ترانسفورماتورهای سه فاز یک جزء اساسی در انتقال و توزیع برق در محیط‌های صنعتی و تجاری هستند. این دستگاه‌های تخصصی برای تبدیل کارآمد جریان متناوب سه فاز (AC) از یک سطح ولتاژ به سطح ولتاژ دیگر طراحی شده‌اند و امکان انتقال ایمن و قابل اعتماد انرژی الکتریکی را در فواصل طولانی فراهم می‌کنند.

در این پست وبلاگ، ما به پیچیدگی‌های ترانسفورماتورهای سه فاز خواهیم پرداخت و اصول کار، ساختار و نقش‌های حیاتی آنها را در صنعت ماشین‌آلات بررسی خواهیم کرد.

سیستم سه فاز چیست؟

سیستم سه فاز نوعی سیستم توزیع برق چند فاز است که از سه جریان متناوب استفاده می‌کند که هر کدام به اندازه یک سوم یک سیکل (۱۲۰ درجه) با هم اختلاف دارند. این سیستم به دلیل کارایی و قابلیت اطمینان آن در مقایسه با سیستم‌های تک فاز، به طور گسترده در تولید، انتقال و توزیع برق مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیستم‌های سه فاز از سه هادی یا فاز تشکیل شده‌اند که اغلب به عنوان L1، L2 و L3 یا فاز A، فاز B و فاز C شناخته می‌شوند.

در یک سیستم سه فاز متعادل، ولتاژها و جریان‌ها در هر فاز دارای بزرگی برابر هستند اما ۱۲۰ درجه نسبت به یکدیگر اختلاف فاز دارند. ولتاژ بین هر دو فاز، ولتاژ خط نامیده می‌شود، در حالی که ولتاژ بین یک فاز و یک نقطه خنثی، ولتاژ فاز نامیده می‌شود.

ترانسفورماتور سه فاز چیست؟

ترانسفورماتور سه فاز نوعی ترانسفورماتور قدرت است که برای کار با سیستم سه فاز طراحی شده است. این ترانسفورماتور از سه ترانسفورماتور تک فاز به هم پیوسته یا یک واحد واحد با سه مجموعه سیم پیچ اولیه و ثانویه که به دور یک هسته مغناطیسی مشترک پیچیده شده‌اند، تشکیل شده است. سیم پیچ اولیه یک ترانسفورماتور سه فاز، انرژی الکتریکی را از یک منبع تغذیه سه فاز دریافت می‌کند، در حالی که سیم پیچ ثانویه، انرژی تبدیل شده را به بار سه فاز تحویل می‌دهد.

ترانسفورماتورهای سه فاز برای افزایش یا کاهش سطح ولتاژ استفاده می‌شوند و امکان انتقال کارآمد برق در فواصل طولانی و سطوح ولتاژ مناسب برای کاربران نهایی را فراهم می‌کنند. در مقایسه با استفاده از سه ترانسفورماتور تک فاز، یک ترانسفورماتور سه فاز مزایای متعددی از جمله کاهش اندازه، وزن و هزینه و همچنین بهبود راندمان و توزیع بار متعادل را ارائه می‌دهد.

سیم‌پیچ‌های یک ترانسفورماتور سه فاز را می‌توان در پیکربندی‌های مختلفی مانند مثلث (Δ)، ستاره (Y) یا وای، زیگزاگ یا ترکیبی از این‌ها متصل کرد. انتخاب پیکربندی به عواملی مانند تبدیل ولتاژ مورد نظر، ویژگی‌های بار و نیاز به اتصال نول بستگی دارد. اتصالات دلتا و وای رایج‌ترین اتصالات هستند، که دلتا یک منبع ولتاژ پایدار و وای امکان دسترسی به نقطه نول و ولتاژ فاز به نول را فراهم می‌کند.

نحوه کار ترانسفورماتورهای سه فاز

ترانسفورماتورهای سه فاز برای انتقال و توزیع انرژی الکتریکی در یک سیستم سه فاز طراحی شده‌اند. این ترانسفورماتورهای قدرت از اصول القای الکترومغناطیسی برای افزایش یا کاهش سطح ولتاژ بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه استفاده می‌کنند.

هسته یک ترانسفورماتور سه فاز معمولاً از سه مجموعه سیم‌پیچ تشکیل شده است، یکی برای هر فاز. سیم‌پیچ اولیه ولتاژ ورودی سه فاز را دریافت می‌کند که باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی در هسته ترانسفورماتور می‌شود.

همانطور که جریان متناوب از سیم‌پیچ اولیه عبور می‌کند، ولتاژ متناظری را در سیم‌پیچ ثانویه القا می‌کند. نسبت تعداد دور در سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه، تبدیل ولتاژ را تعیین می‌کند. برای ترانسفورماتورهای افزاینده، سیم‌پیچ ثانویه دور بیشتری نسبت به اولیه دارد و در نتیجه ولتاژ خروجی بالاتری ایجاد می‌شود. برعکس، ترانسفورماتورهای کاهنده دور کمتری در سیم‌پیچ ثانویه دارند که سطح ولتاژ را کاهش می‌دهد.

انواع ترانسفورماتورهای سه فاز

نوع هسته

ترانسفورماتورهای سه فاز نوع هسته ای از سه ترانسفورماتور تک فاز تشکیل شده اند که بر روی یک هسته مشترک نصب شده اند. مدار مغناطیسی از یک هسته آهنی چند لایه سه پایه تشکیل شده است که هر پایه سیم پیچ های یک فاز را حمل می کند. سیم پیچ های اولیه و ثانویه به صورت متحدالمرکز دور هر پایه پیچیده شده اند. این طرح در توان های پایین تر رایج تر است و عموماً ارزان تر از ترانسفورماتورهای نوع پوسته ای است.

نوع پوسته

در ترانسفورماتورهای سه فاز نوع پوسته‌ای، سیم‌پیچ‌ها توسط یک هسته مغناطیسی واحد احاطه شده‌اند. هسته از سه شاخه تشکیل شده است که شاخه‌های بیرونی سیم‌پیچ‌های دو فاز و شاخه مرکزی سیم‌پیچ فاز سوم را حمل می‌کنند. ترانسفورماتورهای نوع پوسته‌ای در مقایسه با ترانسفورماتورهای نوع هسته‌ای، کوپلینگ مغناطیسی بهتر و راکتانس نشتی کمتری ارائه می‌دهند. آن‌ها معمولاً در کاربردهای توان بالا و جایی که طراحی فشرده‌تری مورد نیاز است، استفاده می‌شوند.

اجزای ترانسفورماتورهای سه فاز

• سیم‌پیچ‌های اولیه: سیم‌پیچ‌هایی که به منبع ولتاژ ورودی متصل هستند و هنگام اعمال ولتاژ، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند.
• سیم‌پیچ‌های ثانویه: سیم‌پیچ‌هایی که ولتاژ خروجی را بر اساس میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ‌های اولیه تولید می‌کنند.
• هسته مغناطیسی: یک هسته آهنی چند لایه که مسیری برای شار مغناطیسی فراهم می‌کند و سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه را به هم متصل می‌کند.
• عایق: موادی مانند روغن یا عایق جامد که ایزولاسیون الکتریکی بین سیم‌پیچ‌ها و هسته را فراهم می‌کنند.
• سیستم خنک‌کننده: رادیاتورها، فن‌ها یا پمپ‌های روغن که گرمای تولید شده در حین کار را دفع می‌کنند.
• بوشینگ‌ها: رساناهای عایق‌دار که به سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه اجازه اتصال به مدارهای خارجی را می‌دهند.
• مخزن و نگهدارنده: یک مخزن فولادی که شامل اجزای ترانسفورماتور و روغن عایق و یک نگهدارنده است که امکان انبساط و انقباض روغن را فراهم می‌کند.
• تپ چنجر: مکانیزمی که امکان تنظیم نسبت دور و ولتاژ خروجی ترانسفورماتور را فراهم می‌کند.

ولتاژ و جریان سه فاز

در یک سیستم سه فاز، ولتاژها و جریان‌ها ۱۲۰ درجه با یکدیگر اختلاف فاز دارند. سه فاز معمولاً با A، B و C یا R، Y و B مشخص می‌شوند. ولتاژ بین هر دو فاز، ولتاژ خط نامیده می‌شود، در حالی که ولتاژ بین فاز و نول، ولتاژ فاز نامیده می‌شود.

رابطه بین ولتاژ خط (V_L) و ولتاژ فاز (V_P) به نوع اتصال ترانسفورماتور بستگی دارد:

• اتصال دلتا (Δ): V_L = V_P
• اتصال وای (Y): V_L = √3 × V_P

به طور مشابه، رابطه بین جریان خط (I_L) و جریان فاز (I_P) به صورت زیر است:

• اتصال دلتا (Δ): I_L = √3 × I_P
• اتصال وای (Y): I_L = I_P

انواع اتصالات ترانسفورماتور سه فاز

اتصال دلتا (Δ)

در اتصال دلتا ، سه سیم‌پیچ ترانسفورماتور به صورت سر به سر به هم متصل می‌شوند و یک حلقه بسته شبیه به مثلث تشکیل می‌دهند. این پیکربندی امکان ولتاژ و جریان بالاتری را در مقایسه با اتصال وای فراهم می‌کند. ترانسفورماتورهای با اتصال دلتا معمولاً در کاربردهای توان بالا استفاده می‌شوند و می‌توانند بدون هادی نول کار کنند.

اتصال وای (Y)

همچنین به عنوان اتصال ستاره شناخته می‌شود، پیکربندی wye یک سر هر سیم‌پیچ ترانسفورماتور را به یک نقطه مشترک متصل می‌کند و یک نقطه خنثی ایجاد می‌کند. سرهای دیگر سیم‌پیچ‌ها سه فاز را تشکیل می‌دهند. ترانسفورماتورهای با اتصال wye برای کاربردهای ولتاژ پایین‌تر مناسب هستند و یک نقطه خنثی برای اتصال به زمین یا اتصال به سیم چهارم در یک سیستم سه فاز و چهار سیمه فراهم می‌کنند.

پیکربندی‌های دلتا-وای و وای-دلتا

پیکربندی‌های دلتا-وای (Δ-Y) و وای-دلتا (Y-Δ) شامل اتصال سیم‌پیچ‌های اولیه به صورت دلتا و سیم‌پیچ‌های ثانویه به صورت وای یا برعکس هستند. این پیکربندی‌ها برای افزایش یا کاهش ولتاژ در حالی که یک نقطه خنثی در یک طرف ترانسفورماتور ایجاد می‌کنند، استفاده می‌شوند. آن‌ها همچنین یک تغییر فاز ۳۰ درجه‌ای بین ولتاژهای اولیه و ثانویه ایجاد می‌کنند که می‌تواند در کاربردهای خاص مفید باشد.

اتصال زیگزاگ

در اتصال زیگزاگ، هر سیم‌پیچ فاز به دو نیمه تقسیم می‌شود و نیمه‌های فازهای مختلف به صورت زیگزاگ به هم متصل می‌شوند. این پیکربندی برای ایجاد نقطه خنثی در سیستم‌های سه فاز و چهار سیمه بدون نیاز به هادی خنثی جداگانه استفاده می‌شود. ترانسفورماتورهای با اتصال زیگزاگ معمولاً برای اتصال زمین و کاهش جریان‌های هارمونیک در سیستم‌های توزیع برق استفاده می‌شوند.

اتصال اسکات-تی

اتصال Scott-T که با نام اتصال TT نیز شناخته می‌شود، برای تبدیل سیستم‌های سه فاز به دو فاز استفاده می‌شود. این اتصال شامل دو ترانسفورماتور تک فاز است که سیم‌پیچ‌های اولیه به شکل T و سیم‌پیچ‌های ثانویه به صورت دو فاز به هم متصل شده‌اند. این اتصال در کاربردهایی مفید است که بارهای دو فاز، مانند موتورهای صنعتی قدیمی‌تر یا سیستم‌های گرمایشی، نیاز به تغذیه از منبع تغذیه سه فاز دارند.

اتصال دلتا باز (VV)

اتصال دلتای باز یا اتصال VV، روشی مقرون به صرفه برای تأمین برق سه فاز است، زمانی که یک ترانسفورماتور در پیکربندی دلتا-دلتا از کار می‌افتد یا نیاز به حذف برای تعمیر و نگهداری دارد. در این اتصال، دو ترانسفورماتور به صورت دلتای باز به هم متصل می‌شوند و به سیستم اجازه می‌دهند تا با ظرفیت کاهش یافته به کار خود ادامه دهد. با این حال، این پیکربندی کارایی کمتری دارد و فقط باید به عنوان یک راه حل موقت تا زمان تعویض ترانسفورماتور معیوب استفاده شود.

مزایای ترانسفورماتورهای سه فاز

راندمان بالا و کاهش تلفات توان

ترانسفورماتورهای سه فاز در مقایسه با ترانسفورماتورهای تک فاز، راندمان بالایی در انتقال و توزیع برق ارائه می‌دهند. ماهیت متعادل سیستم‌های سه فاز، انتقال کارآمدتر انرژی الکتریکی را امکان‌پذیر می‌کند و تلفات توان را به صورت اتلاف گرما به حداقل می‌رساند. کاهش تلفات منجر به کاهش هزینه‌های عملیاتی و بهبود عملکرد کلی سیستم می‌شود.

اندازه جمع و جور و هزینه مواد کمتر

برای یک توان مشخص، ترانسفورماتورهای سه فاز از همتایان تک فاز خود فشرده‌تر هستند. اندازه کوچکتر از طریق استفاده کارآمد از هسته مغناطیسی و سیم‌پیچ‌ها حاصل می‌شود. این طراحی فشرده به معنای کاهش هزینه مواد است، زیرا مس و آهن کمتری برای ساخت مورد نیاز است. کاهش اندازه همچنین نصب آسان‌تر را تسهیل می‌کند و فضای ارزشمندی را در پست‌های برق و تأسیسات صنعتی ذخیره می‌کند.

توزیع بار متعادل

ترانسفورماتورهای سه فاز در مدیریت بارهای متعادل در سیستم‌های توزیع برق بسیار عالی عمل می‌کنند. سه فاز به طور مساوی توزیع شده‌اند و منبع تغذیه پایدار و مداوم را برای تجهیزات متصل تضمین می‌کنند. این توزیع بار متعادل به حفظ پایداری سیستم کمک می‌کند، نوسانات ولتاژ را کاهش می‌دهد و خطر اضافه بار فازهای جداگانه را به حداقل می‌رساند. بارگذاری متعادل همچنین به طول عمر و عملکرد قابل اعتماد ترانسفورماتور و دستگاه‌های الکتریکی مرتبط کمک می‌کند.

کاربردهای ترانسفورماتورهای سه فاز

تولید و توزیع برق

در نیروگاه‌های تولید برق، مانند تأسیسات برق آبی، حرارتی یا هسته‌ای، از ترانسفورماتورهای سه فاز برای افزایش ولتاژ تولید شده به سطوح بالا و مناسب برای انتقال در مسافت‌های طولانی استفاده می‌شود. این خطوط انتقال ولتاژ بالا، تلفات برق را به حداقل می‌رسانند و انتقال کارآمد انرژی الکتریکی را در فواصل طولانی امکان‌پذیر می‌سازند. در پست‌های برق، ترانسفورماتورهای سه فاز ولتاژ را به سطوح مناسب برای توزیع به مصرف‌کنندگان صنعتی، تجاری و مسکونی کاهش می‌دهند.

نرم افزار صنعتی

ترانسفورماتورهای سه فاز به طور گسترده در کاربردهای مختلف صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها برای تأمین انرژی ماشین‌های صنعتی بزرگ مانند موتورها، کمپرسورها، پمپ‌ها و ماشین‌آلات سنگین ضروری هستند. برق سه فاز تأمین شده توسط این ترانسفورماتورها، عملکرد کارآمد و قابل اعتماد تجهیزات صنعتی را ممکن می‌سازد. صنایعی مانند تولید، معدن، نفت و گاز و فرآوری شیمیایی برای تأمین نیازهای بالای برق خود و تضمین فرآیندهای تولید روان، به ترانسفورماتورهای سه فاز متکی هستند.

برنامه های تجاری

مراکز تجاری، مانند ساختمان‌های اداری بزرگ، مراکز خرید، بیمارستان‌ها و مراکز داده، به یک منبع تغذیه قابل اعتماد و کارآمد نیاز دارند. ترانسفورماتورهای سه فاز برای تأمین برق لازم برای سیستم‌های روشنایی، واحدهای HVAC، آسانسورها و سایر بارهای الکتریکی حیاتی به کار گرفته می‌شوند. توزیع متعادل برق که توسط ترانسفورماتورهای سه فاز حاصل می‌شود، سطح ولتاژ پایدار را تضمین کرده و مشکلات کیفیت برق را به حداقل می‌رساند.