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 .