تحقیق مقاله ترانسفورماتور تکفاز و سه فاز

بخش اول : ترانس تکفاز

مقدمه

ترانسفورماتور یک وسیله الکترومغناطیسی ساکن است که می تواند انرژی جریان متناوب را از مداری به مدار دیگر فقط با حفظ اندازه فرکانس انتقال دهد و معمولاً به عنوان مبدل ولتاژ به کار می رود. یک ترانسفورماتور از دو سیم پیچ که بر روی یک هسته مغناطیسی ( مثلاً هوا یا آهن ) پیچیده شده اند، تشکیل می شود.

توجه : استفاده از هسته فرومغناطیسی به جای هسته هوا باعث افزایش چگالی شار ( B ) هسته می شود .

دو سیم پیچ از لحاظ الکتریکی جدا از هم ، ولی از لحاظ مغناطیسی توسط مسیری که دارای رلوکتانس ( مقاومت مغناطیسی ) کوچکی است به هم مرتبط می باشند.

اساس کارترانسفورماتور چنین است :

با عبور جریان متناوب از سیم پیچ اول ( اولیه )، در اطراف آن میدان مغناطیسی متناوبی ایجاد شده و از طریق هسته مسیر خود را می بندد و سیم پیچ دوم ( ثانویه ) را قطع می کند. بنابراین بر اساس قانون فاراده ولتاژی در سیم پیچ ثانویه القاء می شود که اگر مدار این سیم پیچ از طریق مصرف کننده ای بسته شود جریانی در آن جاری می شود، یعنی انرژی الکتریکی
( به صورت کاملاً مغناطیسی ) از سیم پیچ اول به دوم منتقل می شود.

تعریف : گاهی بدون توجه به اولیه یا ثانویه بودن سیم پیچ ها ، سیم پیچی که تعداد دورش بیشتر است و به مدار با ولتاژ زیاد وصل شده باشد سیم پیچ فشار قوی یا H.V ( High Voltage ) و سیم پیچی که تعداد دورش کمتر است و به مدار با ولتاژ پایین یا کم وصل شده سیم پیچ فشار ضعیف یا L.V یا B.T ( Low Voltage ) نامیده می شود.

تعریف : ترانسفورماتوری که در آن ولتاژ سیم پیچ ثانویه کمتر از ولتاژ اولیه باشد کاهنده و ترانسفورماتوری که در آن ولتاژ سیم پیچ ثانویه بیشتر از ولتاژ اولیه باشد افزاینده نامیده
می شود .

توجه : ترانس ها انواع مختلفی دارند که مهمترین آنها عبارتند از :

1 – ترانس های قدرت برای انتقال و توزیع انرژی الکتریکی

2 – ترانس های مخصوص جهت تغذیه کوره های الکتریکی و ترانس های جوشکاری

3 – ترانس های جریان و ولتاژ جهت انشعاب و اتصال وسایل اندازه گیری

4 – اتو ترانس ها برای داشتن ولتاژ قابل تنظیم و جهت راه اندازی موتورهای ac

5 – ترانس های آزمایش در آزمایشگاههای فشار قوی برای آزمایش عایق ها و روغن های ترانسفورماتور و . . .

ساختمان ترانسفورماتور تکفاز

یک ترانسفورماتور عملی از اجزاء زیر تشکیل شده است :

1 – هسته یا مدار مغناطیسی ،

2 – سیم پیچ های اولیه یا ثانویه ،

3 – ظرفی که هسته و سیم بندی در آن قرار گرفته ،

4 – ایزولاتور یا چینی عایق که توسط آن سر سیم پیچ ها به خارج هدایت می شود .

هسته :

برای غلبه بر تلفات ناشی از جریان های گردایی ( فوکو ) هسته به صورت ورقه ورقه ساخته می شود که جنس آنها را فولاد آلیاژ شده با سیلیکون ( سیلیس ) خوب می باشد که تلفات کم و ضریب نفوذ و چگالی شار زیادی دارد و بین ورقه ها از کاغذ یا لعاب یا قشر اکسید قرار گرفته تا از هم عایق شوند.

ضخامت ورقه ها از mm35/0 برای فرکانس Hz 50 تا mm5/0 برای فرکانس Hz25 تغییر
می کند.

جنس هسته می تواند از فریت باشد که ضریب نفوذ زیاد و قابلیت هدایت کم دارد و در صنعت مخابرات ( فرکانس های بالا ) به کار می رود.

انواع ترانس از نظر قرار گرفتن سیم پیچ ها روی هسته عبارتند از :

1 – ترانسفورماتور  نوع هسته ای ( Core ) یا ترانسفورماتور  هسته ستونی ،

2 – ترانسفورماتور  زرهی ( Shell )

در ترانسفورماتور  نوع هسته ای ، سیم پیچ ها روی دو شاخه یا دو پایه جانبی هسته پیچیده
می شوند و قسمت زیادی از محیط هسته را در بر می گیرند ( شکل های زیر ) .

در ترانسفورماتور  نوع زرهی ، سیم پیچ ها روی شاخه یا ستون وسط هسته پیچیده می شوند و هسته سیم بندی را در بر می گیرد ( شکل های زیر ) .

نکته : سطح مقطع هسته ترانسفورماتور  از روابط زیر محاسبه می شود :

PS1 توان ظاهری سیم پیچ اولیه ، f فرکانس شبکه ، Bm چگالی شار هسته  و N1I1 آمپر دور سیم پیچ اولیه است. در این رابطه AFe سطح مقطع پایه وسط در ترانس های زرهی و سطح مقطع هر یک از پایه ها در ترانس های هسته ای است.

2/1 ~ 8/0 : k ,  : رابطه تجربی سطح مقطع هسته

AFe سطح مقطع خالص آهن بر حسب Cm2 و PS توان ظاهری سیم پیچ اولیه یا ثانویه ( بر حسب V.A ) و ضریب k به جنس هسته ( منحنی مغناطیسی هسته ) و چگالی شار هسته بستگی دارد (  K در ترانسهای کوچک 2/1 و در ترانسهای قدرت 8/0 انتخاب می شود ) که مقدار K برای ترانسهای معمولی 2/1 انتخاب می شود یعنی :

2/1 = AFe یا SFe

توجه : گاهی سطح مقطع هسته با آهن و عایق های آن در نظر گرفته می شود ( A’Fe ) :

توجه : معمولاً ترانسفورماتور های هسته ستونی از ورق هایی به شکل L و ترانسفورماتور های زرهی از ورقه هایی به شکل E تهیه می شوند.

سیم پیچ ها :

جنس آنها معمولاً از مس و گاهی آلومینیم است و دارای مقطع گرد و اندازه های استاندارد می باشند و عایق لاکی دارند.

نکته : قطر سیم پیچ ها از رابطه 13/1 = =d به دست می آید که در آن A سطح مقطع سیم ها می باشد و از رابطه  محاسبه می شود. ( I جریان و J چگالی جریان است که از جدول های مربوطه اختیار می شود ) .

نکته : تعداد دور سیم پیچ ها از رابطه زیر محاسبه می شود ( مثلاً اولیه ) :

که n دور بر ولت نام دارد و  می باشد.

ترانسفورماتور  ایده آل ( تکفاز )

ترانسفورماتور  ایده آل دارای ویژگی های زیر می باشد :

1 – تلفات هسته ( تلفات هیسترزیس و فوکو ) در آن صفر است.

2 – ضریب نفوذ مغناطیسی هسته آن بسیار زیاد ( بی نهایت ) است ( Im=0 است ) و منحنی مغناطیسی هسته آن خطی می باشد.

3 – شارژ پراکندگی ( نشتی ) آن صفر است یعنی تمام فوران های ایجاد شده به وسیله سیم مسیر خود را از طریق هسته می بندند و در فضا پراکنده نمی شوند.

4 – مقاومت سیم پیچ های آن صفر است.

رابطه ترانسفورماتور  ایده آل به صورت زیر است :

A را نسبت تبدیل ترانس می گویند و با N یا t یا k نشان می دهند.

 یا mmf نیروی محرکه مغناطیسی خالص هسته

یعنی mmf ( نیروی محرکه مغناطیسی ) جهت برقراری شار در هسته ترانس ایده آل صفر است ( به دلیل ضریب نفوذ بی نهایت ) .

توجه : در ترانسفورماتور  ایده آل تلفات توان صفر است یعنی توانهای ورودی و خروجی برابرند:

نکته : در ترانسفورماتور های افزاینده و کاهنده داریم :

نکته : با توجه به این مطالب می توان گفت :

در ترانس افزاینده ، سیم پیچ اولیه فشار ضعیف و ثانویه قوی است و در ترانس کاهنده ، سیم پیچ اولیه فشار قوی ثانویه فشار ضعیف است.

توجه : در یک ترانسفورماتور  ایده آل مقدار موثر ولتاژها در حالت بی باری از روابط زیر محاسبه می شوند : 

(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی قابل مشاهده است )