سه ترانسفورماتور تک فاز را می توان به هم متصل کرد که سه سیم پیچ با ولتاژ نامی یکسان به صورت مثلث( ) و سه سیم پیچ با ولتاژ نامی دیگر به صورت ستاره(Y) به هم متصل می شوند و تشکیل یک ترانسفورماتور سه فاز را دهند. گفته می شود که یک چنین ترانسفورماتوری با اتصال ستاره-مثلث( -Y) یا مثلث-ستاره(Y- ) است. سایر اطلاعات ممکن عبارتند از ستاره(Y-Y) و مثلث-مثلث( - ). اگر هر کدام از این سه ترانسفورماتور تک فاز دارای سه سیم پیچ(اولیه، ثانویه، ثالثیه) باشد، در این صورت می توان دو دسته را به صورت ستاره به هم متصل کرد. به جای استفاده از سه ترانسفورماتورتک فاز یکسان ،استفاده از یک ترانسفور ماتور سه فاز که در آن هر سه فاز بر روی هسته آهنی واحدی قرار دارند متداولتر است.قضیه ی ترانسفورماتورسه فاز همانند دسته ی سه فازی از ترانسفور ماتورتک فاز است.ترانسفور ماتور سه فاز مزیت استفاده کمتر از آهن برای تشکیل هسته را دارد.و بنابراین اقتصادی تر از سه ترانسفور تک فاز است وجای کمتری اشغال می کند.سه ترانسفورماتوردارای این مزیت است که به هنگام خرابی،به جای ازدست دادن تمام سه فاز فقط یک واحد از ردیف سه فاز تعویض می شود اگر در یک ترانسفورماتورمثلث-مثلث شامل سه واحد جداگانه،رخ می دهد می توان یکی از ترانسفورماتور تک فاز را برداشت و دو ترانسفورماتور باقی مانده هنوز به کار ادامه می دهد.یک چنین حالتی را حالت مثلث باز می نامند.
همان گونه که می دانیم ترانسفورماتورهای قدرت با جریان و ولتاژهای بسیار سر و کار دارندو باید حفاظتهایی برای آنها صورت گیرند.به عنوان مثال،برای حفاظت ولتاژزیاد ترانسفورماتورها ،باید سطح عایقی ترانسفورماتورمناسب باشد.همچنین با توجه به عبور جریان زیاد از سیم پیچهای ترانسفورماتور و ازدیاد درجه حرارت سیم پیچها ،باید حفاظتهایی برای کنترل درجه حرارت آن صورت گیرد. بدین منظور و برای شناخت بیشتر ترانسفورماتورهای قدرت،تجهیزات اساسی آن را بیان می نماییم.
تجهیزات اساسی ترانسفورماتورهای قدرت عبارتند از:
1-هسته core
2-سیم پیچ ها coil
3-تپ چنجر tap changer
4-تابلوی مکانیزم تپ چنجر
5-بوشینگ ها bushing
6-تانک روغن(بدنه اصلی) tank
7-روغن ترانسفورماتور oil
8-چرخ های ترانسفورماتور wheels
9-باک روغن(کنسرویتور) oil conservator
10-وسایل خنک کننده coolig equipments
الف)رادیاتورها heat exchanger
ب)فن ها air fans
ج)پمپ روغن oil pump
11-رطوبت گیر dehydrating breathers
12-وسایل حفاظتی و اندازه گیری measuring and protectional
الف)رله بوخ هلتس buchholts relay
ب)دریچه تخلیه فشار(سوپاپ اطمینان) pressure relief device
ج)لوله انفجار
د)ترمومترها thermometers
13-نشان دهنده سطح روغن(ارتفاع سنج روغن) oil level gauges
14-شیرهای ترانسفورماتور valves
15-برقگیر
16-تابلوی فرمان اصلی marshanling box
17-پلاک مشخصات ترانسفورماتور
هسته
هسته ترانسفورماتور، وظیفه ایجاد ارتباطی مغناطیسی بین سیم پیچهای اولیه و ثانویه را بر عهده دارد.به منظور کاهش تلفات گردابی لازم است تا هسته از ورقه های فولادی نورد شده به ضخامت3/0تا5/0میلیمتر ساخته شود.این ورقه ها با ماده ای عایقی به نام کارلیت که توانایی عبور فوران مغناطیسی را داردولی عایق جریان الکتریکی است،پوشانده می شوند.این عایقها دارای استقامت حرارتی بالایی هستند و در دماهای بالا نیز تحت تاثیر روغن ترانسفور ماتور قرار نمی گیرند.جنس این ورقه ها از عایق های فولادی که مقداری سیلیس به آن اضافه می گردد.اضافه کردن ماده سیلیسیوم، باعث افزایش طول عمر ورقه های فولادی،کاهش تلفات پسماندو افزایش مقاومت مخصوص هسته می شود و در نتیجه تلفات جریان گردابی کاهش می یابد البته درصد ماده سیلیسیوم باید به مقدار مشخصی باشد.زیرا زیاد بودن درصدآن باعث نرم شدن آلیاژحاصله می گرددو طبعا عمل سوراخ کردن هسته با مشکل مواجه می شود.همچنین تلفات ضریب نفوذ پذیری هم افزایش می یابد.البته لازم به ذکر است که برای افزایش قدرت نامی و کاهش تلفات هسته،سازندگان در ساخت هسته های ترانسفور ماتور،از نوعی ماده مغناطیسی به نام که کمترین تلفات را در مقابل عبور شار مغناطیسی دارد،استفاده می کنند.همچنین برای خنک کردن هسته ،کانالهایی درون آن طراحی می شود تا با گردش روغن در داخل آن ،عمل خنک کنندگی هسته انجام شود.
ترانسفورماتور از نظر نوع هسته، به دو نوع هسته ای و نوع پوسته ای تقسیم می شوند که البته این نوع تقسیم بندی عموماً برای ترانسفورماتورهای تک فاز عنوان می شود. در ترانسفورماتورهای تک فاز نوع هسته ای، سیم پیچ های اولیه و ثانویه روی دو بازوی مختلف یک هسته ای با دو یا چهار بازو پیچیده می شوند. این در حالی است که در نوع پوسته ای، سیم پیچ های اولیه و ثانویه روی بازوهای میانی یک هسته با سه یا پنج بازو، بر روی یکدیگر پیچیده می گردند. هسته ترانسفورماتورهای قدرت سه فاز معمولاً دارای دو حالت سه بازویی و پنج بازویی است. در حالت سه بازویی، سیم پیچ های هر فاز بر روی هر بازو پیچیده می شوند؛ ولی در حالت پنج بازویی، سه بازوی وسطی برای سیم پیچ های هر فاز، و دو بازوی کناری برای برقراری مسیر فوران مغناطیسی ایجاد می شود.
برای راحتی کار در هنگام جازدن سیم پیچها ،هسته ترانس را از قطعات ورق که در کنار هم قرار داده می شوند،می سازند.از طرف دیگر چون ورق های آهنی با نورد ساخته می شوند، بنابر خواصی که دارند قابلیت نفوذ مغناطیسی آنها در راستایی که نورد شده اند. بیشتر است.به همین خاطر سعی می کنند که قطعات ورق را طوری برش داده و در کنار هم قرار می دهند که شار مغناطیسی همیشه در راستایی که ورق نورد شده از آن عبور کند در این صورت جریان بی باری ترانسفور ماتور کم می شود شکل زیر.
سیم پیچها
سیم پیچهای اولیه و ثانویه، اصلی ترین جزءترانسفور ماتور ها می باشد که فوران ایجاد شده توسط آنها از طریق ترانسفور ماتوربا یکدیگر تزویج می شوند.معمولا سیم پیچهای فشار قوی و فشار ضعیف ترانسفور ماتورهای قدرت بر روی هسته به صورت متحدالمرکز پیچیده می شوند .ابتدا سیم پیچ فشار ضعیف بر روی هسته قرار می گیرد،و سپس سیم پیچ فشار قوی روی آن پیچیده می شود. علت این نوع ترتیب قرار گرفتن سیم پیچها، آن است که سیم پیچ فشار ضعیف به خاطر ولتاژ کم آن، به عایق کاری کمتری نیاز دارد و در نتیجه هزینه عایق کاری سیم پیچها از هسته بسیار کمتر خواهد شد هادی های سیم پیچها ،شامل سیم های مسی با مقطع دایره ای هستند تا تمرکز ولتاژ در لبه ها به کمترین مقدار خود کاهش یابد البته در ترانسفور ماتور های با قدرت بالا از هادی های استوانه ای نیز استفاده می شود که گوشه های آن راپخ می زنند تا عایق کاری با نحوی مناسب انجام شود. عایق هادی ها بسته به قدرت عایق مورد نظر، روکشی از نوارهای عایقی می باشد.پیچک های هادی به دور استوانه صلیبی که اندازه های آن به دقت محاسبه می گرد، پیچیده می شوند. همچنین فواصلی برای گردش روغن درون پیچک ها به شکل محوری در بین لایه های سیم پیچ ها در نظر گرفته می شود تا سیم پیچها در برابر نیروهای مکانیکی استقامت نمایند. عایق های مورد استفاده به خاطر اینکه اندکی رطوبت دارند، به همراه سیم پیچها درون کوره قرار داده می شوند تا با انتقال حرارت(با دمای بالاتر از 100درجه سانتیگراد)به مدت 24ساعت،رطوبت عایقها به کلی جذب شود.سپس هسته و سیم پیچها در روغن تانک ترانسفورماتورغوطه ور می گردنند.
اتصالات سیم پیچها در ترانسفور ماتورها
از آنجا که جریان متناوب می تواند به صورت یک سیستم تک فازو یا چندفازه(عموما سه فازه)موجود باشد ترانسفورماتورنیز تک فاز یا چند فازه خواهد بود در حالت چند فازه مدارهای الکتریکی اولیه و ثانویه به مجموعه چند مدار تک فاز که به هم متصل هستنداطلاق می شود که به شرح زیز می باشند.
اتصال مثلث به مثلث(D-d)
اتصال مثلث به مثلث به ترانسفور ماتور هایی که قدرت زیاد دارند و ولتاژ آنها در سطح پایینی است و از نقطه نظر عایق بندی مشکل ایجاد نمی کنند بکار می رود از طرفی این اتصال در مواردی که احتیاج به سیم صفر نیست مانند مواردی که مصرف کننده ها
همه سه فازه هستند(موتورهای جریان متناوب سه فاز)همچنین در مواقعیکه ولتاژتغذیه کم با متوسط و جریان زیاد باشد مورد استفاده قرار می گیرند.
اتصال ستاره به ستاره(Y-y)
این نوع اتصال بیشتر در ترانسفور ماتورهای کوچک و ترانسفور ماتور های با ولتاژبسیار بزرگ استفاده می شود که از نقطه نظر اقتصادی حداقل مقدار عایق و تعداد دور حلقه در هر فاز را شامل است و در دو حالت با سیم صفر مورد مطالعه قرار می گیرد.در این حالت مجموع جریانهای سه فاز در هر لحظه صفر می باشدچه بار متعادل باشد چه نباشدو ولتاژی که در دو سر سیم پیچ هر فاز قرار می گیرد برابر کمتر ازولتاژ خط است بنابراین عایق کمتری مصرف استفاده می شود.
اتصال مثلث به ستاره(D-y کاهنده، d-Y افزاینده):
این اتصال معمولا در ترانسفورماتورهای افزاینده ولتاژدر نیروگاهها و ابتدای خطوط انتقال نیروو با ولتاژ قوی در سیستم های توزیع انرژی به صورت چهار سیمه که همزمان می تواند مصرف کننده های سه فازمانند موتورهای الکتریکی سه فاز را تغذیه کنند و همچنین جهت تامین مصارف روشنایی موراده واقع شود و به طور کلی در مواردی که طرف دوم احتیاج به سیم صفر باشد بکار برده می شود.در این اتصال ولتاژ خط در طرف ستاره(ثانویه) N2/N1برابر ولتاژهای خط در طرف مثلث اولیه و از لحاظ فاز30درجه نسبت به آنهاپیش فاز هستند.
اتصال ستاره به مثلث(Y-d)
کاربرد اصلی در پستهای فرعی انتهای خط انتقال انرژی است یا تبدیل فشار قوی زیاد به متوسط و کم یعنی جایی که ولتاژ پایین آورده می شودتا به ترانسفور ماتور و یا پست توزیع و آماده می شود اینجا نقطه اتصال ستاره با سیم نوترال زمین می شود البته این نوع اتصال را براتی موقعی که نیاز به سیم صفر نباشد و مصرف کننده ها همگی سه فاز باشند نیز به کار می برند. در این حالت ولتاژخط ثانویه نسبت به ولتاژخط ر اولیه30درجه پس فاز است.
اتصال ستاره به زیگزاگ(Y-z):
این اتصال بیشتردر طرف فشار ضعیف های توزیع و پخش انرژی چهار سیمه که همواره با نامتعادلی بارها و یا به طور موضعی و با قدرت پایین همراه است بکار میرود.در این اتصال سه سیم پیچ طرف فشار ضعیف را بدو قسمت مساوی تقسیم می نمایندآنگاه نصف بو بین مربوط به فاز اول ثانویه را با نصف بو بین زیرین فاز دوم در جهت معکوس سری می نمایند و این عمل برای دیگر فازها عینا انجام می شود.
اتصال مثلث به زیگزاگ(D-z)
تفاوت این اتصال فقط در ایت استکه اولیه به صورت مثلث وصل شده ثانویه همان خصوصیاتی را خواهد داشت که قبلا ذکر گردیده و بیشتر در مواقعی که ترانسفور ماتور سه فازه برای تغذیه دستگاههایی که به صورت اختصاصی هستندمورد استفاده قرار می گیرند.
مثلا تغذیه یکسو سازهای قدرت در شکلهای زیر اتصال چند نوع سیم پیچیدی نشان داده شده است.
گروههایی ترانسفورماتور
یکی از مواردی که لازم است تا در مورد آن بحث شودوجود اختلاف فاز بین ولتاژهای ورودی و خروجی است طریقه اتصال سیم پیچها به یکدیگر سبب می شود تا ترانسفور ماتور هایی با ولتاژو اختلاف فازهایی متفاوت بین ولتاژهای وردی و خروجی به وجودآید چنانچه سیم پیچهای فشار قوی و فشار ضعیف دارای یک نوع اتصال باشند و در نتیجه با توجه به نحوه اتصال سیم پیچها اختلاف فاز بین ولتاژ بالا و ولتاژ پایین پیچیده شده بر روی یک بازو و صفر یا 180 خواهد بود. اما اگر سیم پیچ های فشار قوی و فشار ضعیف دارای اتصالات مختلفی باشند، بدین ترتیب اختلاف فاز بین ولتاژ های همنام اولیه و ثانویه ترانسفورماتور 330،210،150،30 ، می شود. اما ترانسفورماتورهایی که دارای اختلاف فاز 30 یا 120 هستند، استاندارد نبوده و معمولاً تولید نمیشوند.
موقعیت ولتاژهای سیم پیچ های فشار قوی وفشار ضعیف نسبت به هم در اتصالات سیم پیچ ها
اختلاف فاز بین ولتاژهای همنام اولیه و ثانویه ترانسفورماتورهای سه فاز به صورت یک عدد مشخص میشود. این عدد زاویه اختلاف فاز را برحسب تقسیمات صفحه ساعت بیان میکند.
-بیان زوایه اختلاف ولتاژها برحسب تقسیمات ساعت.
تپ چنجر مکانیزمی است که با آن می توان نسبت ولتاژ ترانسفورماتور را تغییر داد. مثلاً اگر توسط یک ترانسفورماتور قدرت، قدرت خروجی یک ژنراتور به شبکه داده می شود، در مواقعی که شبکه با افت ولتاژ مواجه است، می توان با انتخاب ولتاژ ثانویه بیشتری، افت ولتاژ در شبکه را جبران کرد. همچنین در مواقعی که شبکه، افزایش ولتاژ دارد، می توان با کاهش ولتاژ ثانویه، این افزایش ولتاژ را ترمیم نمود. این تغییرات ولتاژ معمولاً 10 ولتاژ نامی ترانسفورماتور است.
معمولاً عمل تغییر تپ چنجر به دو صورت زیر انجام می گیرد:
1-دستی
2-اتوماتیک
کاری که در داخل ترانسفورماتور انجام می شود، این است که در هر بار تغییر تپ ترکیب خاصی از سر سیم پیچ هایی که از قسمت های مختلف سیم پیچی ثانویه ترانسفورماتور به تپ چنجره برده شده اند، به هم وصل میشوند. لذا تعداد دور سیم های ثانویه که در مدار قرار می گیرند، عوض میشود و طبعاً نسبت تبدیل هم تغییر می کند. در نتیجه میتوان گفت که با یک ولتاژ ثابت در اولیه، ولتاژ ثانویه عوض می شود. بر روی پلاک مشخصات ترانسفورماتورها، ترتیب تعویض تپ ها وشماره پایانه هایی که در هر انتخاب ولتاژ جدید، باید به هم وصل شوند، و شماره وضعیت تپ چنجر داده می شود. در ترانسفورماتورهای معمولی تپ چنجر طرف فشار قوی عمل می کند، به علت آنکه در طرف ولتاژ بالا، ولتاژ در هر دور سیم پیچی(volt/turn)، کمتر از طرف ولتاژ پائین است و جریان نیز ازدو طرف ولتاژ پائین کمتر است لذا مسئله تعویض تپ، آسانتر و با مشکل کمتر(از نظر جرقه و قوس) انجام خواهد شد.
تپ چنجرها را به دو دسته تقسیم می کنند.
الف)تپ چنجر بی بار(off load tap changer)
ب)تپ چنجر زیر بار(on load tap changer)
منظور از تپ چنجر بی بار آن است که برای تغییر تپ باید ابتدا ترانسفورماتور را بی بار کرد و سپس تپ را عوض کرد، ولی در نوع زیر بار می توان تپ را بدون آنکه ترانس را بی برق کرد هم می توان عوض کرد که البته این نوع به تکنیک بالاتری نیازمند است در شکلهای زیر نحوه اتصالات تپ مختلف نشان داده شده است.