تحقیق بررسی كاربرد ترانسفورماتورها در انتقال انرژي برق

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
تحقيق بررسي كاربرد ترانسفورماتورها در انتقال انرژي برق در 43 صفحه ورد قابل ويرايش

پيشگفتار :

پيدايش ترانسفورماتور در صنعت برق دو تحول عمده در اين صنعت بوجود آورده است :

1- ارتباط سراسري ميان شبكه هاي مصرف و توليد در سطح يك يا چند كشور

2- امكان طراحي وسايل الكتريكي با منابع تغذيه دلخواه.

گستردگي منابع انرژي در سطح هر كشور و مقرون به صرف بودن تاسيس نيروگاههاي برق در نزديكي منابع انرژي ، همچنين ضرورت تعيين محلي خاص براي احداث سدها سبب مي شود كه هنگام انتقال انرژي الكتريكي با ولتاژ پايين ، تلفات زيادي در انرژي توليد شده به وجود آيد. بنابراين ، يا بايد نيروگاههاي برق ، محلي طراحي شوند يا به دليل پايين بودن بازده اقتصادي از احداث آنها صرفنظر شود. بهره گيري از ترانسفورهاي قدرت موجب افزايش ولتاژ جريان انتقال و كاهش تلفات انرژي به مقدار زياد مي شود، در نتيجه :

1- مشكل انتخاب محل نيروگاه را بر طرف مي كند.

2- ايجاد شبكه سراسري را ميسر مي سازد.

3- مديريت بر شبكه مصرف و توليد را به مراتب گسترش مي دهد

از سوي ديگر كاهش ولتاژ جريان متناوب شبكه با استفاده از ترانسفورماتور امكان طراحي وسايل الكتريكي ، الكترونيكي ، صوتي ، تصويري و سيستم هاي كنترل را با هر ولتاژ لازم فراهم مي آورد . همچنين به علت طراحي مدارهاي فرمان الكتريكي با ولتاژ كمتر، ايمني تكنيسينها و كارگران فني مربوطه در هنگام كار افزايش مي يابد.


اصول و طرز كار ترانسفورماتور

ترانسفورماتور دستگاه استاتيكي ( ساكن ) است كه قدرت الكتريكي ثابتي را از يك مدار به مدار ديگر با همان فركانس انتقال مي دهد . ولتاژ در مدار دوم مي تواند بيشتر يا كمتر از مدار اول بشود، در صورتيكه جريان مدار دوم كاهش يا افزايش مي يابد.

بنابراين اصول فيزيكي ترانسفورماتورها بر مبناي القاء متقابل مي باشد كه بوسيله فوران مغناطيسي كه خطوط قواي آن اوليه و ثانويه را قطع مي كند، ايجاد مي گردد.

ساده ترين فرم ترانسفورماتورها بصورت دو سيم القائي است كه از نظر الكتريكي از يكديگر جدا شده هستند ولي از نظر مدار مغناطيس داراي يك مسير با مقاومت مغناطيس كم مي باشد .

هر دو سيم پيچ اوليه و ثانويه داراي اثر القايي متقابل زياد مي باشند . بنابراين اگر يك سيم پيچ به منبع ولتاژ متناوب متصل شود، فلوي مغناطيسي متغير بوجود خواهد آمد كه بوسيله مدار مغناطيسي ( هسته ترانسفورماتور كه از يكديگر عايق شده اند ) مدارش بسته شده و در نيتجه بيشتر فلوي مغناطيسي مدار ثانويه را قطع نموده و توليد نيروي محركه التريكي مي نمايد. ( طبق قانون فاراده نيروي محركه القاء شده ) . اگر مدار ثانويه ترانسفورماتور بسته باشد يك جريان در آن برقرار مي گردد و مي توان گفت كه انرژي الكتريكي سيم پيچ اوليه ( بوسيله واسطه مغناطيس ) تبديل به انرژي الكتريكي در مدار ثانويه شده است .

تعريف مدار اوليه و ثانويه در ترانسفورماتور.

بطور كلي سيم پيچ كه به منبع ولتاژ متناوب متصل مي گردد را سيم پيچ اوليه يا اصطلاحاً «طرف اول » و سيم پيچي كه اين انرژي را به مصرف كننده منتقل مي كند ، سيم پيچ ثانويه « طرف دوم » مي نامند .

حال مي توان بطور كلي مطالب فوق را بصورت زير جمع بندي نمود:

بنا به تعريف ترانسفورماتور وسيله ايست كه :

1- قدرت الكتريكي را از يك مدار به مدار ديگر انتقال مي دهد. بدون آنكه بين دو مدار ارتباط الكتريكي وجود داشته باشد.

2- در فركانس مدار هيچگونه تغييري ايجاد نمي نمايد.

3- اين تبديل بوسيله القاء الكترومغناطيسي صورت مي گيرد.

4- در صورتيكه مدار اوليه و مدار ثانويه بسته باشند ، اين عمل بصورت القاي متقابل و نفوذ در يكديگر صورت مي گيرد.

ساختمان ترانسفورماتور :

اجزاي يك ترانسفورماتور ساده عبارتند از :

1- دو سيم پيچ كه داراي مقاومت اهمي و سلفي مي باشند.

2- يك هسته مغناطيسي .

3- قسمتهاي ديگري كه اصولاً مورد لزوم مي باشند عبارتند از :

الف : يك جعبه براي قرار دادن سيم پيچ ها و هسته در داخل آن

ب : سيستم تهويه – كه معمولاً در ترانسفورماتورهاي با قدرت زياد، علاوه بر سيستم تهويه مي يابد مخزن روغن نيز براي خنك كردن بهتر كار گرفته شود.

ج : ترمينالهايي كه بايد سرهاي اوليه و ثانويه روي آنها نصب شود.

خصوصيات هسته مغناطيسي :

در تمام انواع ترانسفورماتورها هسته از ورقه هاي ترانسفورماتور ( ورقه هاي دينامو ) ساخته مي شود كه مسير عبور فوران مغاطيسي را با حداقل فاصله هوايي ايجاد نمايد و جنس آن از آلياژ فولاد مي باشد كه مقداري سيليس به آن اضافه گرديده است.

با فعل و انفعالاتي كه در متالوژي بر روي اين نوع فولاد انجام مي شود وعمليات حرارتي كه صورت مي گيرد سبب مي شود كه پر مي ابليته ( قابليت هدايت مغناطيسي ) هسته بالا رفته و به عبارت ديگر تلفات هيستر زيس كاهش مي يابد و بطور كلي مقاومت مغناطيسي كوچك مي گردد.

از طرف ديگر براي كاهش تلفات ناشي از جريان گردابي فوكو هسته ترانسفورماتورها را به صورت ورقه مي سازند و اصولاً يك طرف اين ورقه ها را با ماده اي كه بتواند فوران مغناطيسي را عبور دهد ولي عايق جريان الكتريكي باشد، مي پوشانند و بنابراين اين ورقه ها بايد به ترتيبي چيده مي شوند كه از يكديگر عايق الكتريكي باشند.

پراكندگي مغناطيسي :

در بحث قبلي فرض بر اين بود كه تمام فوران مغناطيسي سيم پيچهاي ثانويه را قطع مي كردند. اما در عمل غير ممكن است كه اين شرط قابل تشخيص باشد. بهر حال معلوم شده است كه تمام فوران ناشي از سيم پيچي اوليه سيم پيچهاي ثانويه را قطع نمي كند بلكه قسمتي از آن يعني مدار مغناطيسي را در هوا كامل كرده و از هسته نمي گذرد. اين فوران پراكندگي موقعي كه نيروي محركه القائي بعلت تحريك آمپر دور اوليه بين نقاط b , a حادث مي شود ، توليد مي گردد و در امتداد راههاي باريكه پراكندگي عمل مي كند . بنابراين اين فوران بعنوان پراكندگي اوليه معروف است و متناسب با آمپر دور اوليه است.

زيرا كه دورهاي ثانويه در اتصال مدار مغناطيسي تاثير ندارد. فلوي با I1 هم فاز است و نيروي محركه القايي را در اوليه ( نه در ثانويه ) ايجاد مي كند . بهمين ترتيب عمل آمپر دور ثانويه( نيروي محركه القايي ) در امتداد نقاط d, c فوران پراكندگي را ايجاد كرده و دور سيم پيچي هاي ثانويه ( نه دوره هاي اوليه ) با آن رابطه اي مستقيم دارد اين فلوي با I2 همفاز بوده و نيروي محركه القايي را در ثانويه توليد مي كند ( نه در اوليه ) . در بارهاي كم و بي باري آمپر دورهاي اوليه و ثانويه كم هستند . و بنابراين فلوي هاي پراكندگي قابل صرفنظر هستند . اما موقعيكه بار افزايش مي يابد از سيم پيچهاي اوليه و ثانويه جريانهاي زيادي مي گذرد و بنابراين نيروي محركه هاي آنها در حين عمل روي راههاي باريكه بوجود آمده و فوران پراكندگي را افزايش مي دهند.

همانطوريكه قبلاً گفته شد فوران پراكندگي متصل به هر سيم پيچ يك نيروي محركه خود القاء در آن سيم پيچ توليد مي كند بنابراين ، اين اثر معادل يك مسدودكننده يا كوپل القايي كه با هر سيم پيچ سري بوده ولتاژ در هر كدام از كوپل ها سري افت كرده و اين مقدار افت ولتاژ معادل توليد شده بوسيلة فوران پراكندگي است.

بعبارت ديگر يك ترانسفورماتور با پراكندگي مغناطيسي معادل يك ترانسفورماتور ايده آل و يك كوپل القايي كه با مدارهاي اوليه و ثانويه در ارتباط است مي باشد ، آنچنانكه نيروي محركه القائي داخلي در هر كدام از كوپل هاي القايي معادل فوران پراكندگي است .

بعبارت ديگر يك ترانسفورماتور با پراكندگي مغناطيسي معادل يك ترانسفورماتور ايده آل و يك كوپل القايي كه با مدارهاي اوليه و ثانويه در ارتباط است مي باشد، آنچنانكه نيروي محركه القايي داخلي در هر كدام از كوپل هاي القايي معادل فوران پراكندگي نظير در ترانسفورماتور واقعي است.



X1 و X2 راكتانس هاي پراكندگي اوليه و ثانويه معروف هستند.

نكات زير را بايد هميشه در خاطر سپرد :

(1) فلوي پراكندگي روي يكي از سيم پيچها يا ديگري بوجود مي آيد نه هر دو بنابراين به هيچ روش انتقال انرژي از سيم پيچ اوليه به ثانويه صورت نمي گيرد.

(2) ولتاژ اوليه V1 مجبور خواهد بود افت راكتيو I1X1 را ذخيره كند و بهمين ترتيب نيروي محركه القاء شده در طرف ثانويه (E2) نيز بايد افتهاي طرف دوم را جبران كند.

(3) در ترانسفورماتور واقعي سيم ييچهاي اوليه و ثانويه روي ساقهاي جداگانه اي طبق شكل (18) قرار ندارند زيرا بعلت پهناي جداگانه آنها فوران پراكندگي اوليه و ثانويه زيادي نتيجه مي شود . اين فوران پراكندگي بوسيلة قسمت بندي كردن سيم پيچهاي اوليه و ثانويه به حداقل مي رسد.

ترانسفورماتور باردار :

موقعيكه ثانويه باردار است جريان ثانويه I2 وارد عمل مي شود . دامنه و فاز I2 نسبت به V2 بوسيله مشخصات بار محاسبه مي شود. جريان I2 هم فاز با V2 است اگر بار اهمي باشد ، پس فاز است اگر بار سلفي باشد ، پيش فاز است اگر بار خازني باشد جريان ثانويه خود يك نيروي محركه مغناطيسي N2 I2 توليد مي كند و بنابراين فوران كه در جهت مخالف اوليه اصلي كه بر اثر Io ايجاد شده بود است ايجاد مي كند آمپر دور ثانويه I2 N2 بعنوان آمپر دور غير مغناطيسي معروف است . فوران ثانويه فوران اصلي را لحظه به لحظه ضعيف مي كند . بنابراين نيروي محركه القايي برگشتي E1 مايل است كه كم شود.

جدا كردن تلفات هسته :

افت هسته يك ترانسفورماتور به فركانس و چگالي فوران ماكزيمم موقعيكه حجم و ضخامت لايه هاي هسته معلوم باشد بستگي دارد. افت هسته از دو قسمت افت هيسترزين كه بوسيله ي رابطه تجربي اشتن متس داده شده و افت جريان گردابي كه Q مقداري ثابت است و افت كلي بوسيله ي W1 داده مي شود.

اگر از دو رابطه تجربي فوق يكسان استفاده كنيم بايد قادر باشيم كه ثابت هاي Q , P را پيدا كنيم تا افت هاي هيسترزيس و جريان گردابي بطور جداگانه قابل محاسبه باشند.

آزمايش اتصال كوتاه محاسبه امپدانس ترانسفورماتور :

اين روش اقتصادي براي محاسبه پارامترهاي زير است :

1- امپدانس معادل ( (Zo1 , Zo2 راكتانس پراكندگي (Xo1 , Xo2) و مقاومت (Ro1 ,Ro2) ترانسفورماتور از ديدگاه سيم پيچي كه وسايل اندازه گيري روي آن جاگذاري شده است .

2- افت مس دربار كامل ( و در هر بار دلخواه و مطلوب ) اين افت براي محاسبه يازده (راندمان ) ترانسفورماتور است.

3- داستن Zo1 يا Zo2 افت ولتاژ كلي در ترانسفورماتور از ديدگاه اوليه يا ثانويه قابل محاسبه مي باشد و به كمك آنها درصد تنظيم ترانسفورماتور به دست مي آيد.