دریافت پایان نامه پارامترهای طراحی بهینه ترانسفورماتورهای قدرت تکه فاز با ارائه الگوریتم مناسب با نرم افزار MATLAB

قسمتی از متن پایان نامه بررسی پارامترهای طراحی ترانسفورماتورهای قدرت تکه فاز و ارائه الگوریتم مناسب برای طراحی بهینه آن با استفاده از نرم افزار MATLAB

مقدمه

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

شاید پرکاربردترین وسیله ای که در اغلب دستگاههای الکتریکی و الکترونیکی بصورت مستقیم یا غیرمستقیم و در اندازه های کوچک و بزرگ استفاده می شود، ترانسفورماتور می باشد.

ترانسفورماتور ها از نظر کاربرد انواع مختلفی دارند: ترانسفورماتور های ولتاژ (VT) ، ترانسفورماتورهای جریان (CT) ، ترانسفورماتور های قدرت (PT) ، ترانسفورماتور های امپدانس، ترانسفورماتورهای ایزولاسیون و اتوترانسفورمرها . هر کدام از این نوع ترانسفورماتور ها کاربرد و تعریف خاص خود را دارند.

در روند طراحی ترانسها مسایل مختلفی مطرح می شود، و مراحل متعددی باید طی شود تا یک 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 شکل 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 کاتالوگها و نمودارهای موردنیاز برای طراحی انواع هسته و سیم پیجی، که از مباحث اساسی در ترانسفورماتور ها می‌باشد، پرداخته میشود.

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

در انتها نیز یک برنامه کامپیوتری 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.

بخشی از 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 که با توجه به اهمیت انتخاب هسته در روند طراحی می تواند یکی از قسمتهای مهم این پروژه و نیز پروژه‌های مشابه باشد.

تا کنون ماده هسته به طور مکرر 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 یک کلاس کاملاً کم آهن می باشد که شامل 85% نیکل به علاوه مقدار کمی آهن و سایر مواد می باشد. ماده دیگری نیز وجود دارد که اصلاً فلز نمی باشد و در واقع یک نوع سرامیک می باشد.

معمولترین نوع هسته فولاد ترکیب شده با آهن با مقدار کمی از سایر مواد می باشد که سایر مواد به صورت قابل ملاحظه سیلیکون می باشد.

مشخصه‌های مواد هسته:

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

1-  (Permeability (μ:

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

(1-2)  μ=B/H

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

این منحنی B-H برای یک ماده نمونه است که قبلاً کاملاً مغناطیس زدایی شده است و سپس به تدریج در معرض افزایش تدریجی نیروی مغناطیسی کنندگی 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 که  محاسبه شود و برحسب B یا H رسم شود مشهود است که ثابت نیست. مقدار  تغییر می کند و بنابراین مقدار آن در یک نقطه B یا H داده شده مشخص می شود (شکل 2-2).

در مقادیر کوچک H پرمابیلیته اولیه نامیده می شود. درجات معمولی مواد هسته از قبیل فولاد کم کربن و فولاد سیلیکون دار دارای  اولیه کمی می‌باشد آلیاژهی زیادی از جمله انواع آهن نیکل دار در چندین دهه اخیر تلاش شده است برای اینکه  اولیه آنها حتی به صورت نامحدود افزایش یابد.

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

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

2- Saturation :

منحنی B-H به وضوح معنای اشباع را مشخص می کند. دیده می شود که بعد از یک مقدار مشخص H (نقطه c در شکل 1-2) افزایش کمی 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 کنیم که در حالت اشباع پرمابیلیته باید خیلی کوچک یا صفر باشد، برای اینکه افزایش کمی در مقدار B و یا عدم افزایش آن به خاطر افزایش H وجود دارد. این به آن معنی است که هنگامی که آهن اشباع می شود اندوکتانس خیلی کوچک است.

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

3- Electrical Resistivity :

خطوط فلو سیم پیچی های ترانسفورماتور را قطع می کند، از داخل هسته نیز عبور می کند و در آن جریان های الکتریکی القا می کند این جریان های فوکو هسته را گرم می کنند و بنابراین توان تلف می کنند. اگر مقاومت الکتریکی هسته بالا باشد جریان ها کم است بنابراین مزایای مواد کم تلفات در مقاومت الکتریکی بالای آنها است. این نوع تلفات همچنین با ساخت هسته از ورقه‌های نازک که از یکدیگر ایزوله شده اند، کم می شود.

4 و 5- Hysteresis (remanence and coercivity) :

وقتی که یک ماده که از قبل مغناطیس زدایی شده در معرض یک سیکل کامل مغناطیس کنندگی قرار گیرد و B برحسب H رسم شود شکل شبیه نتایج شکل 4-2 حاصل می شود. باید توجه کرد که شکل مانند شکل 1-2 یک منحنی B-H است، ولی تفاوت آن در این است که در شکل 1-2 ماده فقط سیکل را تجربه می کند در صورتیکه در شکل 4-2 در یک سیکل کامل قرار می گیرد که از نخستین ربع سیکل شروع می شود.

منحنی نشان می دهد که بعد از مغناطیس شدن اولیه (os) چگالی فلو همیشه نسبت به نیروی مغناطیسی عقب می افتد همچنین نشان می دهد که خاصیت مغناطیسی ماده نه تنها به نیروی مغناطیس کنندگی که اعمال می شود، بلکه همچنین به خاصیت مغناطیسی قبلی ماده نیز بستگی دارد.

حلقه هیسترزیس تلفات انرژی را در هسته نشان می دهد که یک نوع اصطکاک مغناطیسی است و علاوه بر تلفات فوکو می باشد. تولید کنندگان، کل تلفات هسته را در یکجا جمع می کنند و تحت عنوان تلفات آهن آن را بیان می‌کنند.

منحنی های تلفات برحسب وات بر پوند ماده هسته مشخص می شود. نکته جالب توجه در تمام این موارد این است که در عمل مغناطیس شدن هسته یک ترانسفورماتور در حال کار هیچ وقت منحنی  B-H شکل 1-2 را دنبال نمی‌کند، فقط یک بار در تمام طول عمر ترانسفورماتور این اتفاق می افتد و موقعی است که در یک لحظه زودگذر هسته به طور کامل مغناطیس زدایی شده باشد و نیروی مغناطیسی برای اولین بار اعمال شود.

سطح حلقه هیسترزیس معیاری برای تلفات است.

انواع آلیاژها:

پنج گروه اصلی آلیاژهای مغناطیسی نرم که به صورت اولیه با ماده اصلی فلز تشکیل دهنده آن طبقه‌بندی می شوند:

Low-Carbon Steel

Silicon Steel

Nickel-Iron (Permalloy)

Cobalt-Nickel-Iron (Perminvar)

Cobalt-Iron (Permendur)

که هر گروه انواع مختلفی با مشخصه‌های منحصر به فرد خود را دارا می‌باشند، که از نظر ترکیب حرارتی، الکتریکی و رفتارهای فیزیکی متفاوتند. هر تولید کننده برای مواد خود اسم تجارتی متمایزی دارد که در جدول 1-1 تعدادی از آنها آورده شده اند.

مرور کل جدول مشخص می کند که طراحان در جستجوی پرمابیلیته بالا هستند.

مهمترین مسأله در استفاده از جدول تلفات پایین و هزینه کم است.

Low-Carbon Steel

همچنین با نامهای Cold-rolled steel یا نام اختصاصی Hypertran که از ارزانترین و ساده‌ترین آلیاژها می باشد.

در مقایسه با سایر مواد هر چند تلفات نسبتاً بالایی دارد و پرمابیلیته پایینی دارد ولی برای اهداف ارزان قیمت انتخاب مناسبی می باشد.

Silicon Steel :

جزء اولین و معمولترین آلیاژهایی است که در هسته ها استفاده می گردد، هرچند از زمان معرفی آن تاکنون خیلی بهبود یافته است. اساساً شامل آهن بوده با مقدار کم ولی کافی از سیلیکون حدود %1 تا %4 که باعث افزایش مقاومت الکتریکی و کم شدن تلفات فوکو می شود همچنین پایداری ماده را از نظر حفظ مشخصات ماده به مرور زمان باعث می شود.

این ماده نقطه اشباع بالا، پرمابیلیته خوب در چگالی فلوی بالا و تلفات متعادلی دارد. مهمترین عضو این گروه grain-oriented silicon می باشد. مواد grain-oriented silicon این مزیت را دارند که جهت‌یابی آسان مغناطیسی در طول لبه های کریستالهای مکعبی شکل که فلز از آنها تشکیل شده است. این ماده به صورت گسترده در انواع مختلف در ترانس های قدرت و همچنین در ترانسفورماتورهای Audio و موارد دیگر کاربرد دارد.

Nickel-Iron (permalloy) :

یکی از مهمترین آلیاژهایی است که غالب آن را ترکیب نیکل و آهن تشکیل می دهند ولی در مواردی مقداری مس و مولیبدنوم به این ترکیب اضافه می‌کنند. تلفات آن کم است و اشباع در این نوع در چگالی فلوی نسبتاً پایینی رخ می دهد. یکی از انواع این نوع آلیاژ با نام Super Square80 شناخته می‌شود، که این نامگذاری به علت شکل تقریباً مربعی حلقه هیسترزیس آن است.

Cobalt-Nickel-Iron (perminvar) :

در این نوع آلیاژ مقداری کبالت به نیکل و آهن اضافه می شود تا نسبتاً پرمابیلیته ثابت تری داشته باشد. این نوع آلیاژ دارای تلفات هیسترزیس خیلی کم در چگالیهای فلوی پایین است.

Cobalt-Iron (permendur) :

ترکیب کبالت و آهن بدون نیکل منجر به یک آلیاژ با خواص پرمابیلیته بالا در چگالی شار بالا می شود. همچنین یک پرمابیلیته افزایشی بالا دارد. به عبارت دیگر پرمابیلیته ac زیاد در حضور یک نیروی مغناطیس کنندگی dc زیاد. یکی از جدیدترین آلیاژها در این گروه از نوع خاص vanadium-cobalt-iron است که از تمام آلیاژها نقطه اشباع بالاتری دارد، ولی با وجود تلفات کم خیلی گران است.

فریت های نرم:

در حدود بیست و چند سال پیش یک ماده بصورت غیرمنتظره به ردیف جلوی مواد هسته آمده است. این ماده واقعاً یک فلز یا حتی یک محصول فلزی پودر شده در فرکانس های بالا نمی باشد. در واقع این ماده سرامیک می‌باشد، که تمام مراحل معمول ساخت سرامیک را می گذراند. اما با سرامیک های معمولی این تفاوت را دارد که مغناطیسی است این نوع از سرامیک های مغناطیسی فریت نرم نامیده می شود.

از آنجایی که فریت ماده ای است که براحتی شکل می پذیرد به همین خاطر از نوارها و لایه های مغناطیسی به دلیل توانایی آن در بخود گرفتن شکلهای پیچیده پیشی می گیرد و محدودیت در اندازه را ندارد که باید تحت فشار زیاد ایجاد گردد. این مواد در شکلهای متعددی ظاهر می گردند. به صورت E و I شکل، میله ای و ستونی، بصورت حجمهای توخالی و به شکل چنبره ای. آنها می توانند همراه با مزایای ارایه انواع شکلها، حفاظت در برابر میدانهای بیگانه، کمترین مقدار ممکن میدانهای سرگردان، اندوکتانس نشتی کم و … مزیت انعطاف پذیری در نصب و سوار کردن را نیز فراهم نمایند.

بیشتر خواننده ها حداقل با یک نوع از سرامیک های فریت آشنا هستند از آنجایی که آنتن رادیوهای ترانزیستوری که با باطری کار می کنند از آن تهیه شده است و همچنین در تلفن و کامپیوتر نیز خیلی کاربرد دارد. البته این ماده بهترین ماده برای کار در ناحیه فرکانس بالای طیف الکترومغناطیسی است. موقعی که از ترانسفورماتورهای قدرت صحبت می کنیم به ندرت به فریت ها فکر می کنیم برای اینکه ترانسفورماتورهای قدرت به صورت تجاری در فرکانسهای پایین کار می کنند که آلیاژهای آهنی ورقه ورقه بهترین هستند، اما خارج از آن ناحیه در ناحیه بالای فرکانس های صوتی ورقه‌های استاندارد نازکتر و نازکتر می شوند حتی تا 0.001 اینچ و کمتر بجای اینکه ترانسفورماتورهای قدرت را به ناحیه فرکانسهای بالا انتقال دهیم (قلمرو فریت‌ها).

البته این به آن معنی نیست که فریت ها کاملاً به ناحیه فرکانس پایین می‌آیند بلکه به آن معنی است که فریت ها طراحان را علاقمند می کنند به انواع خاصی از ترانسفورماتورهای قدرت که فرکانسهای آنها در محدوده بالای 20 کیلو هرتز است که اساساً به حجمهای کمتر و وزن کمتر می رسیم و همچنین فریت‌ها دارای کارکردی با هزینه کمتر می باشند. اینورترها و کانورترهای قدرت که ترانسفورماتورهای ورقه ورقه بکار می برند و در فرکانس های 60 تا 400 هرتز کار می کنند، اما اگر به محدوده بالای 2 کیلو هرتز و حتی بالاتر یعنی 10 کیلو هرتز و یا بالاتر برویم ورقه‌های مغناطیسی باید بهبود داده شوند و در همان حال این هسته ها خیلی گرانتر و اداره کردن آنها مشکل است. اما دقیقاً در آن فرکانس ها جایی که هسته های ورقه ورقه غیر عملی می شوند فریت ها یک نسبت کارکرد کم هزینه را تولید می کنند مقایسه کارکردها در جدول 2-2 و 3-2 توسط شرکت Indiana General نشان داده شده است که چرا فریت ها به محدوده فرکانس های پایین نمی رسند و چرا ورقه های آلیاژی در فرکانس های بالا مشکل دارند.