تُستخدم المحولات ثلاثية الطور على نطاق واسع لتوليد ونقل الكهرباء عبر مسافات طويلة، وتخدم في المقام الأول الاحتياجات الصناعية والتجارية. ولضبط مستويات الجهد في مثل هذه الأنظمة، يتم استخدام المحولات ثلاثية الطور، حيث تسمح بتكوينات لفات مختلفة إما لزيادة أو خفض الجهد.
لقد درسنا سابقًا بناء وتشغيل المحولات أحادية الطور ثنائية اللف أحادية الطور، والتي يمكن أن تعدل بالمثل مستويات الجهد الثانوي بالنسبة لجهد الإمداد الأساسي.
ومع ذلك، لا تقتصر المحولات على التطبيقات أحادية الطور. بل يمكن تصميمها لأنظمة ثنائية الطور أو ثلاثية الطور أو سداسية الطور أو حتى أكثر تعقيدًا، بحيث تمتد حتى 24 مرحلة في سيناريوهات تصحيح التيار المستمر عالية الطاقة المتخصصة.
من خلال توصيل اللفات الأولية لثلاثة محولات أحادية الطور والقيام بالشيء نفسه بالنسبة لملفاتها الثانوية بترتيب معين، يصبح هذا الإعداد مناسبًا للاستخدام مع مصدر طاقة ثلاثي الطور.
تعتبر الإمدادات ثلاثية الطور - التي يشار إليها باسم 3 مراحل أو 3φ - ضرورية لتوليد الطاقة ونقلها وتوزيعها والتطبيقات الصناعية. وهي توفر مزايا كبيرة مقارنة بالأنظمة أحادية الطور من حيث الكفاءة والأداء الكهربائي.
ومع ذلك، عند العمل مع المحولات ثلاثية الأطوار، من المهم حساب الفولتية المتبادلة الثلاثة والتيارات المتبادلة التي يتم إزاحة أطوارها بمقدار 120 درجة عن بعضها البعض.
في نظام كهربائي ثلاثي الأطوار، فإن جهد خط إلى خط (VL) يمثل الجهد بين أي خطين، بينما يمثل جهد الطور إلى المحايد (نائب الرئيس) هو الجهد المقيس بين الطور الواحد والنقطة المحايدة. تُعطى العلاقة بين هذه الفولتية في التوصيل النجمي (wye) بالعلاقة VL=√(3)×نائب الرئيس.
لا يمكن للمحول تحويل إمداد أحادي الطور إلى إمداد ثلاثي الطور أو العكس. ولجعل المحولات متوافقة مع الأنظمة ثلاثية الطور، يجب توصيل اللفات الخاصة بها في تكوينات محددة لتكوين إعداد محول ثلاثي الطور.
بناء محول ثلاثي الطور
يمكن بناء محول ثلاثي الأطوار بطريقتين:
يوفر التصميم ذو الوحدة الواحدة مزايا مثل انخفاض الحجم والوزن والتكلفة والكفاءة المحسنة لنفس تصنيف الكيلو فولت أمبير مقارنة باستخدام ثلاثة محولات منفصلة. ومع ذلك، فإن استخدام محولات فردية يوفر المرونة والموثوقية، حيث يمكن استبدال وحدة واحدة دون التأثير على النظام بأكمله.
تكوينات اللف
يمكن توصيل لفات المحولات ثلاثية الطور بتكوينات مختلفة لتلبية المتطلبات الكهربائية المختلفة:
يمكن ترتيب اللفات الأولية والثانوية في تركيبات مثل نجمة-نجمة، أو دلتا-دلتا، أو دلتا-دلتا، أو دلتا-دلتا، أو دلتا-نجمة. كل تكوين له حالات استخدام محددة:
عندما توفر المحولات ثلاث مراحل أو أكثر، يشار إليها باسم المحولات متعددة الأطوار. تتيح هذه التكوينات المرونة في مستويات الجهد وتضمن التوافق مع الأنظمة الكهربائية المختلفة.
في أنظمة المحولات ثلاثية الطور، يشير المصطلحان “نجمي” (أو واي) و“دلتا” (أو شبكة) إلى طرق محددة لتوصيل لفات المحول. تؤثر هذه التكوينات على مستويات الجهد وتدفق التيار وتأريض النظام.
وصلة النجمة (واي)
اتصال دلتا (شبكة) دلتا
وضع العلامات والملصقات
التدفق المغناطيسي والمراحل
تركيبات التوصيل
يمكن تكوين اللفات الأولية والثانوية في مجموعات مختلفة:
تسمح هذه التكوينات للمحول ثلاثي الأطوار بالتكيف مع المتطلبات الكهربائية المتنوعة مع ضمان توزيع الطاقة بكفاءة.
تكوينات المحولات النجمية والدلتا
في المحولات ثلاثية الطور، يتم استخدام رموز محددة للدلالة على أنواع التوصيلات المستخدمة لكل من اللفات الأولية والثانوية.
رموز الاتصال
أمثلة على وضع العلامات
توفر هذه الرموز طريقة واضحة وموجزة لتحديد تكوين المحولات ثلاثية الطور، مما يسهل التواصل والفهم بين المهندسين والفنيين في الميدان.
| الاتصال | اللف الأساسي | اللف الثانوي |
| دلتا | D | d |
| نجمة | Y | y |
| مترابط | Z | z |
التكوينات القياسية الأربعة لتوصيل ثلاثة محولات ثلاثية الطور في نظام ثلاثي الطور هي
دلتا دلتا (Dd)
نجمة النجوم (Yy)
نجمة-دلتا (Yd)
دلتا-ستار (Dy)
الاعتبارات الرئيسية
مزايا تكوين النجوم:
ميزة تهيئة دلتا:
توفر هذه التكوينات مرونة في تصميم أنظمة الطاقة، مما يسمح للمهندسين باختيار الترتيب الأنسب بناءً على مستويات الجهد وخصائص الحمل ومتطلبات النظام.
تكوين دلتا-دلتا (Dd)
في مجموعة المحولات الموصولة دلتا:
عيوب اتصال دلتا كونيكشن:
تكوين نجمة النجمة (Yy)
في ترتيب نجمة-نجمة-نجمة:
خصائص اتصال النجوم:
ميزة اتصال النجوم:
المقارنة
| أسبكت | دلتا (Dd) | نجمة (YY) |
|---|---|---|
| الفولتية | جهد الخط الكامل | 57.7% من جهد الخط 57.7% |
| الحالي | 57.71 تيرابايت 3 تيرابايت من تيار الخط | تيار الخط الكامل |
| محايد | غير متوفر | متوفرة |
| تأثير الفشل | يمكن أن تعمل بسعة 2/3 | قد تفشل المجموعة بأكملها |
| حجم الملف | أكبر | أصغر |
| التكلفة | أعلى | أقل |
| التطبيق | أحمال صناعية غير متوازنة | توزيع الطاقة، الأحمال المتوازنة |
يعتمد الاختيار بين تكوينات دلتا ونجمة على متطلبات النظام المحددة ومستويات الجهد وخصائص الحمل. ولكل منها مزاياها في سيناريوهات مختلفة، مما يجعلها مناسبة لمختلف التطبيقات في أنظمة الطاقة.
يُطلق على الجهد بين أي خط من محول ثلاثي الأطوار “جهد الخط”، VL, في حين أن الجهد بين أي خط ونقطة التعادل لمحول متصل بنجمة يسمى “جهد الطور”، VP.
يساوي جهد الطور بين النقطة المحايدة وأي من وصلات الخط المحايد 1/√3 × VL من جهد الخط. ثم من أعلى، جهد الطور في الجانب الابتدائي، VP على النحو التالي.
التيار الثانوي في كل مرحلة من مراحل مجموعة المحولات الموصولة بنجمة هو نفسه تيار خط الإمداد، فإن التيار الثانوي في كل مرحلة من مجموعة المحولات الموصولة بنجمة هو نفسه تيار خط الإمداد، فإن IL = IS.
ومن ثم يمكن تلخيص العلاقة بين جهد الخط وفولتية الطور والتيار في نظام ثلاثي الأطوار على النحو التالي:
| الاتصال | جهد الطور | جهد الخط | تيار الطور | الخط الحالي |
| نجمة | VP = VL ÷ √3 | VL = √3 × VP | IP = IL | IL = IP |
| دلتا | VP = VL | VL = VP | IP = IL ÷ √3 | IL = √3 × IP |
في أنظمة المحولات ثلاثية الطور, VL جهد خط إلى خط، في حين أن نائب الرئيس يشير إلى جهد الطور إلى المحايد على الجانب الابتدائي أو الثانوي.
توصيلات المحولات ثلاثية الأطوار الإضافية
تستخدم محولات دلتا ستار (Dy) بشكل شائع في أنظمة توزيع الطاقة المنخفضة. وهي تقدم فائدتين رئيسيتين:
تعقيد نسبة الدوران
وتصبح نسبة اللفات الإجمالية أكثر تعقيدًا عندما يكون للملفات الأولية والثانوية أنواع توصيل مختلفة (نجمية أو دلتا). بالنسبة لتكوينات دلتا-دلتا (Dd) أو نجم-نجم (Yy)، تكون نسبة اللفات 1:1 ممكنة، مما يعني أن جهد لفات الدخل والخرج متساوية.
تحليل تكوين نجمة-دلتا (YD)
في اتصال نجمة-دلتا (Yd):
تسمح هذه الخاصية الفريدة لمحولات دلتا النجمية بتحويل الجهد دون تغيير عدد اللفات مما يجعلها ذات قيمة في تطبيقات توزيع الطاقة المحددة.
بالنسبة لمحول متصل بنجمة-دلتا (Yd) تصبح نسبة الدوران:
وبالمثل، بالنسبة لمحول دلتا-نجم (Dy) متصل بنجم دلتا (Dy)، مع نسبة لفات 1:1، سيوفر المحول نسبة جهد خط تصعيد 1:√3. ثم تصبح نسبة اللفات بالنسبة لمحول دلتا-نجم متصل بـ دلتا-نجم
فيما يلي جدول يسرد الفولتية والتيارات الثانوية للتكوينات الأربعة الأساسية للمحولات ثلاثية الطور، فيما يتعلق بجهد الخط الأساسي (VLVL) وتيار الخط الأساسي (IL):
| التكوين | جهد الخط الثانوي | تيار الخط الثانوي |
|---|---|---|
| دلتا-دلتا | ن×ف لn×VL | IL/nIL/n |
| دلتا-ستار | 3×ن×ف ل3×n×VL | IL/(3×ن)IL/(3×n) |
| ستار-دلتا | ن × ف ل/3n×VL/3 | 3×IL/n3×IL/n |
| نجمة-نجمة | ن×ف لn×VL | IL/nIL/n |
أين:
يلخص هذا الجدول كيفية تأثير التكوينات المختلفة على علاقات الجهد والتيار بين الجانبين الابتدائي والثانوي للمحولات ثلاثية الطور.
حيث: n يساوي “نسبة لفات” المحولات (T.R.) وهي عدد اللفات الثانوية NS, مقسومًا على عدد اللفات الابتدائية NP. ( NS/NP ) و VL هو جهد خط إلى خط مع VP كونه جهد الطور إلى المحايد.
بالنسبة إلى محول دلتا-نجم (Dy) موصَّل بالمواصفات المعطاة، يمكننا حساب الفولتية والتيارات في الجانب الثانوي على النحو التالي:
نسبة الدوران
تُحسب نسبة الدوران (n) على النحو التالي:
n = الدوران الثانوي / الدوران الأساسي
n = 100 / 500 = 0.2
جهد الخط الثانوي
بالنسبة إلى محول دلتا-نجم، يُعطى جهد الخط الثانوي بالعلاقة:
جهد الخط الثانوي = √3 × ن × جهد الخط الأساسي
جهد الخط الثانوي = √3 × 0.2 × 100 فولت
جهد الخط الثانوي ≈ 34.64 فولت
تيار الخط الثانوي
يمكن حساب تيار الخط الثانوي باستخدام تصنيف المحول:
تيار الخط الثانوي = تصنيف المحول / جهد الخط الثانوي
تيار الخط الثانوي = 50 فولت أمبير / 34.64 فولت
تيار الخط الثانوي ≈ 1.44 أمبير
جهد الطور الثانوي
في المرحلة الثانوية الموصولة بنجمة، يكون جهد الطور
جهد الطور الثانوي = جهد الخط الثانوي / √3
جهد الطور الثانوي ≈ 34.64 فولت / √3 ≈ 20 فولت
تيار الطور الثانوي
في المرحلة الثانوية الموصولة بنجمة، يكون تيار الطور مساوياً لتيار الخط:
تيار الطور الثانوي ≈ 1.44 أمبير
ولذلك، بالنسبة لمحول دلتا-نجم (Dy) الموصَّل بقدرة 50 فولت أمبير:
ثم يزود الجانب الثانوي من المحول جهد الخط، Vالخط بحوالي 35 فولت تقريبًا مما يعطي جهد الطور الثانوي، Vالمرحلة 20 فولت عند 0.834 أمبير.
يجمع المحول ثلاثي الطور بالفعل بين ثلاثة محولات أحادية الطور في وحدة واحدة، مما يوفر مزايا كبيرة من حيث التكلفة والحجم والوزن. ويؤدي هذا النهج التصميمي إلى تصميم أكثر إحكامًا وفعالية أنواع المحولات. دعونا نستكشف الجوانب الرئيسية لبناء المحولات ثلاثية الطور:
الإنشاءات الأساسية
مزايا التصميم المدمج
توزيع التدفق
ترتيب اللف
يمثل دمج ثلاثة محولات أحادية الطور في وحدة واحدة ثلاثية الطور تقدمًا كبيرًا في تصميم المحولات، مما يوفر حلًا أكثر كفاءة واقتصادًا لأنظمة الطاقة ثلاثية الطور.
محول ثلاثي الأطوار من النوع الأساسي
التصميم ثلاثي الأطراف من النوع الأساسي هو الطريقة الأكثر انتشارًا لبناء المحولات ثلاثية الطور. ويوفر هذا التصميم عدة مزايا:
محول خماسي الأطراف من النوع الصدفي
على الرغم من أن تصميم المحولات خماسية الأطراف من النوع الصدفي أقل شيوعًا، إلا أن له تطبيقات محددة:
المقارنة
| أسبكت | النوع الأساسي (ثلاثي الأطراف) | النوع الصدفي (خماسي الأطراف) |
|---|---|---|
| الاستخدام الشائع | الأكثر انتشاراً | محولات الطاقة الكبيرة |
| اقتران مغناطيسي | كفاءة عالية | فعالة، ولكنها أكثر تعقيداً |
| الحجم | مدمجة | أكبر، ولكن يمكن أن تكون أقصر |
| التكلفة | أكثر اقتصادية | أكثر تكلفة |
| توزيع التدفق | موحد عبر المراحل | مسار أكثر تعقيداً |
ويعتمد الاختيار بين التصميمات من النوع الأساسي والتصميمات من نوع الغلاف على متطلبات التطبيق المحددة، بما في ذلك تصنيف الطاقة وقيود التركيب والعوامل الاقتصادية.
