ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 5 η

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 5 η Τίτλος Άσκησης: ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΩΝ «Πολικότητα και Παραλληλισμός Μονοφασικών μετασχηματιστών» «Συνδεσμολογίες Τριφασικών μετασχηματιστών και Παραλληλισμός» Σκοπός Η κατανόση του τρόπου προσδιορισμού της πολικότητας ενός μονοφασικού μετασχηματιστή Η κατανόηση και υλοποίηση των απαιτούμενων συνθηκών, ώστε να παραλληλιστούν δύο μονοφασικοί μετασχηματιστές Η κατανόηση της διαδικασίας παραλληλισμού δύο μονοφασικών μετασχηματιστών, που τροφοδοτούν από κοινού ένα φορτίο Η κατανόση των δύο συνδεσμολογιών αστέρα και τριγώνου, ενός τριφασικού μετασχηματιστή και η μέτρηση των τάσεων στις δύο περιπτώσεις Η πειραματική απόδειξη των σχέσεων μεταξύ φασικών και πολικών τιμών των τάσεων ενός τριφασικού μετασχηματιστή ανάλογα με τον τρόπο συνδεσμολογίας των τυλιγμάτων (αστέρας ή τρίγωνο) Ο προσδιορισμός της ποιλικότητας των δευτερευόντων τυλιγμάτων δύο τριφασικών μετασχηματιστών, ώστε αυτοί να αναλάβουν από κοινού την τροφοδοσία ενός φορτίου Η κατανόηση των βημάτων για τον παραλληλισμό δύο τριφασικών μετασχηματιστών, οι οποίοι από κοινού θα τροπφοδοτήσουν ένα φορτίο 1

2

A. ΘΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ❶ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ Έλεγχος Πολικότητας Η γνώση της πολικότητας, της φοράς δηλαδή των ρευμάτων στους ακροδέκτες του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος τυλίγματος ενός μονοφασικού μετασχηματιστή, είναι απαραίτητη για την περίπτωση που απαιτείται παραλληλισμός μετασχηματιστών. Η πολικότητα μονοφασικού μετασχηματιστή μπορεί να προσδιοριστεί ως εξής: Βραχυκυκλώνεται κάποιο άκρο του πρωτεύοντος τυλίγματος με κάποιο άκρο του δευτερεύοντος τυλίγματος (Σχήμα 5.1). Στη συνέχεια τροφοδοτείται το πρωτεύον και μετριέται με βολτόμετρο η τάση μεταξύ των δύο άλλων άκρων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος. 1. Αν η μετρούμενη τάση V είναι μικρότερη από τη τάση V 1 με την οποία τροφοδοτείται το πρωτεύον του μετασχηματιστή, τότε η πολικότητα είναι αφαιρετική. 2. Αντίθετα, αν η μετρούμενη τάση V είναι μεγαλύτερη από τη τάση V 1 του μετασχηματιστή, τότε η πολικότητα είναι προσθετική. Η διαδικασία μέτρησης της πολικότητας είναι η εξής: Το τύλιγμα υψηλής τάσης τροφοδοτείται για παράδειγμα με τάση 200 Volt. Συνδέεται το βολτόμετρο μεταξύ πρωτεύοντος και δευτερεύοντος (δηλαδή στα άκρα Α και a) και ελέγχεται η ένδειξή του (Σχήμα 5.1). Αν η ένδειξη του βολτομέτρου είναι μικρότερη από 200 Volt, τότε η πολικότητα είναι αφαιρετική, που σημαίνει ότι τα τυλίγματα διαρρέονται από ομόρροπα ρεύματα. Αν η ένδειξη του βολτομέτρου είναι μεγαλύτερη από 200 Volt, τότε είναι προσθετική, που σημαίνει ότι διαρρέονται από αντίρροπα ρεύματα. Σχήμα 5.1 Διάταξη ελέγχου της πολικότητας μονοφασικού μετασχηματιστή 3

Παράλληλη λειτουργία μονοφασικών μετασχηματιστών εν κενώ Παράλληλη λειτουργία δύο μετασχηματιστών, σημαίνει ότι τα πρωτεύοντα τυλίγματά τους τροφοδοτούνται από το ίδιο δίκτυο Εναλλασσόμενου Ρεύματος, ενώ τα δευτερεύοντα τυλίγματά τους τροφοδοτούν το ίδιο δίκτυο φορτίων. Στους υποσταθμούς μεγάλων βιομηχανικών μονάδων, ο παραλληλισμός των μετασχηματιστών καθίστανται αναγκαίος για την κάλυψη της ενδεχόμενης αύξησης του φορτίου. Ο επιθυμητός στόχος κατά τον παραλληλισμό μετασχηματιστών είναι να διαμοιράζεται το συνολικό φορτίο στους επιμέρους μετασχηματιστές, με βάση τις ονομαστικές τους ικανότητες (σε kva), ώστε να αποφεύγονται τα φαινόμενα υπερφόρτισης. Οι συνθήκες που πρέπει να ισχύουν κατά τον παραλληλισμό δύο ή περισσότερων μετασχηματιστών είναι: Ταύτιση της πολικότητας των επαγόμενων τάσεων των τυλιγμάτων που θα συνδεθούν Ίσες τιμές ονομαστικών τάσεων στα πρωτεύονται και δευτερεύοντα τυλίγματα (και συνεπώς ίδιοι λόγοι μετασχηματισμού) Οι μετασχηματιστές να έχουν περίπου την ίδια ισχύ. Η σχέση των ισχύων θα πρέπει να είναι μικρότερη από 3:1 Ίσες τάσεις βραχυκύκλωσης (είναι επιτρεπτές διαφορές έως και ± 10% ) Ο έλεγχος της ίδιας πολικότητας των δευτερευόντων τυλιγμάτων των μετασχηματιστών είναι καθοριστικής σημασίας, διότι λανθασμένη πολικότητα θα έχει ως αποτέλεσμα το βραχυκύκλωμα των μετασχηματιστών, με καταστροφικές συνέπειες. Σχήμα 5.2 Παράλληλη συνδεσμολογία μονοφασικών μετασχηματιστών εν κενώ έλεγχος πολικότητας 4

1. Σε περίπτωση ταύτισης της πολικότητας των επαγόμενων τάσεων των δευτερευόντων τυλιγμάτων των δύο μετασχηματιστών, η ένδειξη του βολτομέτρου θα είναι μηδενική και το εσωτερικό ρεύμα κυκλοφορίας μηδενικό. 2. Αν η ένδειξη δεν είναι μηδενική, τότε έχουμε αντίθετες πολικότητες και γίνεται αναστροφή. Παράλληλη λειτουργία μονοφασικών μετασχηματιστών υπό φορτίο Όταν πραγματοποιείται παραλληλισμός μετασχηματιστών υπό φορτίο στα δευτερεύοντα τυλίγματα, θα πρέπει πρώτα να έχουν ικανοποιηθεί όλες οι προηγούμενες συνθήκες παραλληλισμού και στη συνέχεια γίνονται οι συνδέσεις που φαίνονται στο επόμενο Σχήμα 5.3. Σχήμα 5.3 Παράλληλη συνδεσμολογία μονοφασικών μετασχηματιστών υπό φορτίο 5

❶ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ Ο Τριφασικός μετασχηματιστής είναι μια ενιαία διάταξη, που στην ουσία αποτελείται από τρεις όμοιους μονοφασικούς μετασχηματιστές. Έχουμε δηλαδή τρία πρωτεύοντα τυλίγματα και τρία δευτερεύοντα τυλίγματα, ή αλλοιώς έχουμε το πρωτεύον τριφασικό τύλιγμα και το δευτερεύον τριφασικό τύλιγμα. Σε όλα σχεδόν τα συστήματα παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, που είναι τριφασικά, χρησιμοποιούνται οι τριφασικοί μετασχηματιστές. Αυτοί οι μετασχηματιστές κατασκευάζονται με δύο τρόπους: 1 ος τρόπος: Ο τριφασικός μετασχηματιστής αποτελείται από συστοιχία τριών όμοιων μονοφασικών μετασχηματιστών σε κατάλληλη διάταξη και συνδεσμολογία. Αυτός ο τρόπος αποτελεί μια παλιά μορφή τριφασικού μετασχηματιστή που έχει το πλεονέκτημα της εύκολης επισκευής του, σε περίπτωση βλάβης, μιας και είναι εύκολη η απομάκρυνση από τη συστοιχία και η επισκευή του. 2 ος τρόπος: Ο τριφασικός μετασχηματιστής αποτελείται από τρία διπλά τυλίγματα (χαμηλής και υψηλής τάσης), τοποθετημένα στους τρεις κορμούς ενός κοινού πυρήνα, όπως φαίνεται στο επόμενο Σχήμα 5.4. Αυτή η μορφή τριφασικού μετασχηματιστή χρησιμοποιείται πιο συχνά στις μέρες μας, μιας και έχει μικρότερο βάρος, μικρότερο κόστος κατασκευής και έχει κάπως μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης. Ακροδέκτες υψηλής τάσης Ακροδέκτες χαµηλής τάσης Τύλιγµα υψηλής τάσης Φάση 1 Φάση 2 Φάση 3 Τύλιγµα χαµηλής τάσης Σιδηροπυρήνας Σχήμα 5.4 Τριφασικός μετασχηματιστής τύπου μανδύα σε τομή Στο παραπάνω Σχήμα 5.4, η κάθε φάση αποτελεί στην ουσία ένα μονοφασικό μετασχηματιστή τύπου μανδύα. Έτσι όλοι οι υπολογισμοί που αφορούν ισοδύναμα κυκλώματα, τάση βραχυκύκλωσης, μεταβολή της τάσης, απόδοση και άλλες ποσότητες του τριφασικού μετασχηματιστή, γίνονται όπως στους μονοφασικούς μετασχηματιστές. 6

Είτε ο τριφασικός μετασχηματιστής αποτελείται από τρεις μονοφασικούς, είτε οι τρεις φάσεις βρίσκονται σε κοινό πυρήνα, τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα τυλίγματά τους είναι δυνατόν να συνδέονται είτε σε αστέρα (Υ), είτε σε τρίγωνο (Δ). Οι δύο αυτές συνδεσμολογίες φαίνονται στη συνέχεια. 1. Συνδεσμολογία Αστέρα Ι Π Ι Φ V Φ Φάση 1 Ισχύει: V Π Φάση 3 Φάση 2 V = 3 V Π I Π = I Φ Φ 2. Συνδεσμολογία Τριγώνου Ι Π Ι Φ Ι Φ Ισχύει: V Π V Φ Φάση 1 Φάση 2 V Π = V Φ I = 3 I Π Φ Φάση 3 Έτσι οι τέσσερες πιθανές συνδεσμολογίες των τυλιγμάτων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος, ή των τυλιγμάτων χαμηλής τάσης (ΧΤ) και υψηλής τάσης (ΥΤ) είναι: 1. Συνδεσμολογία : Αστέρας Αστέρας (Υ-y) 2. Συνδεσμολογία : Αστέρας Τρίγωνο (Υ-d) 3. Συνδεσμολογία : Τρίγωνο Αστέρας (D-y) 4. Συνδεσμολογία : Τρίγωνο Τρίγωνο (D-d) 7

Σημείωση: Το πρωτεύον μπορεί να είναι τύλιγμα Υψηλής Τάσης ή τύλιγμα Χαμηλής Τάσης και αντίστοιχα ισχύει και για το δευτερεύον τύλιγμα Σε κάθε μία από τις παραπάνω κατηγορίες συνδεσμολογίας, τα κεφαλαία γράμματα συμβολίζουν το τύλιγμα υψηλής τάσης και τα μικρά γράμματα το τύλιγμα της χαμηλής τάσης. Πέρα από τις παραπάνω βασικές συνδεσμολογίας υπάρχουν και άλλες ιδιαίτερες συνδεσμολογίες, όπως αστέρας τεθλασμένος αστέρας, ή τρίγωνο τεθλασμένος αστέρας. Στα τριφασικά δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας με ουδέτερο, όπου χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές υποβιβασμού της τάσης, έχουν πολλές φορές το δευτερεύον τους σε συνδεσμολογία τεθλασμένου αστέρα. Στην περίπτωση αυτή το τύλιγμα χαμηλής τάσης κάθε κορμού είναι χωρισμένο σε δυο τμήματα, όπου το κάθε τμήμα συνδέεται σε σειρά με άλλο τμήμα άλλου κορμού του τυλίγματος χαμηλής τάσης. Σχηματικά μια τέτοια συνδεσμολογία φαίνεται στο επόμενο Σχήμα 5.5. Συνδεσµολογία αστέρα Πρωτεύον Ακροδέκτες πρωτεύοντοςδευτερεύοντος και ουδέτερος κόµβος Συνδεσµολογία τεθλασµένου αστέρα ευτερεύον Σχήμα 5.5 Συνδεσμολογία αστέρα τεθλασμένου αστέρα Η συνδεσμολογία των τυλιγμάτων των τριφασικών μετασχηματιστών δείχνεται διεθνώς με τρία χαρακτηριστικά σύμβολα: Το πρώτο είναι κεφαλαίο γράμμα, Y ή D και δείχνει τον τρόπο συνδεσμολογίας του τυλίγματος Υψηλής Τάσης (Υ.Τ.), αντίστοιχα, αστέρα ή τρίγωνο Το δεύτερο είναι μικρό γράμμα, y ή d ή z και δείχνει τον τρόπο συνδεσμολογίας του τυλίγματος Χαμηλής Τάσης (Χ.Τ.), που αντίστοιχα είναι αστέρας ή τρίγωνο ή τεθλασμένος αστέρας 8

Το τρίτο είναι ένας από τους αριθμούς 0, 5, 6 και 11 και δείχνει τη λεγόμενη ΟΜΑΔΑ στην οποία ανήκει ένας συγκεκριμένος μετασχηματιστής. Ο κάθε ένας από αυτούς τους αριθμούς, αν πολλαπλασιαστεί με τις 30 μοίρες, μας δίνει τη γωνία κατά την οποία καθυστερούν τα διανύσματα των τάσεων της Χ. Τ. σε σχέση με τα αντίστοιχα τυλίγματα της Υ.Τ. Για παράδειγμα ένας τριφασικός μετασχηματιστής με σύμβολο Yd5, σημαίνει: Τύλιγμα υψηλής σε αστέρα, τύλιγμα χαμηλής σε τρίγωνο και ανήκει στην ομάδα 5, δηλαδή τα διανύσματα των τάσεων της χαμηλής καθυστερούν από τα αντίστοιχα της υψηλής κατά 150 μοίρες. 9

B. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ❶ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ 1. Χρησιμοποιώντας ένα μονοφασικό μετασχηματιστή, πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία του Σχήματος 5.1, δηλαδή τροφοδοτείστε το πρωτεύον με τάση 200 V, έχοντας το δευτερεύον του μετασχηματιστή ανοιχτό (χωρίς φορτίο). Στη συνέχεια προσδιορίστε την πολικότητα, αν είναι προσθετική ή αφαιρετική. 2. Χρησιμοποιείστε δύο μετασχηματιστές με λόγο ισχύων μικρότερο του 3:1, με ίδιες τάσεις πρωτεύοντος και ίδιες τάσεις δευτερεύοντος, καθώς επίσης και ίδιες τάσεις βραχυκύκλωσης και πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία του Σχήματος 5.2, συνδέοντας τα πρωτεύοντα των δύο μετασχηματιστών στο ίδιο δίκτυο τροφοδοσίας. 3. Προσδιορίστε τις πολικότητες των δευτερευόντων των δύο μετασχηματιστών, (από τη συνδεσμολογία του Σχήματος 5.2), ώστε τα αντίστοιχα άκρα των δευτερευόντων που θα συνδεθούν μεταξύ τους να έχουν τάση μηδέν (0) Volt. 4. Αφού πετύχετε ταύτιση της πολικότητας των δύο μετασχηματιστών, πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία του Σχήματος 5.3 και τροφοδοτείστε από κοινού ένα ηλεκτρικό φορτίο, καταγράφοντας την κατανομή των ρευμάτων στους δύο μετασχηματιστές. ❶ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ 1. Μέσω ενός τριφασικού μετασχηματιστή συνδεσμολογίας Υ Υ, τροφοδοτούμε ένα ωμικό φορτίο και καταγράφουμε τα ρεύματα και τις τάσεις πρωτεύοντος και δευτερεύοντος, πολικές και φασικές τιμές. 2. Για το ίδιο ωμικό φορτίο, αλλάζουμε τη συνδεσμολογία του δευτερεύοντος τυλίγματος και μετράμε τις τάσεις και τα ρεύματα πρωτεύοντος και δευτερεύοντος, πολικές και φασικές τιμές. 3. Πραγματοποιείστε την παρακάτω συνδεσμολογία του Σχήματος 5.6, (παραλληλισμός τριφασικών μετασχηματιστών με ίδιες πολικές τάσεις πρωτεύοντος και δευτερεύοντος και λόγο ισχύων μικρότερο του 3:1). Στη συνδεσμολογία αυτή τα πρωτεύοντα τυλίγματα των μετασχηματιστών συνδέονται σε κοινό δίκτυο τροφοδοσίας και στο δευτερεύον του πρώτου (Α) μετασχηματιστή συνδέεται απ ευθείας ένα τριφασικό ωμικό φορτίο και καταγράφεται το ρεύμα που απορροφά το φορτίο, I Φ, ενώ το δευτερεύον του δεύτερου (Β) μετασχηματιστή βρίσκεται εν κενώ. 10

L 1 L 2 L 3 Μετασχηµατιστής Α - ΥΥ Φορτίο - Υ Ι Α Α 1 Α2 Α 3 Ι Β Β 1 Β2 Β 3 Μετασχηµατιστής Β - ΥΥ Σχήμα 5.6 Παραλληλισμός τριφασικών μετασχηματιστών 4. Στη συνέχεια προσδιορίστε την πολικότητα των τάσεων στα δευτερεύοντα των δύο μετασχηματιστών, δηλαδή προσδιορίσετε τα αντίστοιχα ζευγάρια ακροδεκτών των δευτερευόντων των μετασχηματιστών, όπου μεταξύ τους η διαφορά δυναμικού είναι μηδέν. Στη συνέχεια κλείστε το διακόπτη του μετασχηματιστή Β, συνδέοντας παράλληλα του δύο μετασχηματιστές και καταγράψτε τα ρεύματα I A και I B των δύο μετασχηματιστών. Τι παρατηρείτε σε σχέση με την ονομαστική ισχύ των δύο μετασχηματιστών; 11