بررسی كاربرد ترانسفورمرها

ترانسفورمر یك دستگاه تبدیل انرژی الكترومغناطیسی است ، زیرا كه انرژی دریافت شده از مدار اولیه ، ابتدا به انرژی مغناطیسی تبدیل شده و سپس این انرژی دوباره به انرژی الكتریكی مفید در مدارهای دیگر تبدیل می گردد

بررسی كاربرد ترانسفورمرها

كاربرد ترانسفورمرها

مقدمه

ترانسفورمر یك دستگاه تبدیل انرژی الكترومغناطیسی است ، زیرا كه انرژی دریافت شده از مدار اولیه ، ابتدا به انرژی مغناطیسی تبدیل شده و سپس این انرژی دوباره به انرژی الكتریكی مفید در مدارهای دیگر تبدیل می گردد .

در یك ترانس ، انتقال انرژی الكتریكی از یك مدار به مدارهای دیگر بدون استفاده از قسمتهای متحركه انجام می پذیرد و بنابراین ، بالاترین بازدهی ممكنه را در بین ماشینهای الكتریكی داشته و تقریباً به نگهداری بسیار جزئی نیاز دارد .

ترانسها وجود سیستمهای دارای قدرت بالا را امكانپذیر 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 كیلووات نگاه داشته است . با این اندازه ولتاژ ، تلفات خط بسیار بالاست و استفاده از آن ولتاژهای خیلی بالا نیز برای مصارف خانگی و صنعتی خطرناك خواهد بود . یكی از علتهای اصلی استفاده از جریان متناوب برای انتقال انرژی برق ، وجود ترانسفورمر است . با اتصال یك ترانس افزاینده بین مولد و خطوط انتقال می توان برای توانی معین ، جریان را كم نمود . و چون تلفات مسی خطوط انتقال با مجذور جریان خط متناسبند ، واضح است كه ولتاژهای خیلی بالای بدست آمده توسط ترانسفورمر ، باعث بالا رفتن بازدهی سیستم قدرت از طریق كاهش جریان خطوط انتقال می گردد .

ترانسفورمر به عنوان یكی از اجزای بسیار مهم بسیاری از مدارهای الكتریكی ، از مدارهای الكترونیكی با سیگنالهای كوچك گرفته تا سیستمهای انتقال قدرت با ولتاژ بالا بكار گرفته می شود . دانستن تئوری ، رفتار و قابلیتهای ترانس برای فهمیدن كار بسیاری از سیستمهای قدرت ، كنترل ، مخابرات و الكترونیك لازم است .

در این فصل اصول كلی و روشهای تجزیه و تحلیل كه قبلاً مورد بررسی قرار گرفتند را بر روی ترانسفورمر كه یك دستگاه الكترومغناطیسی ساكن است بكار می بریم . این ، علتی دو پهلو دارد . اول اینكه ترانس خود یك دستگاه الكترومغناطیسی خیلی مهم است و دوم ینكه ، عمل ترانسفورمری در ماشینهای الكترومكانیكی نیز انجام می پذیرد و فهمیدن عملكرد ترانس پیشنیازی برای فهم عملكرد ماشینهای جریان متناوب است .

كاربردهای ترانس و انواع اصلی آن

مهمترین كاربردهای ترانس عبارتند از : (الف) تغییر دادن اندازه ولتاژ و جریان در یك سیستم الكتریكی ، (ب) هم مقاومت كردن منبع و بار برای انتقال توان بیشینه و (ج) جداسازی مدارهای الكتریكی از یكدیگر . اولین این كاربردها احتمالاً آشناترین آنان در نظر خوانندگان اسن و این آشنایی معمولاً بوسیله ترانسهای توزیع سوار شده بر تیرهای برق كه مثلاً برق 11000 ولت را به برق خانگی 220 ولت تبدیل می نمایند ، می باشد . دومین كاربرد را می توان در بسیاری از مدارهای مخابراتی و الكترونیكی یافت . مثلاً برای هم مقاومت كردن بار با خطوط انتقال برای بهبود انتقال قدرت و كاهش امواج ساكن و یا اتصال خروجی میكروفون به اولین مرحله تقویت كننده الكترونیكی ، از ترانسها استفاده می شود . سومین كاربرد آن ، حذف اغتشاشهای الكترومغناطیسی در بسیاری از مدارها ، جلوگیری از خروج سیگنالهای جریان مستقیم ، ایمنی استفاده كنندگان و محافظت از وسایل و دستگاههای الكتریكی است .

ترانسفورمرها در مدارهای با اندازه ولتاژهای مختلف از میكروولت استفاده شده در بعضی از مدارهای الكترونیكی تا ولتاژهای خیلی بالای استفاده شده در سیستمهای توان امروزی مانند 750 كیلوولت ، بكار گرفته می شوند . همچنین ، ترانسها در طیف كامل فركانسی مدارهای الكتریكی از نزدیك به صفر هرتز تا چند صد مگا هرتز چه با امواج سینوسی مداوم و چه ضربانی بكار می روند . شكل و اندازه ظاهری ترانسها مختلف است و آنها را در اندازه های به كوچكی یك تیله تا به بزرگی یك تریلی می سازند . انواع اصلی ترانسها عبارتند از :

1. ترانسهاس قدرت برای انتقال انرژی كه در دو سر ارسال و دریافت خطوط فشار قوی برای افزایش و كاهش ولتاژ به كار می روند . این ترانسها طوری بكار گرفته می شوند كه تقریباً همیشه تحت ظرفیت كامل باشند . از اینرو در مواقع بار سبك ، ارتباط این ترانسها با شبكه قطع می شود .

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

3. ترانسهای قدرت كه برای مقاصد ویژه مانند یكسو كننده ها ، واحدهای جوشكاری و كوره های القایی بكار می روند .

4. ترانسهایی كه برای انتظام ولتاژ در شبكه های توزیع بكار گرفته می شوند .

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

1. ترانسهای اندازه گیری

اجزای ترانسفورمر

ترانس از دو بخش اصلی تشكیل می گردد :

1) هسته كه از ورقه های نازك فولاد سیلیكن دار و بسته به فركانس ، از ضخامت 05/0 تا 35/0 میلیمتر ساخته می شود و برای كاهش تلفات هیستریز و جریان گردابی ، ورقه ها را با عایق لاك طبیعی و یا مصنوعی از یكدیگر جدا می سازند . هسته ترانس در حقیقت مدار مغناطیسی ای است كه كمك می نماید تا فوران مغناطیسی براحتی از میان سیم پیچها عبور كند . قسمتهای عمودی هسته معمولاً شاخه (ستون) و قسمتهای بالایی و پایینی معمولاً یوغ نامیده می شوند . ستونها كه بر روی آنها سیم پیچها سوار می شوند معمولاً دارای سطح مقطع پله ای هستند كه 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 كاهش یابد . ترانسهای هسته ای معمولاً از ورق هایی به شكل L و نوع صدفی به شكل E تهیه می شوند .

2) دو یا چند سیم پیچ كه در ترانسهای معمولی با هم رابطه مغناطیسی و در اتوترانس با یكدیگر رابطه مغناطیسی و الكتریكی داشته و از یك جسم عادی ( معمولاً مس ) و عایق تشكیل شده اند . سیم پیچی كه از مدار الكتریكی انرژی می گیرد ، سیم پیچ اولیه و یا ورودی و سیم پیچی كه 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 كه به مدار با ولتاژ كم متصل می گردد به سیم پیچ فشار ضعیف ( L.V. ) موسوم است . ترانسی كه ولتاژ خروجی آن بیش از ورودی اش باشد ترانس افزاینده و آنكه خروجی اش كمتر از ورودی اش باشد ترانس كاهنده نامیده می شود . یك ترانس را زمانی می توان افزاینده یا كاهنده نامید كه دستگاه جهت سرویس دهی در مدار قرار گرفته باشد . بنابراین زمانی كه به سیم پیچی های یك ترانس معین اشاره می شود ، به كار بدن واژه های سیم پیچ فشار قوی و فشار ضعیف به جای سیم پیچ اولیه و ثانویه مناسبتر است .

به طور كلی ، ساختار الكترومغناطیسی ( هسته و سیم پیچ ) به خاطر مسائل ایمنی و حفاظتی درون محفظه ای بنام تانك محبوس است . اگر این تانك از هوا پر شود آنرا نوع خشك 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 كه از آن سیمهای خروجی به بیرون از محفظه ترانس از میان مقره ها كه روی سوراخهایی در كنار محفظه و یا روی درپوش تعبیه شده اند آورده می شوند .

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

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

در نوع صدفی ، سیم پیچهای فشار قوی و فشار ضعیف روی ستون وسط به صورت ساندویچی ( یك در میان ) پیچیده می شوند و كلافهای بالایی و پایینی فشار ضعیف ، نصف اندازه سایر كلافهای فشار ضعیف هستند . بنابراین دو نوع سیم پیچی در ترانسها به كار گرفته می شود . در ترانس هسته ای كلافهای متمركز و در ترانس صدفی كلافهای 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 یك مقدار داده شده از توان خروجی و مقدار نامی ولتاژ ، ترانس هسته ای ، آهن كمتر 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 فركانس قدرت ( 25 تا 400 هرتز ) ترانسها را از ورقه های فولاد – سیلیكن به ضخامت 35/0 میلیمتر می سازند كه از یكدیگر از نظر الكتریكی عایق شده اند . عایق كردن می تواند با لعاب رزین تأمین شود . اما اغلب ، پوشش اكسید آهنی كه طی “گرماپروری” ورقها حاصل می شود ، كفایت می كند . ورقها معمولاً برای داشتن خواص مغناطیسی ویژه گرما پروری می شوند . علت استفاده از فولاد – سیلیكن هزینه كم ، تلفات هسته كم و گذردهی مغناطیسی زیاد در چگالی فورانهای بالا ( 1/1 تا 8/1 تسلا ) است . در پهنه فركانس شنوایی ( 20 تا 20000 هرتز ) ، از هسته آهنی بهبود یافته ( ورقه فولاد سرد نورد شده ) استفاده می شود . هسته ترانسهای كوچك استفاده شده در مدارهای مخابراتی با فركانس بالا و انرژی كم ، معمولاً از پودر آلیاژهای فرومغناطیسی فشرده از قبیل “پرمالوی” ساخته می شود . ترانس با هسته هوایی نیز در این فركانسهای 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) تشكیل می گردد . بر حسب عناصر مدار معادل ، بخش حقیقی شاخه تحریك نمایانگر تلفات هسته و بخش حقیقی مقاومت ظاهری تنشی معادل ، نمایانگر تلفات مسی است .

برای فركانس 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 كاهش ₁E و در بار خازنی ، موجب افزایش ₁E می گردد . اگر تغییرات بار در حد معمول باشد ، نیرو محركه الكتریكی بین یك تا چهار درصد تغییر می كند و از اینرو تغییرات تلفات هسته كمتر از هشت درصد می شود كه قابل چشم پوشی است . همچنین در بار القایی ، جریان ورودی افزایش یافته و تلفات مسی زیاد می گردد و در بار خازنی ، بر عكس ، تلفات مسی كاهش می یابد . بنابراین تغییرات تلفات هسته و تلفات مسی با تغییر بار در دو سمت مخالف است كه یكدیگر را جبران می كنند .

✔️  بهترین کیفیت 💯 از 💯
✔️  پشتیبانی 24 ساعته
✔️  مناسب ترین قیمت

◀️  فروشگاه فایل سیدا

دانلود بررسی كاربرد ترانسفورمرها