) به سیستم زمین بهتر است متصل شود.

شکل(1). مفهوم اولیه پلاریته در ترانسفورماتور

زمانی که دو سیم‌پیچ ترانسفورماتور جهت یکسانی داشته باشند، ولتاژ القایی در هر دو سیم‌پیچ از یک سر به سر دیگر در یک جهت است. و زمانی که دو سیم‌پیچ جهت سیم‌بندی مخالف داشته باشند، ولتاژ القایی در هر دو سیم‌پیچ از یک سر به سر دیگر در جهت‌های مخالف است.

شش روش سیم‌بندی سیم‌پیچ ستاره (مقایسه ترمینالA1  و سیم پیچ W1 )

در تصویر زیر شش روش سیم‌بندی سیم‌پیچ ستاره که در ترانسفورماتورها مرسوم است را مشاهده می‌کنید:

بیشتر بخوانید: محاسبه پارامترهای مدار معادل ترانسفورماتور

شش روش سیم‌بندی سیم‌پیچ دلتا (مقایسه ترمینالA1  و سیم پیچ W1)

در تصویر زیر شش روش سیم‌بندی سیم‌پیچ دلتا که در ترانسفورماتورها مرسوم است را مشاهده می‌کنید:

نامگذاری اتصال سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور (نمادها)

برای نامگذاری اتصال سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور از سه نماد استفاده می‌شود که به شرح زیر است:

نماد اول: ولتاژ بالا- همیشه با حروف بزرگ نشان داده می‌شود (D=دلتا، S=ستاره، Z= زیگزاگ، N=خنثی)

نماد دوم: ولتاژ پایین- همیشه با حروف کوچک نشان داده می‌شود (d=دلتا، s=ستاره، z= زیگزاگ، n=خنثی)

نماد سوم: اختلاف فاز به صورت ساعت در صفحه ساعت (1، 6، 11) نشان داده می‌شود.

مثال- Dyn11 به چه معناست؟

این مثال به یک ترانسفورماتور اشاره می‌کند که:

1. سیم‌پیچ اولیه به صورت دلتا متصل است (D)
2. سیم‌پیچ ثانویه به صورت ستاره متصل است (y)
3. نقطه ستاره دارای خروجی است (n)
4. اختلاف فاز 30 درجه پیشرو دارد (11)

گروه‌های برداری رایج ترانسفورماتور

• Yy0: اتصال ستاره-ستاره با اختلاف فاز 0 درجه
• Yd1: اتصال ستاره-دلتا با اختلاف فاز 30 درجه
• Dyn11: اتصال دلتا-ستاره با اختلاف فاز 30 درجه
• Dz11: اتصال دلتا-زیگزاگ با اختلاف فاز 30 درجه

نکته مهم: استاندارد IEC60076-1 ترتیب نگارش را ولتاژ بالا-ولتاژ پایین قرار داده است. بنابراین برای یک ترانسفورماتور افزاینده که سیم‌پیچ اولیه دلتا و ثانویه ستاره دارد، به جای dY11 از Yd11 استفاده می‌شود. عدد 11 نشان می‌دهد که سیم‌پیچ ثانویه نسبت به سیم‌پیچ اولیه 30 درجه پیشرو است. ترانسفورماتورهای ساخته شده طبق استاندارد ANSI معمولاً گروه برداری را روی پلاک مشخص نمی‌کنند و به جای آن از یک نمودار برداری برای نمایش رابطه بین سیم‌پیچ اولیه و سایر سیم‌پیچ‌ها استفاده می‌کنند.

نحوه محاسبه اختلاف فاز بین ولتاژهای بالا و پایین در ترانسفورماتور

به طور خلاصه با فرض اینکه ولتاژ اولیه در ترمینال اول ترانسفورماتور سه فاز (A) بعنوان مرجع در نظر گرفته شود(VA=V1<0 ,VB=V1<-120,VC=V1<120) هدف بدست آوردن زاویه اختلاف فاز ولتاژ ثانویه متناظر در ترمینال اول ترانسفورماتور سه فاز (a) است. (Va=V2<?) از اینرو ابتدا گردش فاز را در سیم پیچ اولیه بررسی می­کنیم سپس با توجه به قطبیت دو سیم پیچ اثر گردش فاز سیم پیچ دوم بر ترمینال (a) را بررسی می‌کنیم. نتیجه نهایی اختلاف فاز دو ترمینال می‌باشد که با ساعت (0 تا 11) سنجیده می‌شود. در دو تصویر بالا (تصاویر 6 حالت سیم پیچ ستاره و 6 حالت سیم پیچ مثلث) اثر فاز بر سیم پیچ و اختلاف فاز سیم پیچ اول با ترمینال اول بررسی شده‌است. بعنوان مثال در حالت سیم پیچ دلتا تصویر D1 ولتاژ روی سیم پیچ اول برابر ولتاژ مرجع (V1<0) منهای ولتاژ ترمینال C یعنی (V1<120) که حاصل (V1*3^0.5 <-30) می باشد.

    V1<0 – V1<120 = 1.732 x V1<-30

یعنی فاز سیم پیچ اول 30 درجه پس فاز است و با این اختلاف فاز به سیم پیچ دوم القا می‌کند. حال اثر این القا را با تصاویر بالا (تصاویر 6 حالت سیم پیچ ستاره و 6 حالت سیم پیچ مثلث) بصورت معکوس بر سیم پیچ ثانویه به ترمینال (a) بررسی می‌کنیم و نتیجه نهایی اختلاف فاز‌ای است که بدست می‌آید و با ساعت سنجیده می‌شود.

بنابراین بردار ولتاژ بالا به عنوان بردار مرجع در نظر گرفته می‌شود. جابه‌جایی بردارهای سایر سیم‌پیچ‌ها از بردار مرجع با چرخش خلاف عقربه‌های ساعت، با استفاده از عدد ساعت در صفحه ساعت نشان داده می‌شود.

نماد ولتاژ بالا در ابتدا می‌آید، به دنبال آن نمادهای سیم‌پیچ‌ها به ترتیب ولتاژ نزولی قرار می‌گیرند. به‌عنوان مثال، یک ترانسفورماتور 220/66/11 کیلوولت که به صورت ستاره، ستاره و دلتا متصل شده و بردارهای سیم‌پیچ‌های 66 و 11 کیلوولت دارای جابه‌جایی فاز °0و °330- نسبت به بردار مرجع (220 کیلوولت) هستند، به صورت Yy0 – Yd11 نمایش داده می‌شوند.

اعداد (0، 1، 11 و غیره) با استفاده از یک صفحه ساعت به جابه‌جایی فاز بین ولتاژهای بالا و پایین اشاره می‌کنند. بردار نماینده ولتاژ بالا به عنوان مرجع در نظر گرفته می‌شود.

روش خواندن اعداد در نامگذاری اتصال سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور

اعداد (0، 1، 11 و غیره) که در نامگذاری اتصال ترانسفورماتور دیده می‌شوند، اختلاف فاز بین ولتاژهای بالا و پایین را با استفاده از یک صفحه‌ی ساعت نشان می‌دهند. بردار نماینده‌ی ولتاژ بالا به عنوان مرجع در نظر گرفته می‌شود و روی ساعت 12 قرار می‌گیرد. چرخش فاز همواره خلاف عقربه‌های ساعت است (این روش مورد توافق بین‌المللی است).

برای به‌دست آوردن میزان اختلاف فاز، از عدد ساعت مربوطه استفاده کنید. از آنجایی که یک ساعت 12 عدد دارد و یک دایره 360 درجه است، هر ساعت نشان‌دهنده‌ی 30 درجه است. بنابراین:

عدد 1 = 30 درجه

عدد 2 = 60 درجه

عدد 3 = 90 درجه

عدد 6 = 180 درجه

عدد 12 = 0 درجه یا 360 درجه

عقربه‌ی دقیقه ساعت روی عدد 12 قرار می‌گیرد و جایگزین ولتاژ خط به نول (گاهی اوقات فرضی) سیم‌پیچ فشار قوی می‌شود. این موقعیت همیشه به عنوان نقطه‌ی مرجع در نظر گرفته می‌شود.

مثال روش خواندن اعداد در نامگذاری اتصال سیم‌پیچ ترانسفورماتور

در زیر مفهوم اعداد استفاده شده در نامگذاری گروه برداری ترانسفورماتور را شرح می‌دهیم:

عدد 0: یعنی فاز بردار ولتاژ پایین با فاز بردار ولتاژ بالا هم‌فاز است.

عدد 1: یعنی فاز بردار ولتاژ پایین به اندازه‌ی 30 درجه تاخیر دارد (به دلیل چرخش خلاف عقربه‌های ساعت).

عدد 11: یعنی فاز بردار ولتاژ پایین یا 330 درجه تاخیر یا 30 درجه پیشرو دارد.

عدد 5: یعنی فاز بردار ولتاژ پایین به اندازه‌ی 150 درجه تاخیر دارد.

عدد 6: یعنی فاز بردار ولتاژ پایین به اندازه‌ی 180 درجه تاخیر دارد.

اهمیت موازی کردن ترانسفورماتورها

هنگامی که ترانسفورماتورها به صورت موازی کار می‌کنند، مهم است که اختلاف فاز در هر کدام یکسان باشد. موازی کردن ترانسفورماتورها معمولاً زمانی انجام می‌شود که آن‌ها در یک مکان قرار داشته باشند و به یک شینه‌ی مشترک متصل شوند یا در مکان‌های مختلف قرار داشته باشند اما ترمینال‌های ثانویه آن‌ها از طریق مدارهای توزیع یا انتقال شامل کابل‌ها و خطوط هوایی به هم متصل شوند.

ترمینال‌های فازی یک ترانسفورماتور سه فاز با حروف ABC، UVW یا 123 مشخص شده‌اند (طرف فشار قوی با حروف بزرگ، طرف فشار ضعیف با حروف کوچک). ترانسفورماتورهای سه فاز با دو سیم‌پیچ را می‌توان به چهار دسته اصلی مطابق جدول زیر تقسیم کرد:

خدمات نیکسا:طراحی تاسیسات برق صنعتی و الکتریکی نیکسا

جدول گروه برداری ترانسفورماتور سه فاز

مجموعه اتصالات مختلف در سیم پیچ های ترانسفورماتورهای سه فاز، در جدول زیر، نمایش داده شده است:

گروه ۰ یا نماد ساعت ۰ (شیفت فاز ۰ درجه)

Clock Notation 0 (Phase Shift 0)

گروه ۱ یا نماد ساعت ۱ (شیفت فاز ۳۰- درجه)

Clock Notation 1 (Phase Shift -30)

بیشتر بخوانید: محاسبه UK درصد ترانس یا امپدانس درصد ترانس + جریان اتصال کوتاه ترانس

گروه ۲ یا نماد ساعت ۲ (شیفت فاز ۶۰- درجه)

Clock Notation 2 (Phase Shift -60)

گروه ۴ یا نماد ساعت ۴ (شیفت فاز ۱۲۰- درجه)

Clock Notation 4 (Phase Displacement -120)

گروه ۵ یا نماد ساعت ۵ (جابجایی فاز ۱۵۰- درجه)

Clock Notation 5 (Phase Displacement -150)

گروه ۶ یا نماد ساعت ۶ (شیفت فاز ۱۸۰+ درجه)

Clock Notation 6 (Phase Shift +180)

 

گروه ۷ یا نماد ساعت ۷ (شیفت فاز ۱۵۰+ درجه)

Clock Notation 7 (Phase Shift +150)

گروه ۱۱ یا نماد ساعت ۱۱ (شیفت فاز ۳۰+ درجه)

Clock Notation 11 (Phase Shift +30)

همانطور که دیده می‌شود حالت‌های مختلفی می‌توان طراحی نمود که متفاوت از موارد فوق باشد. اما در عمل کاربرد چندانی ندارد. استاندارد IS2026 مجموعه‌ای از 26 تا از انواع اتصالات ترانسفورماتورسه فاز شامل اتصال ستاره-ستاره، ستاره-دلتا، و غیره را ارائه می‌دهد که جابه‌جایی بردار ولتاژ پایین از صفر تا 330- درجه با گام‌های 30 درجه، بسته به روش اتصال، متغیر است. تقریباً هیچ سیستم برقی از چنین تنوع زیادی از اتصالات استفاده نمی‌کند. برخی از رایج‌ترین اتصالات با جابه‌جایی فاز 0، 300-، 180- و 330- درجه (تنظیم ساعت 0، 1، 6 و 11) استفاده می‌شوند.

V_a1=V_w2-V_w1=V₁<0-V₁<120

V_a=0.5V_w1-0.5V_w3=0.5V₂<-30-0.5V₂<-150

اهمیت گروه برداری ترانسفورماتور در محاسبه ظرفیت ترانسفورماتور

همان طور که گفتیم گروه برداری ترانسفورماتور یکی از مهم‌ترین مشخصه‌های یک ترانسفورماتور سه فاز است که ارتباط مستقیمی با نحوه اتصال سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه و در نتیجه اختلاف فاز بین ولتاژهای این دو طرف دارد. اگرچه به طور مستقیم در محاسبه ظرفیت ترانسفورماتور تاثیری ندارد، اما در مسائل دیگر شبکه‌های برق مانند:

• اتصال موازی ترانسفورماتورها: گروه برداری همه ترانسفورماتورهایی که به صورت موازی به هم متصل می‌شوند باید یکسان باشد تا از ایجاد جریان‌های گردشى و آسیب به ترانسفورماتورها جلوگیری شود.
• حفاظت از شبکه: در سیستم‌های حفاظتی، شناخت گروه برداری برای تنظیم رله‌ها و دستگاه‌های حفاظتی بسیار مهم است.
• آنالیز هارمونیک: گروه برداری در تحلیل هارمونیک‌های موجود در شبکه و تاثیر آن‌ها بر ترانسفورماتور نقش دارد.

عواملی مانند تعداد دور سیم‌پیچ‌ها، سطح مقطع هادی‌ها، نوع هسته و … بر روی ظرفیت ترانسفورماتور تأثیرگذار می‌باشد و عواملی مانند نحوه اتصال سیم‌پیچ‌ها. گروه برداری تنها مشخص‌کننده فاز ولتاژهای ثانویه نسبت به اولیه است و بر روی توان ظاهری ترانسفورماتور تاثیری ندارد.

سخن پایانی

در این مقاله گروه برداری ترانسفورماتور سه فاز را توضیح دادیم سپس نحوه نامگذاری انواع اتصالات ترانسفورماتور سه فاز را شرح دادیم. این سوال را پاسخ دادیم که چرا ما به دنبال دانستن گروه برداری ترانسفورماتور هستیم. دانستن گروه برداری ترانسفورماتورها در هنگام موازی کردن ترانس‌ها دارای اهمیت می‌باشد. زیرا اختلاف فاز خروجی دو ترانس موازی باید یکسان باشد تا مشکلی در عملکرد دستگاه ها و تابلوهای بعد از ترانسفورماتور به وجود نیاید.