ترانسفورماتورهای با گروه اتصال D/Y چه کاربردهایی دارند؟

در یک ترانسفورماتور سه‌فاز، یکی از سمت‌های سیم‌پیچ اولیه یا ثانویه همواره به صورت مثلث (دلتا) متصل می‌شود. این کار برای جلوگیری از وجود مولفه‌های هارمونیک سوم در شار مغناطیسی اصلی انجام می‌شود، که در نتیجه جریان‌های گردابی و گرمایش موضعی کاهش یافته و راندمان و قابلیت اطمینان ترانسفورماتور بهبود می‌یابد. برای درک این اصل، ابتدا باید مبانی ترانسفورماتورهای سه‌فاز را بشناسیم.

۱. دو نوع ترانسفورماتور سه‌فاز وجود دارد:

یکی ترانسفورماتور سه‌فاز گروهی (شکل ۱):

دیگری ترانسفورماتور سه‌فاز هسته‌ای (شکل ۲):

ترانسفورماتور سه‌فاز گروهی از سه ترانسفورماتور تک‌فاز تشکیل شده است که با اتصال سیم‌پیچ‌ها، یک ترانسفورماتور سه‌فاز را می‌سازند. ویژگی آن این است که مدارهای الکترومغناطیسی سه فاز مستقل هستند و شار هارمونیک سوم می‌تواند جریان یابد. ترانسفورماتورهای سه‌فاز بزرگ به ندرت از این نوع گروهی استفاده می‌کنند، بنابراین بیشتر به آن پرداخته نمی‌شود.

ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ معمولاً از نوع سه‌فاز هسته‌ای هستند. ویژگی آن‌ها این است که مدارهای مغناطیسی سه فاز به هم متصل هستند. برای مدار مغناطیسی یک هسته سه‌پایه، مسیر مستقیمی برای شار هارمونیک سوم وجود ندارد. بنابراین، شار هارمونیک سوم تنها می‌تواند از طریق مدار مغناطیسی نشتی، مانند بدنه ترانسفورماتور، یک حلقه تشکیل دهد. بدنه ترانسفورماتور معمولاً از ورق‌های فولادی ساخته شده است و وجود شار هارمونیک سوم باعث گرمایش شدید می‌شود.

مسیر مدار مغناطیسی هارمونیک سوم در ترانسفورماتور سه‌فاز هسته‌ای (شکل ۳)

۲. شکل‌های موج ولتاژ (پتانسیل)، جریان تحریک و شار مغناطیسی تحت ساختارهای مختلف مدار مغناطیسی و مداری.

۲.۱ یک جریان تحریک سینوسی، شار مغناطیسی با قله صاف تولید می‌کند (شکل ۴).

هنگامی که هسته اشباع می‌شود: وقتی شار مغناطیسی یک موج با قله صاف است، جریان مغناطیس‌کننده یک موج سینوسی است.

۲.۲ یک جریان تحریک با قله تیز، شار مغناطیسی سینوسی تولید می‌کند (شکل ۵).

شکل موج جریان تحریک بی‌باری.

۲.۳ هر دو موج با قله صاف و قله تیز را می‌توان به موج اصلی و هارمونیک سوم تجزیه کرد (شکل ۶).

شکل موج نیروی محرکه الکتریکی بی‌باری یک ترانسفورماتور سه‌فاز. هنگامی که مدار مغناطیسی اشباع است، برای به دست آوردن یک شار مغناطیسی سینوسی، جریان تحریک باید یک موج با قله تیز باشد.

هنگامی که مدار مغناطیسی اشباع است، اگر جریان تحریک یک موج سینوسی باشد، شار مغناطیسی اصلی یک موج با قله صاف است.

۳. پس از درک دانش پایه فوق، اکنون به تحلیل می‌پردازیم. اگر هر دو سمت اولیه و ثانویه به صورت ستاره (Y) متصل باشند، مسیری برای هارمونیک سوم جریان وجود ندارد. بنابراین، در اتصال Y/Y، جریان تحریک تنها می‌تواند یک جریان سینوسی باشد. این جریان تحریک سینوسی تنها می‌تواند یک شار مغناطیسی با قله صاف تولید کند که می‌تواند به یک شار اصلی و یک شار هارمونیک سوم تجزیه شود.

این شارهای هارمونیک سوم در میدان مغناطیسی اصلی از نظر اندازه و فاز برابر هستند. آن‌ها نمی‌توانند از طریق هسته بسته شوند و تنها می‌توانند در مدار مغناطیسی نشتی، مانند روغن، دیواره مخزن و یوغ، حلقه تشکیل دهند و جریان‌های گردابی ایجاد کرده، باعث گرمایش موضعی شده و راندمان ترانسفورماتور را کاهش دهند.

بنابراین، ترانسفورماتورهای سه‌فاز با ظرفیت بالا و ولتاژ بالا برای اتصال Y/Y مناسب نیستند.

در مقابل، هنگامی که سیم‌پیچ‌ها به صورت مثلث/ستاره (Δ/Y) یا ستاره/مثلث (Y/Δ) متصل می‌شوند، یک مسیر حلقه‌ای برای مولفه هارمونیک سوم جریان تحریک در اتصال مثلث در سمت اولیه یا ثانویه فراهم می‌شود. بنابراین، جریان تحریک در سیم‌پیچ متصل به مثلث یک موج با قله تیز است. جریان با قله تیز، شار مغناطیسی اصلی را سینوسی نگه می‌دارد بدون اینکه مولفه هارمونیک سوم داشته باشد.

به ویژه هنگامی که سیم‌پیچ‌ها به صورت Y/Δ متصل می‌شوند، اگرچه هارمونیک سوم در جریان تحریک سمت اولیه نمی‌تواند عبور کند، یک جریان گردشی هارمونیک سوم در اتصال مثلث سمت ثانویه تولید می‌شود. این جریان گردشی، همراه با جریان تحریک سینوسی در سمت اولیه، تضمین می‌کند که شار مغناطیسی اصلی سینوسی باشد، بنابراین از گرمایش موضعی ناشی از جریان‌های گردابی هارمونیک سوم جلوگیری می‌کند.

به طور خلاصه، سیم‌پیچ‌های اولیه یا ثانویه یک ترانسفورماتور سه‌فاز به صورت مثلث متصل می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که شار مغناطیسی اصلی تا حد امکان به یک موج سینوسی نزدیک باشد، از جریان‌های گردابی و مشکلات گرمایش ناشی از هارمونیک سوم جلوگیری کرده و در نتیجه راندمان عملیاتی و قابلیت اطمینان ترانسفورماتور را بهبود بخشد.