تحقیق كاربرد ترانسفورمرها

مقدمه

ترانسفورمر يك دستگاه تبديل انرژي الكترومغناطيسي است ، زيرا كه انرژي دريافت شده از مدار اوليه ، ابتدا به انرژي مغناطيسي تبديل شده و سپس اين انرژي دوباره به انرژي الكتريكي مفيد در مدارهاي ديگر تبديل مي گردد .

در يك ترانس ، انتقال انرژي الكتريكي از يك مدار به مدارهاي ديگر بدون استفاده از قسمتهاي متحركه انجام مي پذيرد و بنابراين ، بالاترين بازدهي ممكنه را در بين ماشينهاي الكتريكي داشته و تقريباً به نگهداري بسيار جزئي نياز دارد .

ترانسها وجود سيستمهاي داراي قدرت بالا را امكانپذير مي سازند . براي انتقال عاقلانه صدها مگاوات توان به فاصله هاي دور ، به ولتاژهاي بسيار بالا در پهنه KV200 تا KV1000 احتياج است ، اگر چه تا اين زمان ، ملاحظات عايقي ، ولتاژهاي توليد شده در مولدها را زير 33 كيلووات نگاه داشته است . با اين اندازه ولتاژ ، تلفات خط بسيار بالاست و استفاده از آن ولتاژهاي خيلي بالا نيز براي مصارف خانگي و صنعتي خطرناك خواهد بود . يكي از علتهاي اصلي استفاده از جريان متناوب براي انتقال انرژي برق ، وجود ترانسفورمر است . با اتصال يك ترانس افزاينده بين مولد و خطوط انتقال مي توان براي تواني معين ، جريان را كم نمود . و چون تلفات مسي خطوط انتقال با مجذور جريان خط متناسبند ، واضح است كه ولتاژهاي خيلي بالاي بدست آمده توسط ترانسفورمر ، باعث بالا رفتن بازدهي سيستم قدرت از طريق كاهش جريان خطوط انتقال مي گردد .

ترانسفورمر به عنوان يكي از اجزاي بسيار مهم بسياري از مدارهاي الكتريكي ، از مدارهاي الكترونيكي با سيگنالهاي كوچك گرفته تا سيستمهاي انتقال قدرت با ولتاژ بالا بكار گرفته مي شود . دانستن تئوري ، رفتار و قابليتهاي ترانس براي فهميدن كار بسياري از سيستمهاي قدرت ، كنترل ، مخابرات و الكترونيك لازم است .

در اين فصل اصول كلي و روشهاي تجزيه و تحليل كه قبلاً مورد بررسي قرار گرفتند را بر روي ترانسفورمر كه يك دستگاه الكترومغناطيسي ساكن است بكار مي بريم . اين ، علتي دو پهلو دارد . اول اينكه ترانس خود يك دستگاه الكترومغناطيسي خيلي مهم است و دوم ينكه ، عمل ترانسفورمري در ماشينهاي الكترومكانيكي نيز انجام مي پذيرد و فهميدن عملكرد ترانس پيشنيازي براي فهم عملكرد ماشينهاي جريان متناوب است .

كاربردهاي ترانس و انواع اصلي آن

مهمترين كاربردهاي ترانس عبارتند از : (الف) تغيير دادن اندازه ولتاژ و جريان در يك سيستم الكتريكي ، (ب)  هم مقاومت كردن منبع و بار براي انتقال توان بيشينه و (ج) جداسازي مدارهاي الكتريكي از يكديگر . اولين اين كاربردها احتمالاً آشناترين آنان در نظر خوانندگان اسن و اين آشنايي معمولاً بوسيله ترانسهاي توزيع سوار شده بر تيرهاي برق كه مثلاً برق 11000 ولت را به برق خانگي 220 ولت تبديل مي نمايند ، مي باشد . دومين كاربرد را مي توان در بسياري از مدارهاي مخابراتي و الكترونيكي يافت . مثلاً براي هم مقاومت كردن بار با خطوط انتقال براي بهبود انتقال قدرت و كاهش امواج ساكن و يا اتصال خروجي ميكروفون به اولين مرحله تقويت كننده الكترونيكي ، از ترانسها استفاده مي شود . سومين كاربرد آن ، حذف اغتشاشهاي الكترومغناطيسي در بسياري از مدارها ، جلوگيري از خروج سيگنالهاي جريان مستقيم ، ايمني استفاده كنندگان و محافظت از وسايل و دستگاههاي الكتريكي است .

ترانسفورمرها در مدارهاي با اندازه ولتاژهاي مختلف از ميكروولت استفاده شده در بعضي از مدارهاي الكترونيكي تا ولتاژهاي خيلي بالاي استفاده شده در سيستمهاي توان امروزي مانند 750 كيلوولت ، بكار گرفته مي شوند . همچنين ، ترانسها در طيف كامل فركانسي مدارهاي الكتريكي از نزديك به صفر هرتز تا چند صد مگا هرتز چه با امواج سينوسي مداوم و چه ضرباني بكار مي روند . شكل و اندازه ظاهري ترانسها مختلف است و آنها را در اندازه هاي به كوچكي يك تيله تا به بزرگي يك تريلي مي سازند . انواع اصلي ترانسها عبارتند از :

1. ترانسهاس قدرت براي انتقال انرژي كه در دو سر ارسال و دريافت خطوط فشار قوي براي افزايش و كاهش ولتاژ به كار مي روند . اين ترانسها طوري بكار گرفته مي شوند كه تقريباً هميشه تحت ظرفيت كامل باشند . از اينرو در مواقع بار سبك ، ارتباط اين ترانسها با شبكه قطع مي شود .
2. ترانسهاي توزيع كه ولتاژ را به يك سطح مناسب در محل مصرف كننده تغيير مي دهند . ثانويه اين ترانسها مستقيماً به پايانه هاي مصرف كننده متصل است و در طول شبانه روز بار روي آنها به مقدار زيادي تغيير مي كند .
3. ترانسهاي قدرت كه براي مقاصد ويژه مانند يكسو كننده ها ، واحدهاي جوشكاري و كوره هاي القايي بكار مي روند .
4. ترانسهايي كه براي انتظام ولتاژ در شبكه هاي توزيع بكار گرفته مي شوند .
5. اتو ترانسها كه براي تبديل انرژي با نسبت انتقال كوچك و همچنين براي راه اندازي موتورهاي القايي از آنها استفاده مي شود .
6. ترانسهاي اندازه گيري

اجزاي ترانسفورمر

ترانس از دو بخش اصلي تشكيل مي گردد :

• هسته كه از ورقه هاي نازك فولاد سيليكن دار و بسته به فركانس ، از ضخامت 05/0 تا 35/0 ميليمتر ساخته مي شود و براي كاهش تلفات هيستريز و جريان گردابي ، ورقه ها را با عايق لاك طبيعي و يا مصنوعي از يكديگر جدا مي سازند . هسته ترانس در حقيقت مدار مغناطيسي اي است كه كمك مي نمايد تا فوران مغناطيسي براحتي از ميان سيم پيچها عبور كند . قسمتهاي عمودي هسته معمولاً شاخه (ستون) و قسمتهاي بالايي و پاييني معمولاً يوغ ناميده مي شوند . ستونها كه بر روي آنها سيم پيچها سوار مي شوند معمولاً داراي سطح مقطع پله اي هستند كه در دايره سيم پيچ محصور مي شوند و تعداد پله ها و قطر دايره با افزايش قدرت ترانس زيادتر مي گردد . سطح مقطع يوغ هسته ، غالباً پنج تا 10 درصد بزرگتر از سطح مقطع ستونها ساخته مي شود تا جريان بي باري ترانس و تلفات هسته كاهش يابد . ترانسهاي هسته اي معمولاً از ورق هايي به شكل L و نوع صدفي به شكل E تهيه مي شوند .
• دو يا چند سيم پيچ كه در ترانسهاي معمولي با هم رابطه مغناطيسي و در اتوترانس با يكديگر رابطه مغناطيسي و الكتريكي داشته و از يك جسم عادي ( معمولاً مس ) و عايق تشكيل شده اند . سيم پيچي كه از مدار الكتريكي انرژي مي گيرد ، سيم پيچ اوليه و يا ورودي و سيم پيچي كه به بار وصل مي گردد سيم پيچ ثانويه و يا خروجي ناميده مي شود . سيم پيچ متصل به مدار با ولتاژ زياد به سيم پيچ فشار قوي ( V. ) و سيم پيچي كه به مدار با ولتاژ كم متصل مي گردد به سيم پيچ فشار ضعيف ( L.V. ) موسوم است . ترانسي كه ولتاژ خروجي آن بيش از ورودي اش باشد ترانس افزاينده و آنكه خروجي اش كمتر از ورودي اش باشد ترانس كاهنده ناميده مي شود . يك ترانس را زماني مي توان افزاينده يا كاهنده ناميد كه دستگاه جهت سرويس دهي در مدار قرار گرفته باشد . بنابراين زماني كه به سيم پيچي هاي يك ترانس معين اشاره مي شود ، به كار بدن واژه هاي سيم پيچ فشار قوي و فشار ضعيف به جاي سيم پيچ اوليه و ثانويه مناسبتر است .

به طور كلي ، ساختار الكترومغناطيسي ( هسته و سيم پيچ ) به خاطر مسائل ايمني و حفاظتي درون محفظه اي بنام تانك محبوس است . اگر اين تانك از هوا پر شود آنرا نوع خشك مي نامند . بيشتر ترانسهاي قدرت در محفظه اي از رئغن قرار دارند . روغن ، از هوا عايق بهتري است و همچنين جريان همرفتي در روغن ، عبور حرارت از سيم پيچها و هسته را آسانتر مي سازد . انتهاي سيم پيچها به صفحه تقسيمي مي آيد كه از آن سيمهاي خروجي به بيرون از محفظه ترانس از ميان مقره ها كه روي سوراخهايي در كنار محفظه و يا روي درپوش تعبيه شده اند آورده مي شوند .

در ترانسهاي هسته اي كه مدار معناطيسي واحد است ، سيم پيچها قسمت قابل ملاحظه اي از هسته فولادي را احاطه مي كنند در حاليكه در نوع صدفي كه مدار مغناطيسي دوگانه است ، هسته فولادي قسمت اعظم سيم پيچي را در بر مي گيرد .

در نوع هسته اي ، نصف سيم پيچ اوليه روي يك ستون و نصف ديگر روي ستون دوم پيچيده مي شود . سيم پيچ ثانويه را نيز نصف روي يك ستون و نصف روي ستون دوم مي پيچند . اين تقسيم بندي را به منظور افزايش عايق و كاهش فوران تنشي بين سيم پيچهاي اوليه و ثانويه انجام مي دهند . كاهش فوران تنشي ، كارآيي ترانس را به طور قابل ملاحظه اي بهبود مي بخشد . در ضمن به منظور به حداقل رساندن عايق لازم ، سيم پيچ فشار ضعيف نزديكتر به هسته فولادي پيچيده مي شود .