بررسی کاربرد ترانسفورمرها

ترانسفورمر یک دستگاه تبدیل انرژی الکترومغناطیسی است ، زیرا که انرژی دریافت شده از مدار اولیه ، ابتدا به انرژی مغناطیسی تبدیل شده و سپس این انرژی دوباره به انرژی الکتریکی مفید در مدارهای دیگر تبدیل می گردد

دسته بندی	برق
فرمت فایل	doc
حجم فایل	14 کیلو بایت
تعداد صفحات فایل	19

دریافت فایل

فروشنده فایل

کد کاربری 8044

تمام فایل ها

کاربرد ترانسفورمرها

مقدمه

ترانسفورمر یک دستگاه تبدیل انرژی الکترومغناطیسی است ، زیرا که انرژی دریافت شده از مدار اولیه ، ابتدا به انرژی مغناطیسی تبدیل شده و سپس این انرژی دوباره به انرژی الکتریکی مفید در مدارهای دیگر تبدیل می گردد .

در یک ترانس ، انتقال انرژی الکتریکی از یک مدار به مدارهای دیگر بدون استفاده از قسمتهای متحرکه انجام می پذیرد و بنابراین ، بالاترین بازدهی ممکنه را در بین ماشینهای الکتریکی داشته و تقریباً به نگهداری بسیار جزئی نیاز دارد .

ترانسها وجود سیستمهای دارای قدرت بالا را امکانپذیر می سازند . برای انتقال عاقلانه صدها مگاوات توان به فاصله های دور ، به ولتاژهای بسیار بالا در پهنه KV200 تا KV1000 احتیاج است ، اگر چه تا این زمان ، ملاحظات عایقی ، ولتاژهای تولید شده در مولدها را زیر 33 کیلووات نگاه داشته است . با این اندازه ولتاژ ، تلفات خط بسیار بالاست و استفاده از آن ولتاژهای خیلی بالا نیز برای مصارف خانگی و صنعتی خطرناک خواهد بود . یکی از علتهای اصلی استفاده از جریان متناوب برای انتقال انرژی برق ، وجود ترانسفورمر است . با اتصال یک ترانس افزاینده بین مولد و خطوط انتقال می توان برای توانی معین ، جریان را کم نمود . و چون تلفات مسی خطوط انتقال با مجذور جریان خط متناسبند ، واضح است که ولتاژهای خیلی بالای بدست آمده توسط ترانسفورمر ، باعث بالا رفتن بازدهی سیستم قدرت از طریق کاهش جریان خطوط انتقال می گردد .

ترانسفورمر به عنوان یکی از اجزای بسیار مهم بسیاری از مدارهای الکتریکی ، از مدارهای الکترونیکی با سیگنالهای کوچک گرفته تا سیستمهای انتقال قدرت با ولتاژ بالا بکار گرفته می شود . دانستن تئوری ، رفتار و قابلیتهای ترانس برای فهمیدن کار بسیاری از سیستمهای قدرت ، کنترل ، مخابرات و الکترونیک لازم است .

در این فصل اصول کلی و روشهای تجزیه و تحلیل که قبلاً مورد بررسی قرار گرفتند را بر روی ترانسفورمر که یک دستگاه الکترومغناطیسی ساکن است بکار می بریم . این ، علتی دو پهلو دارد . اول اینکه ترانس خود یک دستگاه الکترومغناطیسی خیلی مهم است و دوم ینکه ، عمل ترانسفورمری در ماشینهای الکترومکانیکی نیز انجام می پذیرد و فهمیدن عملکرد ترانس پیشنیازی برای فهم عملکرد ماشینهای جریان متناوب است .

کاربردهای ترانس و انواع اصلی آن

مهمترین کاربردهای ترانس عبارتند از : (الف) تغییر دادن اندازه ولتاژ و جریان در یک سیستم الکتریکی ، (ب) هم مقاومت کردن منبع و بار برای انتقال توان بیشینه و (ج) جداسازی مدارهای الکتریکی از یکدیگر . اولین این کاربردها احتمالاً آشناترین آنان در نظر خوانندگان اسن و این آشنایی معمولاً بوسیله ترانسهای توزیع سوار شده بر تیرهای برق که مثلاً برق 11000 ولت را به برق خانگی 220 ولت تبدیل می نمایند ، می باشد . دومین کاربرد را می توان در بسیاری از مدارهای مخابراتی و الکترونیکی یافت . مثلاً برای هم مقاومت کردن بار با خطوط انتقال برای بهبود انتقال قدرت و کاهش امواج ساکن و یا اتصال خروجی میکروفون به اولین مرحله تقویت کننده الکترونیکی ، از ترانسها استفاده می شود . سومین کاربرد آن ، حذف اغتشاشهای الکترومغناطیسی در بسیاری از مدارها ، جلوگیری از خروج سیگنالهای جریان مستقیم ، ایمنی استفاده کنندگان و محافظت از وسایل و دستگاههای الکتریکی است .

ترانسفورمرها در مدارهای با اندازه ولتاژهای مختلف از میکروولت استفاده شده در بعضی از مدارهای الکترونیکی تا ولتاژهای خیلی بالای استفاده شده در سیستمهای توان امروزی مانند 750 کیلوولت ، بکار گرفته می شوند . همچنین ، ترانسها در طیف کامل فرکانسی مدارهای الکتریکی از نزدیک به صفر هرتز تا چند صد مگا هرتز چه با امواج سینوسی مداوم و چه ضربانی بکار می روند . شکل و اندازه ظاهری ترانسها مختلف است و آنها را در اندازه های به کوچکی یک تیله تا به بزرگی یک تریلی می سازند . انواع اصلی ترانسها عبارتند از :

1. ترانسهاس قدرت برای انتقال انرژی که در دو سر ارسال و دریافت خطوط فشار قوی برای افزایش و کاهش ولتاژ به کار می روند . این ترانسها طوری بکار گرفته می شوند که تقریباً همیشه تحت ظرفیت کامل باشند . از اینرو در مواقع بار سبک ، ارتباط این ترانسها با شبکه قطع می شود .

2. ترانسهای توزیع که ولتاژ را به یک سطح مناسب در محل مصرف کننده تغییر می دهند . ثانویه این ترانسها مستقیماً به پایانه های مصرف کننده متصل است و در طول شبانه روز بار روی آنها به مقدار زیادی تغییر می کند .

3. ترانسهای قدرت که برای مقاصد ویژه مانند یکسو کننده ها ، واحدهای جوشکاری و کوره های القایی بکار می روند .

4. ترانسهایی که برای انتظام ولتاژ در شبکه های توزیع بکار گرفته می شوند .

5. اتو ترانسها که برای تبدیل انرژی با نسبت انتقال کوچک و همچنین برای راه اندازی موتورهای القایی از آنها استفاده می شود .

1. ترانسهای اندازه گیری

اجزای ترانسفورمر

ترانس از دو بخش اصلی تشکیل می گردد :

1) هسته که از ورقه های نازک فولاد سیلیکن دار و بسته به فرکانس ، از ضخامت 05/0 تا 35/0 میلیمتر ساخته می شود و برای کاهش تلفات هیستریز و جریان گردابی ، ورقه ها را با عایق لاک طبیعی و یا مصنوعی از یکدیگر جدا می سازند . هسته ترانس در حقیقت مدار مغناطیسی ای است که کمک می نماید تا فوران مغناطیسی براحتی از میان سیم پیچها عبور کند . قسمتهای عمودی هسته معمولاً شاخه (ستون) و قسمتهای بالایی و پایینی معمولاً یوغ نامیده می شوند . ستونها که بر روی آنها سیم پیچها سوار می شوند معمولاً دارای سطح مقطع پله ای هستند که در دایره سیم پیچ محصور می شوند و تعداد پله ها و قطر دایره با افزایش قدرت ترانس زیادتر می گردد . سطح مقطع یوغ هسته ، غالباً پنج تا 10 درصد بزرگتر از سطح مقطع ستونها ساخته می شود تا جریان بی باری ترانس و تلفات هسته کاهش یابد . ترانسهای هسته ای معمولاً از ورق هایی به شکل L و نوع صدفی به شکل E تهیه می شوند .

2) دو یا چند سیم پیچ که در ترانسهای معمولی با هم رابطه مغناطیسی و در اتوترانس با یکدیگر رابطه مغناطیسی و الکتریکی داشته و از یک جسم عادی ( معمولاً مس ) و عایق تشکیل شده اند . سیم پیچی که از مدار الکتریکی انرژی می گیرد ، سیم پیچ اولیه و یا ورودی و سیم پیچی که به بار وصل می گردد سیم پیچ ثانویه و یا خروجی نامیده می شود . سیم پیچ متصل به مدار با ولتاژ زیاد به سیم پیچ فشار قوی ( H.V. ) و سیم پیچی که به مدار با ولتاژ کم متصل می گردد به سیم پیچ فشار ضعیف ( L.V. ) موسوم است . ترانسی که ولتاژ خروجی آن بیش از ورودی اش باشد ترانس افزاینده و آنکه خروجی اش کمتر از ورودی اش باشد ترانس کاهنده نامیده می شود . یک ترانس را زمانی می توان افزاینده یا کاهنده نامید که دستگاه جهت سرویس دهی در مدار قرار گرفته باشد . بنابراین زمانی که به سیم پیچی های یک ترانس معین اشاره می شود ، به کار بدن واژه های سیم پیچ فشار قوی و فشار ضعیف به جای سیم پیچ اولیه و ثانویه مناسبتر است .

به طور کلی ، ساختار الکترومغناطیسی ( هسته و سیم پیچ ) به خاطر مسائل ایمنی و حفاظتی درون محفظه ای بنام تانک محبوس است . اگر این تانک از هوا پر شود آنرا نوع خشک می نامند . بیشتر ترانسهای قدرت در محفظه ای از رئغن قرار دارند . روغن ، از هوا عایق بهتری است و همچنین جریان همرفتی در روغن ، عبور حرارت از سیم پیچها و هسته را آسانتر می سازد . انتهای سیم پیچها به صفحه تقسیمی می آید که از آن سیمهای خروجی به بیرون از محفظه ترانس از میان مقره ها که روی سوراخهایی در کنار محفظه و یا روی درپوش تعبیه شده اند آورده می شوند .

در ترانسهای هسته ای که مدار معناطیسی واحد است ، سیم پیچها قسمت قابل ملاحظه ای از هسته فولادی را احاطه می کنند در حالیکه در نوع صدفی که مدار مغناطیسی دوگانه است ، هسته فولادی قسمت اعظم سیم پیچی را در بر می گیرد .

در نوع هسته ای ، نصف سیم پیچ اولیه روی یک ستون و نصف دیگر روی ستون دوم پیچیده می شود . سیم پیچ ثانویه را نیز نصف روی یک ستون و نصف روی ستون دوم می پیچند . این تقسیم بندی را به منظور افزایش عایق و کاهش فوران تنشی بین سیم پیچهای اولیه و ثانویه انجام می دهند . کاهش فوران تنشی ، کارآیی ترانس را به طور قابل ملاحظه ای بهبود می بخشد . در ضمن به منظور به حداقل رساندن عایق لازم ، سیم پیچ فشار ضعیف نزدیکتر به هسته فولادی پیچیده می شود .

در نوع صدفی ، سیم پیچهای فشار قوی و فشار ضعیف روی ستون وسط به صورت ساندویچی ( یک در میان ) پیچیده می شوند و کلافهای بالایی و پایینی فشار ضعیف ، نصف اندازه سایر کلافهای فشار ضعیف هستند . بنابراین دو نوع سیم پیچی در ترانسها به کار گرفته می شود . در ترانس هسته ای کلافهای متمرکز و در ترانس صدفی کلافهای ساندویچی مورد استفاده قرار می گیرند .

انتخاب ساختار هسته ای و یا صدفی معمولاً بر اساس هزینه به عمل می آید ، زیرا خصوصیات مشابه را می توان با هر دو نوع به دست آورد . برای یک مقدار داده شده از توان خروجی و مقدار نامی ولتاژ ، ترانس هسته ای ، آهن کمتر ولی مس ( هادی ) بیشتر در مقایسه با ترانس صدفی لازم دارد . برای ترانسهای فشار قوی و یا چند سیم پیچه ، ساختار نوع صدفی ترجیح داده می شود .

در پهنه فرکانس قدرت ( 25 تا 400 هرتز ) ترانسها را از ورقه های فولاد – سیلیکن به ضخامت 35/0 میلیمتر می سازند که از یکدیگر از نظر الکتریکی عایق شده اند . عایق کردن می تواند با لعاب رزین تأمین شود . اما اغلب ، پوشش اکسید آهنی که طی “گرماپروری” ورقها حاصل می شود ، کفایت می کند . ورقها معمولاً برای داشتن خواص مغناطیسی ویژه گرما پروری می شوند . علت استفاده از فولاد – سیلیکن هزینه کم ، تلفات هسته کم و گذردهی مغناطیسی زیاد در چگالی فورانهای بالا ( 1/1 تا 8/1 تسلا ) است . در پهنه فرکانس شنوایی ( 20 تا 20000 هرتز ) ، از هسته آهنی بهبود یافته ( ورقه فولاد سرد نورد شده ) استفاده می شود . هسته ترانسهای کوچک استفاده شده در مدارهای مخابراتی با فرکانس بالا و انرژی کم ، معمولاً از پودر آلیاژهای فرومغناطیسی فشرده از قبیل “پرمالوی” ساخته می شود . ترانس با هسته هوایی نیز در این فرکانسهای بالا مورد استفاده قرار
می گیرد.

تلفات و بازدهی در ترانسها

بازدهی ترانسهای توزیع و قدرت معمولاً بالاست و بین 95% تا 99% است . محاسبه بازدهی برای ترانس بطور مستقیم ( یعنی اندازه گیری توان مؤثر خروجی به توان مؤثر ورودی ) ، به دلیل خطا در عمل اندازه گیری توانها سبب بروز استباه بزرگی در تخمین بازدهی آن می شود و از اینرو بازدهی ترانس ، معمولاً به روش غیر مستقیم محاسبه می گردد . در این روش ، توان ورودی به ترانس ، توسط مجموع توان خروجی و توان تلف شده بیان می شود . تلفات توان از دو قسمت اساسی یعنی تلفات مسی و تلفات هسته (هیستریز و جریان گردابی) تشکیل می گردد . بر حسب عناصر مدار معادل ، بخش حقیقی شاخه تحریک نمایانگر تلفات هسته و بخش حقیقی مقاومت ظاهری تنشی معادل ، نمایانگر تلفات مسی است .

برای فرکانس مشخص ، تلفات هسته تقریباً با مجذور ولتاژ القایی ورودی ( ₁²E) متناسب است ، اما ₁I ، ₁Z_e – ₁V = ₁E است و بنابراین در بار القایی ، افزایش بار موجب کاهش ₁E و در بار خازنی ، موجب افزایش ₁E می گردد . اگر تغییرات بار در حد معمول باشد ، نیرو محرکه الکتریکی بین یک تا چهار درصد تغییر می کند و از اینرو تغییرات تلفات هسته کمتر از هشت درصد می شود که قابل چشم پوشی است . همچنین در بار القایی ، جریان ورودی افزایش یافته و تلفات مسی زیاد می گردد و در بار خازنی ، بر عکس ، تلفات مسی کاهش می یابد . بنابراین تغییرات تلفات هسته و تلفات مسی با تغییر بار در دو سمت مخالف است که یکدیگر را جبران می کنند .

ترانسفورمرهااجزای ترانسفورمرترانس