electroll

درباره ماشینهای الکتریکی

ترانسفورماتورها

ترانسفورماتور وسیله ای ساکن واستاتیک بوده و دارای سیم پیچهایی است که از طریق یک محیط مغناطیسی به یکدیگر پیوند یافته اند. این وسیله در یک شبکه الکتریکی، دو نقطه را که دارای دو سطح ولتاژ مختلف هستند به یکدیگر متصل کرده و اجازه میدهد که انزژی الکتریکی از طریق میدان مغناطیسی در هر دو جهت بین این دونقطه انتقال یابد. ترانسفورماتور یکی از مهمترین تجهیزات بکار رفته در مدارات الکتریکی است که از ترانسفورماتورهای با توان و جریان پایین مختص مدارات کنترلی و الکترونیکی تا تراسفورماتورهای قدرت ولتاژ بالا را شامل میشود. ترانسفورماتورها در گستره بسیار وسیع و اعجاب انگیزی از اندازه وجود داشته و از واحدهای بسیار کوچک مورد استفاده در سیستم های مخابراتی تا واحدهای حجیم ولتاژ بالای بکار گرفته شده در شبکه های انتقال با وزن حدود صدها تن را پوشش میدهند. برای درک وفهم بسیاری از سیستم های کنترلی و الکترونیکی و اغلب شبکه های الکتریکی نیاز به یک مدل مداری و تحلیل عملکرد ترانسفورماتورها خواهد بود. گرچه ترانسفورماتور یک وسیله الکترومغناطیسی است اما تحلیل آن به درک عملکرد وسایل تبدیل انرژی الکترومکانیکی همچون ترانسفورماتور از یک میدان مغناطیسی استفاده میکنند اما تبدیل انرژی در آنها از مکانیکی به الکتریکی یا بالعکس میباشد.

مهمترین وظایف ترانسفورماتورها را میتوان به صورت زیر فهرست نمود:

الف- تغییر سطح ولتاژ وجریان در شبکه های قدرت

ب- تطبیق امپدانس بار و منبع برای انتقال حداکثر توان در مدارات کنترلی والکترونیکی

ج- ایزولاسیون الکتریکی

ترانسفورماتورها در شبکه های قدرت به شکل وسیعی مورد استفاده قرار میگیرند. با وجود ترانسفورماتورها تولید توان میتواند در مطلوب ترین و اقتصادی ترین سطح انجام گیرد، انتقال توان در ولتاژی اقتصادی و پربازده صورت گرفته وتوان در مناسبترین سطوح ولتاژی برای مشترکین صنعتی، تجاری وخانگی توزیع شود. در سیستم های الکترونیکی ومخابراتی که گستره فرکانس از فرکانس های شنوایی تا رادیویی و ویدیویی را شامل میگردد، اهداف بسیاری برای بکار رفتن ترانسفورماتورها وجود دارد.

یک ترنسفورماتور در ساده ترین شکل خود شامل دو سیم پیچ عایق شده از یکدیگر بوده که توسط یک میدان مغناطیسی مشترک که در هسته ای مغناطیسی (ساخته شده از مواد مغناطیسی) تولید شده است در بر گرفته میشوند. هنگامی که یکی از سیم پیچها که سیم پیچ اولیه نامیده میشود به منبع ولتاژ متناوبی متصل گردد، فوران متناوبی در هسته ایجاد شده که دامنه آن به ولتاژ اعمالی وتعداد دور سیم پیچ اولیه وابسته است. این فوران مشترک، سیم پیچ دیگر را که سیم پیچ ثانویه نامیده میشود در بر گرفته وولتاژی را در آن القا میکند.دامنه این ولتاژ وابسته به تعداد دور ثانویه است. هنگامی که تعداد دور ثانویه و اولیه به نحو مناسبی انتخاب گردد هر نسبت ولتاژ یا نسبت انتقالی را میتوان بدست آورد.

اگر ولتاژ اولیه از ولتاژ ثانویه بزرگتر باشد، ترانسفورماتور، افزاینده و در صورت کمتر بودن ولتاژ ثانویه از اولیه، ترانسفورماتور کاهنده نامیده میشود . در صورتی که ولتاژ اولیه و ثانویه مساوی باشد ترانسفورماتور دارای نسبت تبدیل واحد خواهد بود. این نوع ترانسفورماتورها برای ایزوله سازی الکتریکی دو بخش از یک مدار بکار میروند. هر ترانسفورماتوری را بسته به شکل اتصال آن میتوان بصورت افزاینده یا کاهنده بکار برد.

برای اینکه فوران ایجاد شده توسط هسته به موثرترین شکل هر دو سیم پیچ را به طور کامل در برگیرد، هسته را معمولا از آهن با ضریب نفوذ پذیری نسبی بالا یا آلیاژ فولاد میسازند.

ترانسفورماتورهایی که در گستره فرکانسی 25 تا 400 هرتز کار میکنند از هسته های آهنی با تنوع فراوان ساخته میشوند. به هر حال در حالات خاص، مدار مغناطیسی دربرگیرنده سیم پیچها ممکن است از مواد غیر مغناطیسی ساخته شود که در این صورت به ترانسفورماتور، ترانسفورماتور با هسته هوایی گفته میشود. ترانسفورماتورهای با هسته هوایی یکی از قطعات مورد توجه در وسایل رادیویی و انواع خاصی از تجهیزات اندازه گیری و آزمون میباشند. نوع دیگری از ترانسفورماتور که در واقع در بین ترانسفورماتورهای با هسته آهنی وترانسفورماتورهای با هسته هوایی قرار میگیرد، از یک هسته یکپارچه تشکیل میابند. این هسته یکپارچه از سیمهای آهنی دوتایی تشکیل شده است که سیم پیچهای اولیه وثانویه روی آن بصورت لایه ای قرار گرفته اند.

ساختمان ترانسفورماتور و ملاحظات عملی در خصوص آن

نوع ساختمان پذیرفته شده برای ترانسفورماتورها کاملا به هدفی که برای آن استفاده میشوند، ولتاژ سیم پیچ ها، جریان نامی و فرکانس کاری وابسته است. ساختمان انتخابی میبایستی گرما و حرارت ایجاد شده توسط دو منبع حرارتی عمده در ترانسفورماتور را به گونه ای دفع کند که با توجه به کلاس عایقی بکار رفته در آن، افزایش درجه حرارت در مقدار مجاز خود محدود گردد.

علاوه بر این، ساختمان ترانسفورماتور میبایستی برای جلوگیری از صدمه دیدگی عایق، از نفوذ رطوبت جلوگیری کند. این دو هدف عمده به طور همزمان در ترانسفورماتورهای قدرت با قرار دادن هسته وسیم پیچ در یک تانک بسته و پر کردن آن توسط روغنی غیر قابل اشتعال انجام میگیرد. این روغن، روغن ترانسفورماتور نامیده میشود. برای تسهیل در چرخش طبیعی روغن و همچنین افزایش سطح خنک کنندگی، پره ها و لوله هایی نیز در دیواره بیرونی تانک نصب میشوند. در ترانسفورماتورهای با ظرفیت بالا، لوله ها را میتوان به صورت اجباری با هوا نیز خنک نمود(توسط فن). اگر ظرفیت ترانسفورماتور باز هم بالا رود، بهترین روش خنک کنندگی این است که روغن بوسیله یک پمپ از بالای تانک ترانسفورماتور به مجاورت یک خنک کننده رفته و بعد از خنک شدن به پایین تانک بر میگردد. در اندازه های کوچک، ترانسفورماتور مستقیما در یک محفظه محافظ یا قالب لاستیکی سخت قرار میگیرد و با هوا خنک میشود. شکلهای a ، b وc جزئیات ساختمانی تراننسفورماتورهای واقعی را نشان میدهد.