ترانسفورماتورهای قدرت یکی از مهم‌ترین تجهیزات در سیستم‌های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی هستند و رفتار آن‌ها در شرایط کاری مختلف تأثیر مستقیمی بر پایداری، کیفیت توان و قابلیت اطمینان شبکه دارد. یکی از مهم‌ترین پدیده‌هایی که در تحلیل این تجهیزات مورد بررسی قرار می‌گیرد، اشباع هسته مغناطیسی است. وقوع اشباع می‌تواند موجب افزایش جریان مغناطیس‌کننده، اعوجاج شکل موج، ایجاد هارمونیک، افزایش تلفات و بروز عدم تعادل در ولتاژ و جریان شود. به همین دلیل، بررسی دقیق رفتار ترانسفورماتور در شرایط اشباع از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

در این شبیه‌سازی، رفتار یک ترانسفورماتور سه‌فاز سه‌ستونه (Core-Type) دو سیم‌پیچه مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف اصلی، مقایسه دو روش مختلف مدل‌سازی در محیط Simscape Electrical و Specialized Power Systems است تا میزان دقت، عملکرد و تطابق نتایج این دو روش ارزیابی شود. هر دو مدل از نظر مشخصات الکتریکی یکسان هستند و در شرایط یکسان مورد آزمایش قرار می‌گیرند تا رفتار ولتاژ، جریان و شار مغناطیسی آن‌ها با یکدیگر مقایسه شود.

معرفی ترانسفورماتور سه‌ستونه (Core-Type)

ترانسفورماتورهای سه‌ستونه از رایج‌ترین انواع ترانسفورماتورهای قدرت در شبکه‌های فشارقوی هستند. در این ساختار، سه ستون اصلی هسته وظیفه هدایت شار مغناطیسی مربوط به سه فاز را بر عهده دارند و این ستون‌ها توسط یوغ‌های بالایی و پایینی به یکدیگر متصل می‌شوند. طراحی سه‌ستونه باعث کاهش وزن، حجم و هزینه ساخت نسبت به برخی ساختارهای دیگر می‌شود و به همین دلیل در بسیاری از نیروگاه‌ها و پست‌های انتقال مورد استفاده قرار می‌گیرد.

با وجود مزایای متعدد، این نوع هسته در شرایط نامتعادل رفتار متفاوتی نسبت به ترانسفورماتورهای پنج‌ستونه یا بانک سه ترانسفورماتور تک‌فاز از خود نشان می‌دهد. مهم‌ترین دلیل این تفاوت، نحوه بازگشت شار مؤلفه صفر (Zero-Sequence Flux) است که مسیر آن در هسته سه‌ستونه با سایر ساختارها متفاوت است.

مشخصات ترانسفورماتور مورد استفاده در شبیه‌سازی

در این مدل، یک ترانسفورماتور قدرت با ظرفیت نامی 300 مگاولت‌آمپر انتخاب شده است. ولتاژ سمت فشارقوی برابر با 315 کیلوولت و ولتاژ سمت فشارضعیف برابر با 25 کیلوولت است. اتصال سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه از نوع ستاره زمین‌شده (Yg/Yg) در نظر گرفته شده است که یکی از متداول‌ترین آرایش‌های مورد استفاده در شبکه‌های انتقال انرژی محسوب می‌شود.

این ترانسفورماتور به یک شبکه 315 کیلوولت متصل شده و عملکرد آن در شرایط عادی و همچنین هنگام وقوع اضافه ولتاژ نامتقارن مورد بررسی قرار می‌گیرد. تمامی پارامترهای مغناطیسی و الکتریکی به گونه‌ای انتخاب شده‌اند که نتایج هر دو مدل قابل مقایسه باشند.

مدل‌سازی با استفاده از Specialized Power Systems

در بخش اول شبیه‌سازی، ترانسفورماتور توسط بلوک‌های Specialized Power Systems مدل‌سازی شده است. این کتابخانه شامل مدل‌های آماده‌ای است که برای تحلیل سیستم‌های قدرت توسعه یافته‌اند و امکان انجام شبیه‌سازی‌های سریع و دقیق را فراهم می‌کنند.

این مدل علاوه بر پارامترهای الکتریکی، ویژگی‌های مغناطیسی هسته و رفتار غیرخطی آن را نیز در نظر می‌گیرد. یکی از مهم‌ترین پارامترهای مورد استفاده در این مدل، اندوکتانس مؤلفه صفر یا Zero-Sequence Inductance است که نقش مهمی در تحلیل شرایط نامتعادل و خطاهای زمین ایفا می‌کند.

رفتار شار مؤلفه صفر در هسته سه‌ستونه

یکی از ویژگی‌های مهم ترانسفورماتورهای سه‌ستونه، مسیر بازگشت شار مؤلفه صفر است. در شرایط نامتعادل، شار مربوط به مؤلفه صفر نمی‌تواند همانند شارهای اصلی از داخل هسته عبور کند و ناچار است مسیر خود را از خارج هسته ادامه دهد.

این مسیر شامل فاصله هوایی اطراف هسته، بدنه فلزی ترانسفورماتور، قسمت‌های سازه‌ای و مخزن ترانسفورماتور است. از آنجا که این مسیر دارای رلوکتانس بسیار بیشتری نسبت به هسته فولادی است، مقدار اندوکتانس مؤلفه صفر در این نوع ترانسفورماتورها نسبتاً کوچک خواهد بود.

در این مثال مقدار اندوکتانس مؤلفه صفر برابر با حدود 0.5 واحد پریونیت در نظر گرفته شده است. این مقدار در محدوده طبیعی ترانسفورماتورهای سه‌ستونه قرار دارد و تفاوت قابل توجهی با ترانسفورماتورهای پنج‌ستونه یا بانک سه ترانسفورماتور تک‌فاز دارد که مقدار اندوکتانس مؤلفه صفر آن‌ها معمولاً بیش از 100 پریونیت است.

مدل‌سازی فیزیکی در Simscape

در قسمت دوم شبیه‌سازی، همان ترانسفورماتور با استفاده از کتابخانه‌های پایه Simscape Electrical و Simscape Magnetic مدل‌سازی شده است. در این روش، به جای استفاده از یک مدل آماده، مدار مغناطیسی ترانسفورماتور به صورت کاملاً فیزیکی ساخته می‌شود.

در این مدل، هر بخش از هسته، مسیرهای نشتی و مسیرهای عبور شار توسط عناصر مستقل مدل شده‌اند. این موضوع باعث می‌شود رفتار واقعی ترانسفورماتور با جزئیات بیشتری شبیه‌سازی شود و امکان تحلیل دقیق‌تر پدیده‌های مغناطیسی فراهم گردد.

ساختار مدار مغناطیسی

با مشاهده ساختار داخلی بلوک ترانسفورماتور در Simscape مشخص می‌شود که مدار مغناطیسی از اجزای مختلفی تشکیل شده است. بلوک‌های آبی رنگ نشان‌دهنده رلوکتانس قسمت‌های فولادی هسته شامل سه ستون اصلی و چهار یوغ هستند. برای این قسمت‌ها مشخصه غیرخطی B-H تعریف شده است تا رفتار واقعی فولاد الکتریکی در شرایط اشباع نیز شبیه‌سازی شود.

بلوک‌های زرد رنگ مسیرهای هوایی مربوط به اندوکتانس‌های نشتی سیم‌پیچ‌ها را مدل می‌کنند. این بخش نقش مهمی در تعیین راکتانس نشتی ترانسفورماتور دارد و بر رفتار دینامیکی سیستم تأثیر می‌گذارد.

علاوه بر این، یک بلوک نارنجی رنگ نیز برای مدل‌سازی مسیر عبور شار مؤلفه صفر از هوا در نظر گرفته شده است. طول متوسط و سطح مقطع این مسیر به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که مقدار اندوکتانس مؤلفه صفر دقیقاً برابر با 0.5 پریونیت باشد و نتایج با مدل Specialized Power Systems کاملاً همخوانی داشته باشد.

اعمال اضافه ولتاژ نامتقارن

برای بررسی رفتار ترانسفورماتور در شرایط اشباع، از بلوک Three-Phase Programmable Generator استفاده شده است. این مولد برنامه‌پذیر امکان ایجاد تغییرات دلخواه در ولتاژ سه‌فاز را فراهم می‌کند.

در این آزمایش، از زمان 0.2 ثانیه تا 0.3 ثانیه، دامنه ولتاژ فاز A به مقدار 1.7 برابر ولتاژ نامی افزایش داده می‌شود. این اضافه ولتاژ موجب افزایش شدید شار مغناطیسی در هسته همان فاز شده و در نتیجه هسته وارد ناحیه اشباع می‌شود.

وقتی هسته اشباع می‌شود، نفوذپذیری مغناطیسی کاهش یافته و جریان مغناطیس‌کننده به شدت افزایش پیدا می‌کند. همچنین شکل موج جریان دیگر سینوسی نبوده و دارای اعوجاج قابل توجهی خواهد بود. این وضعیت نمونه‌ای از رفتار واقعی ترانسفورماتور در شرایط اضافه ولتاژ یا وقوع برخی خطاهای شبکه است.

شرایط اولیه شبیه‌سازی

هر دو مدل با شار اولیه صفر آغاز می‌شوند تا شرایط اولیه یکسانی برای مقایسه فراهم شود. از آنجا که رسیدن به حالت ماندگار در مدارهای مغناطیسی ممکن است زمان نسبتاً زیادی نیاز داشته باشد، در این مثال از بلوک‌های Anti-saturation Control استفاده شده است.

این کنترل‌کننده‌ها به صورت موقت میانگین شار سه فاز را به سمت صفر هدایت می‌کنند و باعث می‌شوند سیستم در مدت زمان بسیار کوتاه‌تری به حالت پایدار برسد. استفاده از این روش زمان شبیه‌سازی را کاهش داده و تحلیل نتایج را ساده‌تر می‌کند.

مقایسه نتایج دو مدل

یکی از اهداف اصلی این شبیه‌سازی، مقایسه نتایج حاصل از مدل Specialized Power Systems و مدل فیزیکی Simscape است. بررسی نتایج نشان می‌دهد که هر دو مدل تقریباً شکل موج‌های یکسانی برای ولتاژ، جریان و شار مغناطیسی تولید می‌کنند.

در زمان وقوع اضافه ولتاژ، هر دو مدل آغاز اشباع هسته، افزایش جریان مغناطیس‌کننده، تغییر شکل موج شار و رفتار گذرای سیستم را با دقت بسیار بالا نمایش می‌دهند. این تطابق نشان می‌دهد که مدل فیزیکی Simscape می‌تواند رفتار واقعی مدار مغناطیسی را با دقت بالا بازسازی کند و در عین حال مدل Specialized Power Systems نیز برای مطالعات سیستم قدرت نتایج قابل اعتمادی ارائه می‌دهد.

از آنجا که مدل Simscape تمامی اجزای مغناطیسی را به صورت فیزیکی مدل می‌کند، امکان بررسی جزئیات بیشتری مانند توزیع شار، رلوکتانس مسیرهای مختلف، اثر اشباع موضعی و تغییرات مشخصه B-H وجود دارد. در مقابل، مدل Specialized Power Systems با داشتن ساختار ساده‌تر، سرعت اجرای بالاتری دارد و برای مطالعات گسترده شبکه‌های قدرت گزینه مناسبی محسوب می‌شود.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی نمونه‌ای ارزشمند برای مطالعه رفتار ترانسفورماتورهای قدرت سه‌ستونه در شرایط نامتعادل و اشباع هسته محسوب می‌شود. در این مدل، علاوه بر بررسی اثر اضافه ولتاژ بر روی اشباع هسته، مسیر بازگشت شار مؤلفه صفر و نقش آن در تعیین اندوکتانس مؤلفه صفر نیز به صورت دقیق تحلیل شده است. مقایسه نتایج حاصل از دو روش مدل‌سازی نشان می‌دهد که هر دو رویکرد عملکرد بسیار نزدیکی دارند و می‌توانند برای تحلیل رفتار ترانسفورماتورهای قدرت در مطالعات آموزشی، پژوهشی و صنعتی مورد استفاده قرار گیرند. همچنین این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که انتخاب روش مدل‌سازی مناسب به هدف تحلیل، میزان جزئیات مورد نیاز و زمان اجرای شبیه‌سازی بستگی دارد و هر دو محیط Simscape Electrical و Specialized Power Systems ابزارهای قدرتمندی برای تحلیل پدیده‌های مغناطیسی و الکتریکی در ترانسفورماتورهای قدرت به شمار می‌روند.