تحقیق مقاله ترانسفورماتور ها

پیشگفتار : 

پیدایش ترانسفورماتور در صنعت برق دو تحول عمده در این صنعت بوجود آورده است :

1- ارتباط سراسری میان شبکه های مصرف و تولید در سطح یک یا چند کشور 

2- امکان طراحی وسایل الکتریکی با منابع تغذیه دلخواه.

گستردگی منابع انرژی در سطح هر کشور و مقرون به صرف بودن تاسیس نیروگاههای برق در نزدیکی منابع انرژی ، همچنین ضرورت تعیین محلی خاص برای احداث سدها سبب می شود که هنگام انتقال انرژی الکتریکی با ولتاژ پایین ، تلفات زیادی در انرژی تولید شده به وجود آید. بنابراین ، یا باید نیروگاههای برق ، محلی طراحی شوند یا به دلیل پایین بودن بازده اقتصادی از احداث آنها صرفنظر شود. بهره گیری از ترانسفورهای قدرت موجب افزایش ولتاژ جریان انتقال و کاهش تلفات انرژی به مقدار زیاد می شود، در نتیجه :

1- مشکل انتخاب محل نیروگاه را بر طرف می کند.

2- ایجاد شبکه سراسری را میسر می سازد.

3- مدیریت بر شبکه مصرف و تولید را به مراتب گسترش          می دهد 

از سوی دیگر کاهش ولتاژ جریان متناوب شبکه با استفاده از ترانسفورماتور امکان طراحی وسایل الکتریکی ، الکترونیکی ، صوتی ، تصویری و سیستم های کنترل را با هر ولتاژ لازم فراهم می آورد . همچنین به علت طراحی مدارهای فرمان الکتریکی با ولتاژ کمتر، ایمنی تکنیسینها و کارگران فنی مربوطه در هنگام کار افزایش می یابد.

اصول و طرز کار ترانسفورماتور 

ترانسفورماتور دستگاه استاتیکی ( ساکن ) است  که قدرت الکتریکی ثابتی را از یک مدار به مدار دیگر با همان فرکانس انتقال می دهد . ولتاژ در مدار دوم می تواند بیشتر یا کمتر از مدار اول بشود، در صورتیکه جریان مدار دوم کاهش یا افزایش می یابد. 

بنابراین اصول فیزیکی ترانسفورماتورها بر مبنای القاء متقابل می باشد که بوسیله فوران مغناطیسی که خطوط قوای آن اولیه و ثانویه را قطع         می کند، ایجاد می گردد.

ساده ترین فرم ترانسفورماتورها بصورت دو سیم القائی است که از نظر الکتریکی از یکدیگر جدا شده هستند ولی از نظر مدار مغناطیس دارای یک مسیر با مقاومت مغناطیس کم می باشد . 

هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه دارای اثر القایی متقابل زیاد می باشند . بنابراین اگر یک سیم پیچ به منبع ولتاژ متناوب متصل شود، فلوی مغناطیسی متغیر بوجود خواهد آمد که بوسیله مدار مغناطیسی ( هسته ترانسفورماتور که از یکدیگر عایق شده اند ) مدارش بسته شده و در نیتجه بیشتر فلوی مغناطیسی مدار ثانویه را قطع نموده و تولید نیروی محرکه التریکی         می نماید. ( طبق قانون فاراده   نیروی محرکه القاء شده ) . اگر مدار ثانویه ترانسفورماتور بسته باشد یک جریان در آن برقرار می گردد و        می توان گفت که انرژی الکتریکی سیم پیچ اولیه ( بوسیله واسطه مغناطیس ) تبدیل به انرژی الکتریکی در مدار ثانویه شده است .

تعریف مدار اولیه و ثانویه در ترانسفورماتور.

بطور کلی سیم پیچ که به منبع ولتاژ متناوب متصل می گردد را سیم پیچ اولیه یا اصطلاحاً «طرف اول » و سیم پیچی که این انرژی را به مصرف کننده منتقل می کند ، سیم پیچ ثانویه     « طرف دوم » می نامند .

حال می توان بطور کلی مطالب فوق را بصورت زیر جمع بندی نمود: 

بنا به تعریف ترانسفورماتور وسیله ایست که :

1- قدرت الکتریکی را از یک مدار به مدار دیگر انتقال می دهد. بدون آنکه بین دو مدار ارتباط الکتریکی وجود داشته باشد.

2- در فرکانس مدار هیچگونه تغییری ایجاد نمی نماید.

3- این تبدیل بوسیله القاء الکترومغناطیسی صورت می گیرد.

4- در صورتیکه مدار اولیه و مدار ثانویه بسته باشند ، این عمل بصورت القای متقابل و نفوذ در یکدیگر صورت می گیرد.

ساختمان ترانسفورماتور : 

اجزای یک ترانسفورماتور ساده عبارتند از :

1- دو سیم پیچ که دارای مقاومت اهمی و سلفی می باشند.

2- یک هسته مغناطیسی .

3- قسمتهای دیگری که اصولاً مورد لزوم می باشند عبارتند از :

الف : یک جعبه برای قرار دادن سیم پیچ ها و هسته در داخل آن 

ب : سیستم تهویه – که معمولاً در ترانسفورماتورهای با قدرت زیاد، علاوه بر سیستم تهویه می یابد مخزن روغن نیز برای خنک کردن بهتر کار گرفته شود.

ج : ترمینالهایی که باید سرهای اولیه و ثانویه روی آنها نصب شود. 

خصوصیات هسته مغناطیسی : 

در تمام انواع ترانسفورماتورها هسته از ورقه های ترانسفورماتور ( ورقه های دینامو ) ساخته می شود که مسیر عبور فوران مغاطیسی را با حداقل فاصله هوایی ایجاد نماید و جنس آن از آلیاژ فولاد می باشد که مقداری سیلیس به آن اضافه گردیده است.

با فعل و انفعالاتی که در متالوژی بر روی این نوع فولاد انجام می شود وعملیات حرارتی که صورت می گیرد سبب می شود که پر می ابلیته ( قابلیت هدایت مغناطیسی ) هسته بالا رفته و به عبارت دیگر تلفات هیستر زیس کاهش می یابد و بطور کلی مقاومت مغناطیسی کوچک می گردد.

از طرف دیگر برای کاهش تلفات ناشی از جریان گردابی فوکو هسته ترانسفورماتورها را به صورت ورقه می سازند و اصولاً یک طرف این ورقه ها را با ماده ای که بتواند فوران مغناطیسی را عبور دهد ولی عایق جریان الکتریکی باشد، می پوشانند و بنابراین این ورقه ها باید به ترتیبی چیده         می شوند که از یکدیگر عایق الکتریکی باشند.

معمولاً ضخامت ورقه های هسته ترانسورماتورها در فرکانس 50 تا 25 بین 35/0  تا 50/0 میلیمتر می باشد.

این ورقه ها پهلوی هم قرار می گیرند. و اصولاً مقدار آن محاسبه         می گردد. همانطوریکه در این شکل مشاهده می شود ، با قرار گرفتن ورقه ها بر روی یکدیگر بین آنها فاصله هوایی بوجود می آید و در نتیجه در سطح مقطع هسته همیشه یک شکاف وجود دارد که اجتناب ناپذیر است .

انواع هسته های ترانسفورماتور 

ساختمان هسته ترانسفورماتورهای معمولی بدو صورت کلی ساخته        می شوند.

الف : هسته نوع معمولی 

ب : هسته نوع زرهی 

البته ترانسفورماتور با هسته های حلزونی یا مارپیچ هم ساخته می شود، ولی قسمت عمده را در صنعت تشکیل نمی دهد.

از نظر فیزیکی در ترانسفورماتور با هسته معمولی سیم پیچی اولیه و ثانویه در دو طرف بازوهای هسته و بصورت مجزا پیچیده می شوند. در حالیکه در نوع زرهی که کاربرد بیشتری هم دارد ، این سیم بندی بر روی قسمت وسط ( اولیه و ثانویه ) روی هم پیچیده می شوند . و از نظر اقتصادی راندمان کار بیشتر دارد و ارزان تر تمام می شود . به شکل (4) توجه کنید.

در قسمت ( الف ) و ( ب ) دیاگرام فوران در هر دو نوع هسته مشخص شده است . در قسمت ( الف ) دیاگرام بسیار ساده ترانسفورماتور با هسته نوع معمولی و وضعیت سیم بندی اولیه و ثانویه و جهت مخالف فوران در دو بازوی هسته کاملاً مشخص شده است.

ولی باید توجه داشت که مقداری فوران بصورت فوران پراکندگی نیز وجود دارد که سبب کاهش فوران از مقدار اصلی شده و به آن نشد مغناطیس می گویند.

اما اگر دقت کنید ، در می یابید که اینبار فوران مغناطیسی در دو مسیر دور می زند و اگر بخواهیم که هر یک از سیم پیچ های اولیه و ثانویه بر روی بازوی اول و دوم نوع معمولی پیچیده شده اند. ( یعنی بر خلاف نوع معمولی که می یابد که می باید اولیه بر روی یک بازو ثانویه بر روی بازوی دیگر باشند ) .

باید توجه داشت که چه نوع هسته معمولی باشد و چه نوع زرهی  هر دو نوع هسته از ورقه های ترانسفورماتور ساخته شده است که در نوع معمولی این ورقه ها را بفرم L   در می آورند و در نوع زرهی این ورقه ها را بصورت E  و I  در می آورند پهلوی هم قرار می دهند .

نحوه سوار کردن هسته و بستن سیم پیچ یک ترانسفورماتور با هسته نوع معمولی بصورت می باشد.

همچنانکه در شکل مشاهده می گردد. اگر قسمت نمایش یک طبقه هسته باشد، قسمت  نمایش طبقه دوم هسته است و به همین ترتیب این عمل تکرار می شود تا سطح مقطع خواسته شده بدست آید. و این عمل برای جلوگیری از افزایش ( مقاومت مغناطیسی ) در نقاط اتصال هسته و کاهش فوران پراکندگی صورت می گیرد.

نتیجه می گیریم که در ترانسفورماتور با هسته نوع معمولی همیشه باید هر طبقه ورقه ترانسفورماتور نسبت به طبقه بعدی در خلاف جهت هم چیده شوند.

نحوه سوار کردن هسته و بستن سیم پیچ ترانسفورماتور باهسته نوع زرهی هم مانند نوع معمولی است و مطابق صورت می گیرد.

تئوری مقدماتی ترانسفورماتور آیده آل : 

ترانسفورماتور ایده آل ، ترانسفورماتوری است که افت ندارد. برای مثال سیم پیچ های آن مقاومت اهمی ندارد و پراکندگی فوران معناطیسی در آن وجود ندارد . تلفات مسی   و تلفات مسی آهنی ( p Fe )   در آن موجود نمی باشد. 

پس بطور کلی یک ترانسفورماتور ایده آل شامل دو سیم پیچ با ندوکیتویته خالص ( مقاومت سلفی ) که روی هسته بدون افت فوران مغناطیسی پیچیده شده می باشد . باید خاطر نشان شود که چنین ترانسورماتوری عملاً غیر ممکن است و وجود خارجی ندارد و به همین دلیل به آن ایده ال می گوییم . ولی برای کار بحث در مورد ترانسفورماتورها را از حالت ایده آل شروعت کرده و مرحله جلو می بریم تا به حالت واقعی آن نزدیک شویم.

تراسنفورماتور ایده آلی که مدار ثانویه آن باز است و مدار اولیه آن به مدار اولیه آن به منبع ولتاژ متناوب سینوس V1  متصل است را در نظر        می گیریم . این ولتاژ باعث یک جریان متناوب در مدار اولیه می شود. از آنجائیکه سیم پیچی اولیه سلف خالص است و مدار خروجی هم باز است ، پس جریانی که از مدار اولیه عبور می کند فقط جریان مغناطیس کننده   است . اثر این جریان فقط مغناطیس کردن هسته می باشد و از لحاظ دامنه مقدار آن خیلی کوچک است و نسبت به V1   مقدار 90 درجه اختلاف فاز دارد، که چون مدار سلفی است این اختلاف فاز بصورت « پس فاز »      می باشد . جریان متناوب    یک فوران مغناطیسی متغیر   که در تمام مدت متناسب با جریان   است را تولید می کند ( فرض می کنیم قابلیت هدایت مغناطیسی هسته ثابت است ) و بنابراین با آن هم فاز است . این فوران متغیر هم سیم بندی اولیه و هم ثانویه را قطع می کند . و طبق قانون لنز نیروی الکتروموتوری E1  را در اولیه تولید می کند و این نیروی الکتروموتوری که در این حالت به آن خود القاء هم می توان گفت از نظر مقدار در هر لحظه معادل V1   ولی در جهت مخالف آن می باشد. به همین ترتیب در ثانویه نیز نیروی الکتروموتوری E2   تولید می شود که به آن       می توان نیروی القای متقابل نیز گفت ، که جهت آن در خلاف جهت فاز V1   و دامنه آن متناسب با مقدار تغییر فوران مغناطیسی و تعداد دور سیم بندی ثانویه می باشد.