Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Generation of High Voltage (การสรางไฟฟาแรงสง)
1
BYBYAmnart SuksriAmnart Suksri(LECTURER)(LECTURER)
Department of Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering, FACULTY OF ENGINEERINGFACULTY OF ENGINEERING
KHON KAEN UNIVERSITYKHON KAEN UNIVERSITYTHAILANDTHAILAND
HIGH VOLTAGEHIGH VOLTAGE ENGINEERINGENGINEERING
ไฟฟาแรงสงมความสำาคญตอวศวกรไฟฟา และผสนใจทางดาน Applied physics
- ทางการแพทย
1. ใชในการ x-ray ซงตองการกระแสไฟฟาตรง แรงสงขนาด 100 kV หรอมากกวา
2. ใชในการสลายนว ซงตองการ HV. Impulse ขนาด 10 –20 kV อยางตอเนองหลายครงใน 1 นาท
- ทาง Physics ใช Electrostatic precipitation particle acceleration- ทางดานวศวกรรม ใชในการทดสอบอปกรณไฟฟาซง
ตองการทง AC , DC และ impulse แรง
2
สง เพอใชทดสอบฉนวนในสวนตางๆของอปกรณไฟฟา ดงนนการสรางไฟฟาแรงสง เพอใชทดสอบอปกรณไฟฟา
ในหองปฏบตการนน จะประกอบดวย
เครองกำาเนดไฟฟาแรงสง แบบตางๆ ดงน(1) Electrostatic Generator(2) Generation of High DC. Voltage(3) Generation of High AC. Voltage(4) Generation of Impulse Voltage
(1) Electrostatic generator
3
ใชหลกการการเปลยนพลงงานกล เปนพลงงานไฟฟาโดยใชสนามแมเหลกเปนตวเกบสะสมประจไวทผวโลหะทตดกบฉนวน เมอใสพลงงานกล เขาไปแลวทำาการเคลอนยายไปรวมกนในททกำาหนดไวใหไดมากๆ ทจดจดหนงจะทำาใหจดนนมศกดาไฟฟาสงขน
การสรางไฟฟาสถตยแรงดนสงม 3 แบบ คอ
- การสรางไฟฟาสถตยแบบแผน Capacitor
- การสรางไฟฟาสถตยแบบ Van de Graff
- การสรางไฟฟาสถตยแบบ Trommel
- การสรางไฟฟาสถตยแบบแผน Capacitor
4
การทำางาน- แผนโลหะ A และ B ยดตดกบฐานทเปนฉนวน- แผนโลหะ A ยดตดอยกบท- แผนโลหะ B สามารถปรบเคลอนทได- ทำาการใสแรงดนไฟตรงเขาระหวางแผนโลหะ A และ B ซงวางหางกนเปนระยะ d1- ทำาการเคลอนแผนโลหะ B ใหหางจาก A เปนระยะทาง d2
5
- ถาประจไมเกดการสญหายจะทำาให V2 มากกวา V1
จาก Q = CV-------(1)
เมอประจ Q คงท-ทตำาแหนง B ไดพลงงานเปน
W1 ----------(2)
เมอ d = d1 , C = C1, V= V1
-ทตำาแหนง Bx ไดพลงงานเปน
W2 ----------(3)
เมอ d = d2 , C = C2, V= V2แต Q = C1 V1 = C2 V2----------(4)
6
V2 = (C1/C2)*V1
----------(5)
จะเหนวา V2 มากกวา V1 C2 ลดลงสำาหรบพลงงานกลทปอนเขาไปจะมคาเทากบ
----------(6)การสรางไฟฟาสถตยแบบ Van de Graffเนองจากการสรางไฟฟาสถตยแบบแผน capacitor มขอเสย
1. ใชงานไมคอยสะดวก
7
2. ไดแรงดนคอนขางตำาVan de Graff จงไดสรางเครองกำาเนดไฟฟาสถตยขนมาโดยใชวธการเกบสะสมประจไฟฟาบนผวโลหะ ดงรป
8
ตวเครองประกอบดวย1) Electrode A จะเปนตวสราง
สนามไฟฟาแบบไมสมำาเสมอ ชนดมความเขมของประจสง (highly non-uniform)ซงจะทำาใหเกด Corona นจะแยกประจออกเปน 2 สวน คอ ประจบวก และ ประจลบ
- ประจลบ ซงมมวลนอยกวาจะวงทะลผานสายพานไปยงแผน electrode E แลวกลบเขาสจด A
- ประจบวก ซงมมวลมากกวา จะตดอยกบสายพานลำาเลยงทำาหนาทลำาเลยงผาน
9
collector ไปเกบสะสมเอาไวบนผวโลหะ C ทำาใหเกดประจสะสมเอาไวทโลหะ C อยางมากมาย จงทำาใหทจด C มศกดาไฟฟาสงขน
เครองกำาเนดไฟฟาแบบ Van de Graff มขอจำากด คอ
1. มความหนาแนนของประจบนสายพาน ประมาณ 1.6 nano culomb/cm2
2. แรงดนบนสายพานมคานอยกวา 10 kV/cm เนองจากความเครยดของสนามไฟฟาตามแนวยาวถาตองการใหสงกวานจะตองบรรจในถงกาซความดน
3. สายพานมความเรวตำา นอยกวา 40 m/s
10
การสรางไฟฟาสถตยแบบ Trommel
สรางโดย Felici เพอลดขอเสยของสายพานทเกดจากการสนเมอใชความเรวสง และการกระจายของ electric field strength ทไมสมำาเสมอตามแนวสายพานของเครองกำาเนด ไฟฟาแบบ Van de Graff
เครองกำาเนดชนดน ประกอบดวยกระบอกฉนวนรวม 2 ชน
กระบอกฉนวนไฟฟา A ยดอยกบทโดยมแกนรวมกบกระบอกฉนวนไฟฟา B
11
กระบอกฉนวนไฟฟา B จะหมนดวยความเรวคงท ดงนนประจทสรางขนจะเคลอนทผานกระบอกฉนวนไฟฟา B ไปเกบสะสมไวทตวเกบประจ แลวนำาออกไปส electrode แรงสง HV.Generation of High DC Voltage
- ใชเครองกำาเนดไฟฟากระแสตรงแรงสง
- ใชหลอดสญญากาศ ปจจบนใช Diode แทน เปนตว rectifier ซงมวงจรพนฐาน 4 แบบ
1.วงจร rectifier แบบ Half wave2.วงจร rectifier แบบ Full wave
12
3.วงจร rectifier แบบ แรงดน 2 เทา (Voltage double rectifier)
4.วงจร rectifier แบบขนบนได (Cascade circuit for dc. High Voltage)
วงจร Rectifier แบบ Half wave
13
วงจรประกอบไปดวย HV transformer T, Diode แรงสง D และ Filter แรงสง แบบ Capacitor CEx. ใหคำานวณหาคา Ripple factor ของการ rectifier แบบ halfwave เมอ ripple factor ;
และกำาหนดใหแรงเคลอนทออกจากหมอแปลง มคา
VT = VmsintSoln หากระแสทไหลในวงจรจากรป
----------(1)
14
เมอ Rt = RD + RL ท 0 t 2
จะไดกระแส Idc เฉลย คอ ----------(2)
----------(3)
แรงดน ครอม load ----------(4)
แต ----------(5)
15
ดงนน ----------(6)
จากสมการท 3 และ 6 จะได
----------(7)
แต
----------(8)
(8) แทนใน (7) ได
16
ดงนน Ripple factor ของ Half-Wave rectifier มคา = 1.21
วงจร Rectifier แบบ Full wave
17
การทำางาน1. เมอม sine ออกจากหมอแปลง diode D1 จะทำาหนาท rectifier แรงดนชวงรปคลน +2. Diode D2 จะทำาหนาท rectifier แรงดนชวงรปคลน -3. ขณะทแรงดนครอม diode D1 เปน + จะมกระแส I1 ไหลผาน diode แตเมอแรงดนครอม D1 เปนลบ D1 จะไมนำากระแส
18
4. แตขณะนนแรงดนครอม D2 เปน + D2
จงนำากระแส5.ทำาใหกระแสทไหลผาน load มคา IL = I1+I2
จาก (3) ----------(9)
จาก(8) ----------(10)
คา ripple factor เมอตอ rectifier แบบ full wave จะมคา
19
วงจร Rectifier แบบ แรงดน 2 เทา
( Voltage doubler rectifier)
20
การทำางาน1. เมอมแรงดนออกจากหมอแปลงเปน
VT ทจด a สมมตวามแรงดนในครง cycle ลบกอน
2. ตว Capacitor จะเกบสะสมประจจนมแรงดนตกครอมเทากบแรงดนสงสดทออกจากหมอแปลง VT = VC
3. เมอแรงดนออกจากหมอแปลง VT ทจด a มแรงดนอยในครง cycle บวก จะทำาใหแรงดนตกครอม diode D1 ทจด b มคาเทากบ VC + VT แลว capacitor C2 สะสมทประจเทากบ VC + VT คอมคาเทากบ 2 VT
4. จะเหนวา diode D2 จะตองทนแรงดนไดเปน 2 เทา ของแรงดนไฟฟาสงสด
5. เมอแรงดนทออกจาก D2 ซงเปนการ rectifier จะมแรงดนไมเรยบ จง
21
ตอง filter โดยใช C2 จงทำาใหแรงดนไฟฟากระแสตรงทจด c มคาเปน 2 เทาของแรงดนสงสดทออกจากหมอแปลง VT
วงจร rectifier แบบขนบนได(Cascade circuit for dc. High
Voltage)ในกรณทตองการศกดาไฟฟากระแส
ตรงสงมากๆ เราจะสรางโดยใชวงจรพนฐานของวงจรแรงดน rectifier แบบสองเทา นำามาตอกนเปนแบบขนบนได ซงนยมใชอย 2 ชนด คอ
1. แบบ Cockroft Walton
22
2. Voltage multiplier with cascade transformer
1. แบบ Cockcroft Waltonใชหลกการของ n – stage single phase cascade
การ ทำางาน ของ Cockcroft Walton ขณะ no load
23
จะใชวงจร rectifier แบบแรงดน 2 เทามาตออนกรมกน nth ชน โดยแตละชนประกอบดวย
- diode 2 ตว- capacitor 2 ตว ตวแรกเปนตวเกบ
พกประจ ตวท 2 ทำาหนาทเปน filtercapacitor ททำาหนาทพกประจไดแก
C1, C2, C3, C4,capacitor C1, C2, C3, C4, ทำา
หนาท filterdiode D1, D2, D3, D4 จะนำา
กระแสในชวงคลนบวกdiode D1, D2, D3, D4 จะนำากระแส
ในชวงคลนลบ
24
วงจรสรางแรงดนแตละครงจะสรางแรงดนเปน 2 เทาของคาแรงดนสงสด คอ 2Vm
เมอเทยบกบ ground แรงดนครอมท จด b = 2Vm
จด c = 4 Vm , จด d = 6 Vm, จด e = 8 Vm
ขอสงเกตCapacitor และ diode แตละตวจะ
ตองทนแรงดนได 2 เทาของคาสงสด ยกเวน capacitor C4 เทานนททนแรงดนสงสดไดเพยง 1Vm
เมอตองการแรงดนสงๆ จะตองนำามาตอเปนขนบนไดหลายๆชน ซงจะมคา = 2.n.Vmax เมอ n = จำานวนชน
25
แรงดนทจดตางๆ ของ Cockcroft Walton ขณะ no load
2. การทำางานของวงจร Cockcroft Walton ขณะตอ load
ขณะ no load วงจรขนบนไดของ Cockcroft Walton จะมแรงดน output เปน 2 เทาของคาแรงดนสงสดทใสเขามา คณดวยจำานวนชน แตเมอ load
26
จะมแรงดนตกครอม C และ D ทำาใหแรงดน output ทจด C นอยกวา 8Vmax
การคำานวณแรงดนตก U
พจารณาท Stage n ; คาปาซเตอร Cn จะถก Charge จนกระทงแรงดนมคาเทากบ Vmax ถาไมมการสญหายของประจ Cn จะมคาแรงดนท
27
ถา คาปาซเตอรทกตวในชดของวงจร มคา
ดงนน Voltage Drop ในแตละ Stage คอ
By Summation และ
28
การคำานวณหาแรงดนระลอก (Ripple)แรงดนระลอกของวงจรขนบนไดกอาจ
หาไดเชนเดยวกบวงจรทมไดโอดและตวเกบประจกรองกระแสอยางละตวซงมความสมพนธคอ
จะได
เมอ Idc คอ กระแสตรงทจายใหโหลด29
f คอ ความถของแรงดนกระแสสลบทจะแปลงเปน กระแสตรง
C คอ ความจไฟฟาของตวเกบประจกรองกระแส
แรงดนระลอกทงหมด
ถา C1 = C2 = C3 = C แลว
ถาวงจรม n ชน จะได Total Ripple
30
จำานวนขนบนไดทพอเหมาะ n - Optimum
การสรางแรงดนกระแสตรงดวยวงจรขนบนได เราอาจสรางแรงดนใหสงขนไดโดยการเพจำานวนขน ในทางปฏบตถาหากกำาหนดคากระแสโหลด Id ให จากคาความจไฟฟาทมความถของตวจายทกำาหนด จะพบ
31
วาถายงเพมจำานวนขนสงมากเกนไป จะทำาใหแรงดนตกมาก แรงดนทไดออกมาทโหลดกลบตำาลง แสดงวาจำานวนขนของวงจรมขดจำากด หรอ มคาพอเหมาะทสามารถสรางแรงดนไดสงสดคอ
n ทจะทำาให Vd สงสด
เมอ Vd เปนแรงดนกระแสตรงทโหลดจำานวนชนทพอเหมาะ n – Optimum คอ
และ
แรงดนกระแสตรงทสรางไดจะมคาเพยง 67% ของคาทางทฤษฎเทานน
32
การสรางแรงดนกระแสตรงแรงสงโดยใชหมอแปลงตอเปนขนบนได (Voltage multiplier with cascade transformation)
เนองจาดวงจรของ Cockcroft Walton มขอเสย คอ เมอนำามาตอกนหลายชน ทำาใหแรงดน output ตก ซงจะไดแรงดน output สงสดเพยง 67% เมอตอจำานวนขนมากๆ แรงดนยงตกลงอก เนองจากเกดแรงดนตกครอม diode และ capacitor และยงมขอจำากดเกยวกบ supply หมอแปลงตวเดยว Allibone จงไดแกไขใหมโดยใชวงจรดงรป
33
วงจร Allibone ประกอบไปดวย- หมอแปลง T, T1 , T2
- Diode D1 , D2 , D3 , D4
- Capacitor C1 , C2 , C3 , C4
ในแตละ stage ประกอบดวยหมอแปลงแรงสงตอผานไปยง diode D1
และ D2 ซง rectifier เปนแบบ half wave แลวตอไปยง storage capacitor C1 และ C2 ทำาใหแรงดนครอม C1 และ C2 มขนาด = Vm แตเนองจาก C1
34
และ C2 ตออนกรมกนจงทำาใหแรงดนทจด ก มขนาดเปน 2Vm
สำาหรบ stage ท 2 นนประกอบดวยหมอแปลง T ซงตอ supply ใหกบ T2 และ diode D3 , D4 , capacitor C3 , C4 จงทำาใหแรงดนทจด ข เมอตออนกรมกบ stage แรกแลว ไดแรงดนเปน 4 Vm
ขอเสยของ Allibone คอ จะตองม supply จากหมอแปลง T ไปเขาหมอแปลง T2 จงทำาใหเปลองหมอแปลงเพมขนอกตวในแตละ stage เพอแกปญหาดงกลาวจงใหหมอแปลงทเปน supply ใหกบขนบนไดเปนหมอแปลงแบบ tertiary
35
DC Cascade circuit with cascade transformer(tertiary windings)
The “Engelton” or Deltatron principle
36
Generation of High AC Voltage
หมอแปลงไฟฟาแรงสงทใชในปจจบนม 2 ชนด คอ1. หมอแปลงไฟฟาแรงสงกระแสสลบในระบบสงจายไฟฟา2. หมอแปลงไฟฟาแรงสงกระแสสลบทใชในหองปฏบตการ
1.หมอแปลงไฟฟาแรงสงกระแสสลบในระบบสงจายไฟฟา
หมอแปลงชนดนใชเปลยนระดบแรงดนใหสงขนเพอใชในการสงจายกำาลงไฟฟา หมอแปลงมกมขนาดใหญและเปนชนด 3 phase
37
2. หมอแปลงไฟฟาแรงสงกระแสสลบทใชในหองปฏบตการ
หมอแปลงชนดนใชเปนหมอแปลงทดสอบ ซงจะใชทดสอบฉนวน อปกรณไฟฟาแรงสงตางๆ และยงใชทดสอบปรากฏการณ Discharge ตางๆในลกถวยฉนวน, cable, switch gear และอปกรณอนๆ
หมอแปลงทดสอบจะมลกษณะเฉพาะเปนชนด 1 phase ซงผลตแรงสงเทยบกบ ground ขนาดของแรงดนทดสอบ กำาหนดตามมาตรฐาน IEC 60-2/1973 กำาหนดใหเปนคาแรงดนจดยอด (peak) ดวย 2 ไมตองวดเปนคา RMS โดยตรง
หมอแปลงทใชทดสอบในหองปฏบตการ จะตองสามารถปรบแรงดนตงแตคาตำาๆ
38
ไปจนถงคาสงๆ ตามทเราตองการ การปรบจะใช variac หรอ regulator เปนตวปรบ
- หมอแปลงจะตองมการฉนวนทด ทนตอแรงดนสงๆได ไมเกดการ breakdown
- จะตองสามารถจายกระแสไดสงพอ เพอใหสามารถสงเกตเหนความบกพรองของอปกรณทใชทดสอบไดชดเจน
หมอแปลงแรงดนไฟฟาแรงสงกระแสสลบใชในหองปฏบตการ
39
ขนาดของหมอแปลงคำานวณจาก
= ความถของแรงดนทใชเปน HzC = ความจ หนวยเปน pFVt = แรงดนทตองการใชทดสอบ KVrms
การตอ Inductive reactor ขนานดาน primary
เขากบหมอแปลงทดสอบหมอแปลงแรงสงขณะ no load จะม
กระแส exciting current ซ งจะท ำา ให output ม Harmonics ป น อ ย ท ำา ใ ห waveform ผ ด เ พ ย น ไ ป จ า ก sine
40
wave จงตอง filter harmonics เหลานออกไป
ทแรงดนไฟฟาสง หมอแปลงจะแสดงคา output เปน capacitor load ทำาใหกระแสนำาหนาแรงดน (leading Power factor) จงทำาใหแรงดนไฟฟา output ม คาตำากวาแรงดนทค ำานวณไวจาก ratio ของหมอแปลงนนๆ
41
(a) ขณะ no load หมอแปลงแรงสงทำาตวเปน capacitive load(b) Vector diagram ของแรงดนไฟฟาสงๆขณะ no load
เพอแกปญหาทเกดขน จงท ำาการตอ Inductive reactor ขนานกบหมอแปลงทดสอบทด าน primary เพ อทำาการแก Power factor
แสดงการตอขนาน reactor เพอแก P.f ของหมอแปลงแรงดนสง
42
การสรางหมอแปลงในหองปฏบตการ เมอแยกตามความถจะมอย 2 ชนด คอ
ก. หมอแปลงความถตำาข. หมอแปลงความถสง
1. การสรางหมอแปลงไฟฟาแรงสงความถตำาหมอแปลงไฟฟาความถตำาจะหมายถง
ความถของระบบไฟฟาทใช คอ 50 –60 Hz หมอแปลงชนดนใชไดเฉพาะไฟฟากระแสสลบเทานน ใชไฟกระแสตรงไมได หมอแปลงชนดนแบงตามลกษณะการตอสายได 3 แบบ คอ
1. หมอแปลงชนดฉนวนแขง (Resin insulated transformer)
43
2. หมอแปลงชนดจมในนำามน (Oil immersed transformer)
3. หมอแปลงชนดฉนวนขนบนได (Cascade transformer)
1.หมอแปลงชนดฉนวนแขง (Resin insulated transformer)
หมอแปลงชนดนแกนเหลกจะตองตอลง ground ขดลวดแรงตำาจะพนตดกบแกนเหลกและตอ supply แรงดนเขาประมาณ 100-120 V สวนขดแรงสงจะพนทบแรงตำาอกครงหนง เพอเปนการ
44
ฉนวนขดแรงสงอกขนหนง ดานแรงสงไดแรงดน ประมาณ 1kV – 10 kV
2. หมอแปลงชนดจมในนำามน (Oil immersed transformer)
หลกการคอ แกนเหลกและขดลวดรวมทงสวนประกอบอนๆทงหมดจะนำามาจมในถงนำามนทเปนโลหะหรอฉนวนกได
กรณทเปนถงโลหะ จะตองม bushing เพอนำาเอาสายไฟแรงสงออกจากถงมาใช
45
กรณทถงเปนฉนวน ไมจำาเปนตองม bushingหมอแปลงชนด oil immersed มอย 2 ชนด คอ
ก. แบบแกนเหลกตอลงดนข. แบบแกนเหลก core type
1. แกนเหลก2. ขดลวดแรงตำา3. ขดลวดแรงสง4. นำามนเปนฉนวนหม5. ปลายขวแรงสง6. Bushing(ปลอกฉนวนนำาสายแบบ
condensor)7. ถงโลหะ8. ถงฉนวน
46
ก. แบบแกนเหลกตอลงดน
ก. แบบถงโลหะ ข. แบบถง
ฉนวน
แกนเหลกทใชเปนแบบ UI โดยพนขดลวดแรงตำาบนขาตว U แลวจงพนแรงสง
47
ทบอกครงหนง แกนเหลกถกตอลงดนแลวนำาไปบรรจในถงนำามนประกอบขวแรงสงออกจากถง หมอแปลงชนดนสามารถสรางแรงดนไดสงถง 500 kV
ก. แบบแกนเหลก core typeใชแกนเหลกทแบบ UI มขดลวด 2 ชด
พนจำานวนรอบชดละเทาๆกน คอ ขดลวดแรงสง ขดลวดแรงตำา ขด compensate และขด excite
วธพนจะพนขด compensate กอน แลวพนขดแรงสงตามดวยขดแรงตำาและขด excite เพอใหเสนแรงแมเหลกรวมคาตำา
48
1. แกนเหลก 2. ขดแรงตำา 3. ขดแรงสง 4. ขด tertiary 5. ขด excite
หมอแปลงชนดขนบนได (cascade transformer)กรณทตองการใชไฟแรงสงกวา 600
kV ขนไปนยมใชหมอแปลงชนด 3 ขด (tertiary winding) ตอเสรมกนหลายตวตอเสรมกนแบบขนบนได
49
1. ขดแรงตำา2. ขดแรงสง3. ขดแรงตำาตอใหกบหมอแปลงตว
ตอไป
ขอสงเกต จะตองออกแบบใหหมอแปลงตวแรกมกำาลงไฟมากพอทจะตอกำาลงไฟใหกบหมอแปลงทนำามาตอเปนขนบนไดและจะตองมการฉนวนดพอ
Ex. สมมตใหหมอแปลงแตละตวม ratio ของแรงดนดงน และถาตองการแรงดน
50
output 400 kV/160 KVA ใหคำานวณหา 1. ratio ของหมอแปลงแตละตว2. กำาลงไฟของหมอแปลงแตละตวทจะตองจายได (แตละขด)
Solution Turn Ratio each :
Total Turn Ratio :
Total VA each :
I ในแตละตว
51
เขยนวงจรการตอหมอแปลงแบบขนบนไดดงน
52