ترانس
ترانسفورماتور ها یا ترانس های الکتریکی دستگاه هایی هستند که انرژی الکتریکی را بدون تغییر جنس انرژی، به انرژی الکتریکی با ابعاد مختلف تبدیل می کنند. ترانس ها می توانند ابعاد انرژی الکتریکی از قبیل جریان، ولتاژ، انواع بارهای الکتریکی ( سلفی، خازنی، اهمی و ترکیبی از آن ها) ، اندوکتانس و ظرفیت خازن ها را تبدیل کنند ولی اختلاف فاز و فرکانس الکتریکی را نمی توانند تبدیل کنند.
وسعت تغییرات در ابعاد انرژی الکتریکی توسط ترانس ها به سازندگان و طراحان وسایل الکتریکی، امکان می دهد که وسایل را با هر ولتاژ یا جریان الکتریکی طراحی و بسازند.
ساختمان ترانس تکفاز
یک ترانسفورماتور (ترانس) از دو سیم پیچ و یک هسته آهنی ساخته می شود. سیم پیچ ها اغلب از جنس مس و در بعضی موارد از جنس آلومینیوم انتخاب می شود. هسته ترانس از ورقه های آهن نرم سیلیس دار (ورق دیناموبلش) ساخته می شود سیم پیچ ها را در مقاطع پایین با لاک و در مقاطع بالا با کاغذ پرشپان با نوار کنف عایق بندی می کنند. سیم پیچی که به شبکه برق وصل می شود سیم پیچ اولیه، و سیم پیچی که به مصرف کننده وصل می شود، سیم پیچ ثانویه نامیده می شود.
اساس کار ترانس
جریان متناوب از سیم پیچ اولیه عبور کرده و انرژی را به آن می رساند. این انرژی با تبدیل به میدان مغناطیسی به هسته منتقل می شود. در هسته، میدان مرتب تغییر مقدار می دهد. به این ترتیب در سیم پیچ ثانویه یک ولتاژ القا می شود. اگر در مدار سیم پیچ ثانویه یک مصرف کننده قرار داشته باشد، در این صورت در ثانویه جریانی جاری می شود و انرژی به مصرف کننده می رسد.
در اصل انرژی الکتریکی از سیم پیچ اولیه به وسیله هسته مغناطیسی به سیم پیچ ثانویه منتقل می شود. شکل زیر یک ترانس را نشان می دهد که برای نمایش شار قسمتی از هسته آن بریده شده است ولی در اصل مدار مغناطیسی هسته بسته است.
هسته ترانس
هسته ترانس ها از ورقه های مغناطیسی (دیناموبلش) یا فریت ساخته می شوند. هسته های ورقه ای خود در شکل های مختلف ساخته می شوند. از جمله می توان هسته های شکافدار ، نواری و نواری برش خورده را نام برد.
ورقه ورقه کردن هسته ها و یا استفاده از فریت به عنوان هسته، برای کاهش تلفات فوکو است. هسته ترانس ها باید تا حد ممکن دارای قابلیت نفوذ مغناطیسی خوب و قابلیت هدایت الکتریکی بد باشد. به همین دلیل هسته های فریتی فقط در صنعت مخابرات به کار می روند، زیرا در این صنعت به دلیل وجود فرکانس های بالا، تلفات فوکو در هسته زیاد می شود.
در ترانس های قدرت از هسته های مغناطیسی ورقه ورقه استفاده می شود. برای جلوگیری از لرزش صفحات و ایجاد صدا، ورقه ها باید کاملا به یکدیگر فشرده شوند. بستن ورقه ها به یکدیگر به وسیله پیچ یا خار و یا قابی که روی آنها پرس می شود، انجام می گیرد. این وسایل توسط مواد عایق الکتریکی و غیر مغناطیسی از ورقه ها جدا نگه داشته می شوند.
ترانس های ایده آل
ترانس های ایده آل به ترانس هایی گفته می شود که هیچ گونه تلفاتی نداشته باشند. به عبارت دیگر توان ورودی به سیم پیچ اولیه از منبع تغذیه بدون کم و کاست در خروجی سیم پیچ ثانویه ظاهر می شود. این حالت زمانی واقعیت خواهد داشت که شار مغناطیسی تولید شده تماما از هسته عبور کند، سیم پیچ های اولیه و ثانویه مقاومت اهمی و القایی نداشته باشند. ترانس ایده آل در عمل وجود ندارد ولی از آنجا که ترانس های واقعی به ایده آل خیلی نزدیک هستند جهت سادگی بررسی و انجام محاسبات مربوطه، ترانس را ایده آل فرض می کنند.
ترانسفورماتور های حقیقی ( واقعی)
در ترانسفورماتور واقعی مقداری از شار مغناطیسی مسیر خود را از طریق هوا می بندد و در القای متقابل نیروی محرکه شرکت نمی کند. زیرا این مقدار شار مغناطیسی اثر خود را به صورت کاهش ولتاژ (افت ولتاژ) نشان می دهد به آن شار پراکندگی و به افت ولتاژ ناشی از آن ولتاژ پراکندگی می گویند.
از طرف دیگر سیم پیچ اولیه و ثانویه عملا دارای مقاومت اهمی هستند. عبور جریان الکتریکی از این سیم پیچ ها، مقداری از انرژی ورودی را به انرژی حرارتی تبدیل می کند. این مقدار انرژی نیز در تولید نیروی محرکه ی القایی نقشی ندارد و به هدر می رود. انرژی تلف شده را تلفات مسی می گویند. مقداری از انرژی ورودی نیز در هسته آهنی به صورت تلفات هیسترزیس و فوکو از بین می رود که به تلفات هسته (تلفات آهنی) معروف است.
انواع ترانس های تک فاز
با توجه به کارآیی ترانس در جریان متناوب تک فاز، به گروه های زیر دسته بندی می شوند:
ترانس کاهنده
ترانس افزاینده
ترانس های یک به یک
ترانس ها با چند ورودی و خروجی
اتوترانس ها
ترانس کاهنده
اگر تعداد دور سیم پیچ ثانویه که به بار وصل می شود، کمتر از تعداد دور سیم پیچ اولیه باشد، که به منبع تغذیه وصل می شود، ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی خواهد شد. به این ترانس ها ، ترانس کاهنده می گویند. از این ترانس ها در مواقعی که، ولتاژ تغذیه مصرف کننده ها کم است، استفاده می شود. مانند دستگاه شارژ باطری ها و مدارهای فرمان با ولتاژ پایین.
با توجه به رابطه N1/N2= U1/U2= I1/I2 به سبب آنکه N1<N2 می باشد بنابراین I2>I1 و U2>U1 خواهد شد.
ترانس افزاینده
اگر تعداد دور سیم پیچ ثانویه ، بیشتر از تعداد دور سیم پیچ اولیه باشد ترانس را ترانس افزاینده می گویند. از این ترانس ها در مواقعی که ولتاژ تغذیه مصرف کننده ها بیشتر از ولتاژ شبکه باشد، استفاده می شود.
با توجه به رابطه N1/N2= U1/U2= I1/I2 چون N1>N2 می باشد بنابراین I1>I2 خواهد شد.
ترانس های یک به یک
در ترانس های یک به یک تعداد دور سیم پیچ اولیه و تعداد دور سیم پیچ ثانویه با هم برابر هستند. بدین علت ضریب تبدیل این ترانس ها برابر یک است. اگر در سیستم مصرفی، بخواهند، ارتباط الکتریکی مصرف کننده ها را برای مسائل حفاظتی از شبکه الکتریکی قطع کنند از ترانس های یک به یک استفاده می کنند. در این حالت مصرف کننده ها از طریق ارتباط مغناطیسی به شبکه متصل می شوند. اگر در طرف شبکه الکتریکی اتصال کوتاه یا نوسانات نا خواسته ایجاد شود، مصرف کننده هایی که با ترانس های یک به یک به شبکه وصل شده اند، از خطرات احتمالی، مصون خواهند ماند. به این نوع ارتباط اصطلاحا ایزوله کردن می گویند.
ترانس با چند ورودی و چند خروجی
تنوع استاندارد ولتاژ در کشورهای مختلف، ایجاب می کند هر کشور بر اساس ولتاژ استاندارد خودش، مصرف کننده های خود را تولید کند.برای آنکه بتوان از این مصرف کننده ها در سایر کشور ها نیز استفاده کرد، می توان از ترانس های چند ورودی و چند خروجی برای تغذیه آنها استفاده کرد.لازم به توضیح است که این نوع استفاده ها برای بارهای اهمی توصیه می شود و برای مصرف کننده های موتوری (گردنده) و مصرف کننده های خازنی و سلفی توصیه نمی شود مگر آنکه فرکانس شبکه های تغذیه یکی باشند. کاربرد دیگر ترانس های چند ورودی و چند خروجی، فراهم کردن امکان اتصال مصرف کننده هایی که ولتاژ نامی متفاوتی دارند به شبکه برق است. اگر یک شبکه الکتریکی با نوسانات ولتاژ بیشتری روبرو باشد با تغییر رنج ولتاژ ترانسفورماتورهای چند ورودی ، ولتاژ نامی مصرف کننده را می توان تهیه کرد.
اتوترانس
در اتوترانس ها ، بجای دو سیم پیچ از یک سیم پیچ استفاده می شود. بدین ترتیب از یک سیم پیچ در اتوترانس ها صرفه جویی می شود. در اتوترانس بین سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه علاوه بر ارتباط مغناطیسی، ارتباط الکتریکی نیز وجود دارد. قسمت زیاد انرژی از طریق ارتباط الکتریکی و قسمت کم از طریق الکترومغناطیس به بار منتقل می شود.از آنجایی که مقدار انتقال انرژی از طریق هسته کم است لذا وزن هسته به کار رفته در اتوترانس ها کم استو تلفات هسته نیز کم خواهد شد. با حذف یک سیم پیچ و کاهش وزن هسته چند ویژگی را به اتوترانس خواهد داد:
1-وزن اتوترانس در مقایسه با ترانس های مشابه سبکتر می شود.
2-تلفات مسی و تلفات آهنی کاهش می یابد.
3-هزینه ساخت اتوترانس کم می شود.
4-راندمان اتوترانس زیاد می شود.
به خاطر ویژگی های بالا اتوترانس ها را ترانس های تقریبا ایده آل و با صرفه می گویند.
در اتوترانس ها به سیم پیچ بین سیم پیچ اولیه و ثانویه سیم پیچ مشترک و به سیم پیچ خاص اولیه یا ثانویه، سیم پیچ سری می گویند. به سبب آنکه از سیم پیچ مشترک تفاضل جریان اولیه و ثانویه عبور می کند، می توان سطح مقطع این قسمتاز سیم پیچ را کمتر در نظر گرفت. اتوترانس ها مانند ترانس های معمولی به صورت افزاینده یا کاهنده طراحی می شوند.
ترانسفورماتور سه فاز
تولید صنعتی برق در نیروگاه ها به صورت سه فاز می باشد. انتقال و توزیع آن در مراکز مصرف نیز سه فاز است. در انتقال برای کاهش تلفات خطوط از ترانسفورماتور سه فاز افزاینده و در انتهای خطوط انتقال برای مصرف در ایستگاه های برق برای مصارف ، از ترانسفورماتور سه فاز کاهنده استفاده می شود. اغلب ترانسفورماتور سه فاز انتقال قدرت و پست های توزیع، به علت توان زیاد، روغنی هستند. توسط روغن و بدنه رادیاتوری (پره ای شکل) یا لوله ای، گرمای تولید شده در هسته و سیم پیچ ها، به خارج ترانسفورماتور هدایت می شود. بدین طریق از آسیب دیدن به سیم پیچ در اثر افزایش دما جلوگیری به عمل می آید.
روغن مصرف شده در ترانسفورماتور ها ضد آتش و عایق الکتریکی خوب می باشد. این ترانسفورماتور ها، در بالای مخزن روغن، یک منبع انبساط دارند. در مواقع افزایش حجم روغن، بر اثر افزایش دما، روغن در این ظرف جمع می شود و از انفجار مخزن جلوگیری می شود درنتیجه بین مخزن روغن و منبع انبساط یک وسیله حفاظتی به نام رله بوخهلتس قرار می دهند. این رله ترانسفورماتور را در مقابل سوختن هسته، اتصال فاز به بدنه، اتصال فاز به فاز، چکه کردن روغن و اتصال حلقه ها، محافظت می کند. در ترانسفورماتور های فشار قوی، اول سیم فشار ضعیف را در هسته نصب می کنند سپس سیم فشار قوی را بر روی سیم پیچ فشار ضعیف قرار می دهند.
ترانس اندازه گیری جریان
سیم پیچ اولیه این ترانس ها را ، شینه ها، باس بار یا سیم های انتقال شبکه تشکیل می دهند. سیم پیچ دوم بر روی هسته مغناطیسی که سیم پیچ اولیه از درون آن می گذرد، پیچیده می شود. میدان مغناطیسی ناشی از عبور جریان در اولیه، در سیم پیچ ثانویه جریان ضعیفی القا می کند و این جریان از آمپر متر معمولی عبور می کند. مقدار قرائت شده از آمپرمتر را در ضریب تبدیل ترانس ضرب می کنند و جریان عبوری از سیم های انتقال را بدست می آورند.
-
تعویض آمپرمتر معیوب
- برای تعویض آمپرمتر معیوب، ابتدا دو سر سیم پیچ ثانویه را اتصال کوتاه می دهند و آمپرمتر را با آمپرمتر سالم تعویض می کنند سپس مسیر اتصال را برای سنجش جریان باز می کنند. برای جلوگیری از تخریب جریان ها کئوروسیتیو یک طرف سیم ثانویه را اتصال زمین می دهند.
ترانس اندازه گیری ولتاژ
سیم پیچ اولیه ترانس اندازه گیری ولتاژ، با تعداد دور بیشتر به ولتاژ شبکه و سیم پیچ ثانویه با تعداد دور کمتر به ولت متر متصل می شود. ولتاژ شبکه از حاصل ضرب مقدار قرائت شده از ولت متر با ضریب تبدیل ترانس بدست می آید.
تشخیص سالم بودن سیم پیچ ها و عایق ترانس
سالم بودن سیم پیچ ترانس را به چند روش می توان تشخیص داد. یکی از روش ها شکل ظاهری سیم پیچ ترانس است، در ترانس سالم رنگ تمام قسمت های سیم یکنواخت و شفاف به نظر می آید.
در سیم پیچ های ناسالم، شکل ظاهری سیم پیچ ها در قسمت های مختلف رنگ یکنواخت را از دست می دهند یا رنگ سیم پیچ ها تیره و لاک سیم ها خشک و شکننده می شوند.
از روش های دیگر تشخیص سالم بودن سیم پیچ ها آزمایش ولتاژ گیری است در این روش ابتدا ولتاژ نامی را در طرف سیم پیچ قسمت فشار قوی برقرار می کنیم و بار نامی را به ترانس اتصال می دهیم. ولتاژ خروجی را اندازه گیری می کنیم اگر مقدار اندازه گیری شده برابر ولتاژ نامی طرف فشار ضعیف باشد سیم پیچ ها سالم هستند و اگر مقدار زیادی اختلاف داشته باشند به احتمال قوی در سیم پیچ ها اتصال حلقه رخ داده است. این تشخیص از طریق آزمایش اتصال کوتاه هم امکان پذیر است.
اگر مولفه های اهمی و القایی در آزمایش اتصال کوتاه تغییر کرده باشند احتمال اتصال حلقه وجود دارد.
منبع : کتاب ساخت ترانسفورماتور – مولف علی عراقی-دفتر تالیف کتاب های درسی فنی حرفه ای و کاردانش