پリンچیپ میزانگیری ترکیب و آزمون د اتحادیې الکترونیکي ترانسفورمرانو

1 تکنیک سنجش در ترانسفورماتورهای الکترونیکی ترکیبی
1.1 اصل سنجش ولتاژ

ترانسفورماتورهای الکترونیکی با استفاده از روش تقسیم ولتاژ خازنی ولتاژ را اندازه می‌گیرند. چون ولتاژ روی یک خازن نمی‌تواند به طور ناگهانی تغییر کند، ولتاژ ثانویه که مستقیماً از تقسیم ولتاژ خازنی بدست می‌آید، پاسخ گذرا ضعیف و دقت سنجش پایینی دارد. برای بهبود دقت سنجش، مقاومت نمونه‌برداری دقیقی موازی با خازن ولتاژ پایین متصل می‌شود. اصل آن در شکل 1 نشان داده شده است.

در شکل 1، تحت شرایطی که

ولتاژ خروجی خازن تقسیم‌کننده ولتاژ متناسب با مشتق زمانی ولتاژ اندازه‌گیری شده است. با افزودن یک لینک انتگرال‌گیری، می‌توان ولتاژ اولیه را اندازه گرفت.

در شکل 1، چون بیشتر فشار ولتاژ روی C₁ اتفاق می‌افتد، نیاز به عایق‌بندی بالایی برای خازن C₁ وجود دارد. در ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترومغناطیسی، عموماً از خازنهای قدرت استفاده می‌شود، در حالی که در ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی، از خازنهای قدرت استفاده نمی‌شود؛ بلکه از خازنهای معادل استفاده می‌شود.

ساختار خازن تقسیم‌کننده ولتاژ این است که یک استوانه ساخته شده از مواد عایق‌بندی روی یک میله هادی پوشیده می‌شود. سپس یک برد مداری انعطاف‌پذیر دو لایه به بیرون استوانه متصل می‌شود. مقاومت دقیق یک مقاومت چیپی است که به لایه بیرونی برد مداری انعطاف‌پذیر متصل می‌شود. نمودار ساختاری خازن تقسیم‌کننده ولتاژ در شکل 2 نشان داده شده است.

ظرفیت C₁ توسط لایه داخلی استوانه تشکیل می‌شود. میله هادی به عنوان یک صفحه الکترود و فیلم مسی داخلی برد مداری انعطاف‌پذیر به عنوان صفحه الکترود دیگر عمل می‌کند، با مواد عایق‌بندی به عنوان دی‌الکتریک. ظرفیت C₂ توسط لایه بیرونی استوانه تشکیل می‌شود. فیلم‌های مسی دوطرفه برد مداری دو لایه به عنوان صفحات الکترود و مواد پایه برد مداری انعطاف‌پذیر، مانند پلی‌ایمید، به عنوان دی‌الکتریک عمل می‌کنند. نمودار برش شعاعی آن در شکل 3 نشان داده شده است. ظرفیت معادل C می‌تواند با استفاده از فرمول محاسبه شود.

در فرمول: r₁ شعاع داخلی استوانه است؛ r₂ شعاع بیرونی استوانه است؛ H طول برد مداری چاپی انعطاف‌پذیر است؛ ε_r نسبت دی‌الکتریک الکترولیت است؛ ε₀ دی‌الکتریک خلاء است.

1.2 اصل سنجش جریان

ترانسفورماتورهای الکترونیکی از سیم‌پیچ‌های روجوسکی برای سنجش جریان استفاده می‌کنند. رابطه بین ولتاژ خروجی ثانویه و جریان ورودی اولیه به صورت زیر است:

در فرمول، M یک ثابت است که به موقعیت جریان اندازه‌گیری شده بستگی ندارد. ولتاژ خروجی سیم‌پیچ روجوسکی متناسب با مشتق جریان اندازه‌گیری شده است. بنابراین، با افزودن یک لینک انتگرال‌گیری بعد از خروجی سیم‌پیچ روجوسکی، می‌توان جریان اندازه‌گیری شده را بازیابی کرد.

در این پروژه، سیم‌پیچ روجوسکی یک سیم‌پیچ روجوسکی ساخته شده از برد مداری چاپی است. حساسیت، دقت سنجش، پایداری عملکرد، تعویض‌پذیری محصول و کارایی تولید آن بهتر از سیم‌پیچ‌های سنتی پیچیده است.

برای کاهش تداخل میدان مغناطیسی دستگاه‌های جانبی و بهبود دقت سنجش، سیم‌پیچ روجوسکی ساخته شده از برد مداری چاپی معمولاً از دو سیم‌پیچ متصل به سری برای تشکیل ورودی دیفرانسیل استفاده می‌کند. جهت پیچش این دو سیم‌پیچ PCB متفاوت است. یکی بر اساس قانون دست راست پیچیده شده و دیگری بر اساس قانون دست چپ. به این ترتیب، دو ولتاژ القایی با قطبیت‌های مخالف تولید می‌شوند و ولتاژ خروجی اتصال سری دو برابر ولتاژ یک سیم‌پیچ روجوسکی است، مانند آنچه در شکل 4 نشان داده شده است.

1.2 اصل سنجش جریان (ادامه)

به دلیل ضرایب تغییرات حرارتی مختلف فیلم مسی و پایه PCB، مقدار تغییر شکل آنها وقتی دمای تغییر می‌کند متفاوت است. برای کاهش خطاهای ناشی از تغییر شکل و جلوگیری از شکست فیلم مسی، سیم‌پیچ‌های PCB تولید شده مورد فرآیند سنگین‌سازی حرارتی قرار می‌گیرند. این فرآیند از یک سو، تنش داخلی سیم‌پیچ‌ها را آزاد می‌کند تا خطاهای را کاهش دهد و از سوی دیگر، سیم‌پیچ‌ها را انتخاب می‌کند.

اگرچه سیم‌پیچ‌های روجوسکی با خروجی دیفرانسیل توانایی تضعیف قوی مد مشترک دارند، تداخل میدان الکتریکی 10 kV هنوز قابل توجه است. بنابراین، لازم است سیم‌پیچ‌های روجوسکی با فولاد مسی پوشانده شوند و فولاد مسی به زمین متصل شود.

2 اصل ترکیب ترانسفورماتورهای الکترونیکی ترکیبی
2.1 نمودار بلوک ترانسفورماتورهای الکترونیکی ترکیبی

نمودار بلوک ترانسفورماتور الکترونیکی ترکیبی در شکل 5 نشان داده شده است. ولتاژ و جریان اولیه به سیگنال‌های ثانویه توسط خازن و سیم‌پیچ روجوسکی تبدیل می‌شوند. با انتگرال‌گیری و جابجایی فاز سیگنال‌های ثانویه، می‌توان سیگنال‌های متناسب با سیگنال‌های اولیه را به دست آورد. برای بهبود دقت، انتگرال‌گیری و جبران فاز سیگنال‌های سنجش می‌تواند از طریق روش‌های پردازش سیگنال دیجیتال انجام شود. با این حال، پردازش سیگنال دیجیتال تأخیری دارد و نمی‌تواند سیگنال‌های اولیه را در زمان واقعی بازتاب دهد. بنابراین، این روش پردازش برای سیگنال‌های حفاظت مناسب نیست. چون سیگنال‌های حفاظت نیاز کمتری به دقت سنجش دارند، می‌توان از مدارهای آنالوگ مستقیماً برای تقویت، انتگرال‌گیری و جبران فاز استفاده کرد.

2.2 ساختار سر حسگر ترانسفورماتور الکترونیکی ترکیبی

ترانسفورماتور الکترونیکی ترکیبی واحد سنجش ولتاژ و واحد سنجش جریان را در ساختار نشان داده شده در شکل 6 با استفاده از ریزه‌سازی خلاء رزین اپوکسی پوشش می‌دهد.

سیم‌پیچ روجوسکی روی میله جریان‌رسان ریخته می‌شود. سیگنال خروجی سیم‌پیچ پس از تقویت از طریق یک خط سیگنال به ترمینال خروجی ارسال می‌شود. چون تقویت‌کننده نیاز به تغذیه دوطرفه دارد، 3 از خطوط سیگنال چند‌هسته‌ای برای انتقال تغذیه استفاده می‌شود.

چون جریانی از طریق میله هادی ترانسفورماتور ولتاژ عبور نمی‌کند و برای افزایش فاصله خزش، ساختاری که در آن میله هادی و میله جریان‌رسان به هم عمود هستند، استفاده می‌شود.

به دلیل اینکه سر حسگر فعال است، عمر مولفه‌های الکترونیکی محدود کننده عمر سر حسگر ترانسفورماتور الکترونیکی است. بنابراین، تمام مولفه‌ها قبل از استفاده باید تحت فرآیند انتخاب سنگین‌سازی قرار گیرند.

برای بهبود نسبت سیگنال به نویز، سیگنال‌های جریان و ولتاژ در داخل سر حسگر تقویت می‌شوند. مدار تقویت‌کننده سیگنال جریان روی سیم‌پیچ PCB و مدار تقویت‌کننده سیگنال ولتاژ روی برد مداری انعطاف‌پذیر است. از تقویت‌کننده‌های مداری با عملکرد بالا برای تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شود.

3 آزمایش ترانسفورماتور الکترونیکی ترکیبی

با توجه به اصول و ساختار ذکر شده، همچنین استانداردهای IEC 60044-7 و IEC 60044-8، یک نمونه اولیه ترانسفورماتور الکترونیکی ترکیبی 10 kV/600 A طراحی شده است. برای ترانسفورماتور ولتاژ، دقت سنجش کلاس 0.5 و سطح حفاظت 3P است؛ برای ترانسفورماتور جریان، دقت سنجش کلاس 0.2 و دقت حفاظت 5P20 است.

در طول آزمایش، جریان‌های مختلف از طریق ترانسفورماتور الکترونیکی عبور می‌کنند و ولتاژ‌های مختلف به آن اعمال می‌شود. خروجی ثانویه از طریق یک پورت دیجیتال خروجی داده می‌شود. پس از نمایش توسط واحد نمایش دیجیتال، با ترانسفورماتور جریان مرجع و ترانسفورماتور ولتاژ مرجع مقایسه می‌شود. دقت سنجش آن مطابق با نیازهای طراحی است.

همچنین، آزمایش‌های تحمل ولتاژ توان فرکانس، تخلیه محلی، ضربه گرمسیری و سازگاری الکترومغناطیسی بر روی نمونه اولیه انجام می‌شود. موفقیت در این آزمایش‌ها نشان‌دهنده صحیح بودن طرح طراحی است.

4 نتیجه‌گیری

(1) با استفاده از خازن تقسیم‌کننده ولتاژ تشکیل شده از خازنهای معادل و سیم‌پیچ روجوسکی ساخته شده از برد مداری چاپی به عنوان حسگرهای ولتاژ و جریان، ساختار ساده، تعویض‌پذیری خوب محصول و دقت سنجش بالا دارد.

(2) با استفاده از فناوری‌های برد مداری چاپی و برد مداری انعطاف‌پذیر، می‌توان مدار تقویت‌کننده را در داخل سر حسگر ساخت و نسبت سیگنال به نویز سیگنال سنجش را بهبود بخشید.

(3) ترکیب ترانسفورماتور ولتاژ الکترونیکی و ترانسفورماتور جریان الکترونیکی به یک ترانسفورماتور ولتاژ-جریان ترکیبی می‌تواند هم خرج تجهیزات اولیه را کاهش دهد و هم دقت و ظرفیت مدار ثانویه برای ولتاژ خط واحد را افزایش دهد. این مورد نیازهای جدید سنجش و حفاظت ثانویه را برآورده می‌کند و همچنین مفهوم کنترل سیستم‌های قدرت مدرن که بازه‌های تجهیزات را به عنوان واحد در نظر می‌گیرد، را رعایت می‌کند.