ملاحظات طراحی و ساخت ترانسفورماتورهای WTSU

مایک دیکینسون

مقدمه

تبدیل انرژی باد به توان الکتریکی یکی از صنایعی است که با سرعت در حال رشد است. تنها در آمریکا، توان حاصله از نیروگاه های بادی در 5 سال به طور متوسط گذشته 29 درصد رشد کرده است و اکنون این انرژی بیش از یک درصد انرژی مورد نیاز این کشور را تأمین می کند.

مانند دیگر سیستمهای انتقال و پخش توان الکتریکی، ترانسفورماتورهای قدرت قلب تولید انرژی توسط نیروگاه های بادی هستند. طراحی اولیه یک ترانسفورماتور می تواند در سوددهی نیروگاه های بادی تأثیری به سزا داشته باشد و بنابر این فرض می شود که طراحی و ساخت ترانسفورماتورها ، به ویژه برای استفاده در نیروگاه های بادی شامل ترانسفورماتورهای افزاینده توربینهای بادی، اهمیتی حیاتی دارد.

با اینکه تکنولوژی تهیه انرژی از باد در چند سال گذشته بهبود بسیار یافته است، چند مشکل مهم در طراحی، کنترل و بهره برداری هنوزهم حل نشده باقی مانده اند. اگر این موارد به صورتی شایسته در زمان صحیح عنوان نشوند، ممکن است که موجب اختلال های زیادی در سیستم ،به ویژه هنگامی که نیروگاه به شبکه سراسری متصل می شود، بشوند.

توربین بادی

توربین بادی نشانه ای برجسته از بازار بزرگ انرژی های قابل تجدید می باشد. باد پره های توربین را می چرخاند، که آن هم محور یک ژنراتور را به حرکت در می آورد و برق تولید می کند. یک ترانسفورماتور محلی برای افزایش ولتاژ تولید شده لازم است تا برق از طریق خطوط انتقال و توزیع به مصرف کننده عمومی انتقال یابد. این توربینها عموما هنگامی که سرعت باد در حدود 8 مایل بر ساعت یا بیشتر است برق تولید می کنند. هنگامی که سرعت باد از 55-60 مایل بر ساعت بیشتر می شود این توربینها به دلایل امنیتی خاموش می شوند. توربینهای بادی مدرن معمولا از یک روتور و 3 پره بلند استفاده می کند که قطری بین 40 تا 80 متر دارند تا بتوانند بیشترین انرژی ممکن را از باد دریافت کنند. پره ها را در زوایای مختلف قرار می دهند تا بتوانند خود را با سرعتهای مختلف باد هماهنگ کنند، و ژنراتور و پره های می توانند برای قرارگرفتن در جهت صحیح باد بچرخند. توربین های بادی بر روی برجهایی با ارتفاع 40 تا 100 متر نصب می گردند تا بتوانند از باد قدرت بگیرند. این توربینها در اندازه های مختلف ساخته می شوند و می توانند در تأسیسات بزرگ و کوچک به کار گرفته شوند. یک توربین کوچک ،با توانی در حدود 300 کیلووات، را می توان برای مصارف گوناگونی چون شارژ باتری، برق رسانی به خانه های موقت، ایستگاه های تلفن سیار، مزارع یا کارخانه ها بکار گرفت. توربینهای بکارگرفته شده در نیروگاه های بادی ممکن است که با ظرفیت 500 کیلووات با بیشتر باشند. این توربینها اغلب در مزارع بادی یا نیروگاه های بادی برای تغذیه برق شبکه کنارهم نصب می شوند. با نصب یک مزرعه بادی امکان دارد تا برق به صورت اقتصادی تری و با ظرفیت بیشتر تولید شود. این امر همچنین تعمیرات و بهره برداری از آنها را مقرون به صروف می سازد.

چرا ترانسفورماتورهای افزاینده؟

یک ترانسفورماتور افزاینده جهت توربین بادی (WTSU) نقشی حیاتی در تبدیل سطح ولتاژ خروجی توربین به سطح انتقال و عبور از شبکه های انتقال تا رسیدن به مصرف کننده بازی می کند. ولتاژ خروجی توربینهای بادی نوعا بین 480 تا 690 ولت است. این ولتاژ به ترانسفورماتور WTSU داده میشود و به ولتاژی بین 13.8 تا 46 کیلوولت تبدیل می شود. نقش این ترانسفورماتورهای حیاتی است  و لازم است که طرحی قوی داشته باشند. ترانسفورماتورهای امروی باید از پس نیازهای مختلفی چون مسائل زیر برآیند:

• بارهای گوناگون و مختلف.

• بارهای دارای هارمونی و غیرسینوسی تولید شده توسط عناصر کنترلی الکترونیک و ژنراتورها.

• حفاظت در برابر ولتاژ بالا/پایین یا اضافه بار.

• توانایی تحمل جریانهای گذارا و خطاها.

نیاز به طراحی مخصوص و ملاحظات ساخت

محلهای دارای باد مناسب اغلب در مکانهای دورافتاده هستند و مقادیر مختلفی از انرژی را دریافت می کنند. این عوامل باد را به یک منبع انرژی به شدت دارای نوسان تبدیل کرده است که خروجی آن می تواند تا 25 درصد بازی کند. در حدود 10 درصد از زمان کار توربین، باد می تواند توربین را با 5 تا 20 درصد ظرفیت نامی اش به حرکت درآورد. این تغییرات می تواند تأثیر منفی بر روی شبکه بگذارد. ترانسفورماتورهای توزیع و ترانسفورماتورهای قدرت معمولا در حوالی بار کامل خود بکارگرفته می شوند. این چنین است که فشارهای حرارتی بر روی عایقهای این نوع ترانسفورماتورها  طبیعتا بیشتر می شود. ترانسفورماتورهای WTSU دچار چنین اشکالی نمی شوند اما بار متغیر آنها مشکلات دیگری را برایشان ایجاد می کند مانند:

تلفات هسته

تلفات هسته می تواند به صورت یک عامل مهم اقتصادی در زمانی که ترانسفورماتورها بی بار هستند یا بارکمی دارند درآید. استفاده از ترانسفورماتور با 30 تا 35 درصد بار کامل فرمولهای معمولی تخمین قیمت را به هم می ریزد.

نوسانات حرارتی

کم و زیاد شدن بار فشار حرارتی زیادی را به سیم پیچهای ترانسفورماتور، سازه های نگهدارنده، درزگیرها و نشت بندها وارد می کند. همچنین، نوسانات حرارتی موجب ایجاد گاز نیتروژن در روغن ترانسفورماتور شده که در زمان خنک شدن روغن به صورت حباب در آمده و در اطراف عایقها و سیم پیچها تجمع می کنند که سبب تخلیه جزئی و خراب شدن عایقها می شوند. ترانسفورماتورهای توزیع و قدرت نمی توانند با این مشکل به خوبی رویاروی شوند و حوادث ناشی از عایقها در آنها دیده می شود.

راه حل: ترانسفورماتورها سفارشی ساخته شوند

یک ترانسفورماتور سفارشی برای نیروگاه بادی می تواند از ابتدا با در نظر گرفتن مشکلات خاص این نیروگاه ها طراحی شود. استفاده از هسته های صلیبی شکل، سیم پیچ ها و سازه ی قوی تر، درزگیرها و نشت بندهای مخصوص و ابزارهای حفاظتی که از ایجاد نقاط داغ و در نتیجه تخلیه جزئی جلوگیری می کنند می توانند سبب افزایش طول عمر ترانسفورماتور و بهبود کارایی آن شوند.

مانند بیشتر ترانسفورماتورهای یکسوساز، ترانسفورماتورهای WTSU باید برای مقابله با هارمونیها و اضافه بار طراحی شوند تا از انتقال هارمونی ها بین اولیه و ثانویه ترانسفورماتور جلوگیری کنند.

مترجم رضا کیانی موحد

منبع

http://ezinearticles.com/?Design-and-Construction-Considerations-For-WTSU-Transformers&id=3529140