مطالب آموزشی مهندسی

چكيده :

ترانسفورماتورها را با توجه به كاربرد و خصوصيات آنها مي‌توان به سه دسته كوچك، متوسط و بزرگ دسته‌بندي كرد. ساختمان ترانسفورماتورهاي بزرگ و متوسط به‌دليل مسائل حفاظتي و عايق‌بندي و امكانات موجود، نسبت به انواع كوچك آن پيچيده‌تر است. براي كم كردن تلفات آهني هسته‌ ترانسفورماتور را نمي‌توان به‌طور يكپارچه ساخت. بلكه معمولاً آنها را از ورقه‌هاي نازك فلزي كه نسبت به يكديگر عايق هستند، مي‌سازند. در ترانسفورماتورهاي پرقدرت از هادي‌هاي مسي كه به‌صورت تسمه هستند استفاده مي‌شوند و ابعاد اين گونه هادي‌ها نيز استاندارد است.

مقدمه :

اهميت ترانسفورماتورها در صنعت برق و شبكه‌هاي صنعتي، بركسي پوشيده نيست. امروزه يكي از ملزومات اساسي در انتقال و توزيع الكتريكي در جهان ترانسفورماتورها، مي‌باشند. ترانسفورماتورها در اندازه‌ها و توان‌هاي مختلفي جهت تغيير سطح ولتاژ الكتريكي به‌منظور كاهش تلفات ولتاژ در فرآيند انتقال و توزيع انرژي الكتريكي به‌كار مي‌روند. در صنعت سيمان، به‌عنوان يكي از مصرف كننده‌هاي بزرگ برق و استفاده از سطوح ولتاژ مختلف در آن، استفاده از ترانسفورماتورها يكي از اركان اجتناب‌ناپذير مي‌باشد.

شرح و توصيف :

ساختمان ترانسفورماتور :

ترانسفورماتورها را با توجه به كاربرد و خصوصيات آنها مي‌توان به سه دسته كوچك، متوسط و بزرگ دسته‌بندي كرد. ساختمان ترانسفورماتور هاي بزرگ و متوسط به‌دليل مسائل حفاظتي و عايق‌بندي و امكانات موجود، نسبت به انواع كوچك آن پيچيده‌تر است. اجزاء تشكيل دهنده يك ترانسفورماتور به شرح زير است:

هسته‌ ترانسفورماتور :

هسته ترانسفورماتور متشكل از ورقه‌هاي نازكي است كه سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتور ها محاسبه مي‌شود. براي كم كردن تلفات آهني هسته‌ ترانسفورماتور را نمي‌توان به‌طور يكپارچه ساخت. بلكه معمولاً آنها را از ورقه‌هاي نازك فلزي كه نسبت به يكديگر عايق هستند، مي‌سازند اين ورقه‌ها از آهن بدون پسماند با آلياژي از سيليسيم (حداكثر ۴.۵ درصد) كه داراي قابليت هدايت الكتريكي و قابليت هدايت مغناطيسي زيادي است ساخته مي‌شوند . زياد بودن مقدار سيليسيم، باعث شكننده شدن ورق‌ها مي‌شود. براي عايق كردن ورق‌هاي ترانسفورماتور ، در گذشته از يك كاغذ نازك مخصوص كه در يك سمت اين ورقه چسبانده مي‌شد، استفاده مي‌كردند، اما امروز در هنگام ساختن و نورد اين ورقه‌ها يك لايه نازك اكسيد فسفات يا سيليكات به ضخامت ۲ تا ۲۰ ميكرون به‌عنوان عايق بر روي آنها ماليده مي‌شود، كه باعث پوشاندن روي ورقه‌ها مي‌گردد. علاوه بر اين، از لاك مخصوصي نيز براي عايق كردن يك طرف ورقه‌ها استفاده مي‌شود. تمامي ورقه‌هاي ترانسفورماتور داراي يك لايه عايق هستند. در هنگام محاسبه سطح مقطع هسته بايد سطح آهن خالص را منظور كرد. ورقه‌هاي ترانسفورماتورها را به ضخامت‌هاي 35/0 و 5/0 ميليمتر و در اندازه‌هاي استاندارد مي‌سازند. بايد دقت كرد كه سطح عايق شده‌ٔ ورقه‌هاي ترانسفورماتور همگي در يك جهت باشند ( مثلاً همه به طرف بالا ) علاوه بر اين تا حد امكان نبايد در داخل قرقره فضاي خالي باقي بماند. لازم به ذكر است ورقه‌ها با فشار داخل قرقره جاي بگيرند تا از ارتعاش و صدا كردن آنها نيز جلوگيري شود.

سيم پيچ‌ ترانسفورماتور :

معمولاً براي سيم‌پيچ اوليه و ثانويه ترانسفورماتور از هادي‌هاي مسي با عايق (روپوش) لاكي استفاده مي‌كنند، كه با سطح مقطع گرد و اندازه‌هاي استاندارد وجود دارند و با قطر آنها مشخص مي‌شوند. در ترانسفورماتورهاي پرقدرت از هادي‌هاي مسي كه به‌صورت تسمه هستند استفاده مي‌شوند و ابعاد اين گونه هادي‌ها نيز استاندارد است.
سيم پيچي ترانسفورماتور به اين ترتيب است كه سر سيم‌پيچ ‌ها را به‌وسيله روكش عايق‌ها از سوراخ‌هاي قرقره خارج مي‌كنند، تا بدين ترتيب سيم‌ها، قطع (خصوصاً در سيم‌هاي نازك و لايه‌هاي اول) يا زخمي نشوند، علاوه بر اين بهتر است رنگ روكش‌ها نيز متفاوت باشد تا در ترانسفورماتورهاي داراي چندين سيم پيچ، به‌راحت بتوان سر هم سيم‌پيچ را مشخص كرد. بعد از اتمام سيم‌پيچي يا تعمير سيم‌پيچ‌ها ترانسفورماتور بايد آنها را با ولتاژهاي نامي خودشان براي كنترل و كسب اطمينان از سالم بودن عايق بدنه و سيم‌پيچ‌هاي اوليه و ثانويه آزمايش كرد.

قرقره‌ ترانسفورماتور :

براي حفاظت و نگهداري از سيم پيچ‌هاي ترانسفورماتور خصوصاً در ترانسفورماتورهاي كوچك بايد از قرقره استفاده نمود. جنس قرقره بايد از مواد عايق باشد. قرقره معمولاً از كاغذ عايق سخت، فيبرهاي استخواني يا مواد ترموپلاستيك مي‌سازند. قره‌قره‌هائي كه از جنس ترموپلاستيك هستند، معمولاً يك تكه ساخته مي‌شوند ولي براي ساختن قرقره‌هاي ديگر آنها را در چند قطعه تهيه و سپس بر روي همديگر سوار مي‌كنند. بر روي ديواره‌هاي قرقره بايد سوراخ يا شكافي ايجاد كرد تا سر سيم‌پيچ از آنها خارج شود.
اندازه قرقره بايد با اندازهٔ ورقه‌هاي ترانسفورماتور متناسب باشد و سيم‌پيچ نيز طوري بر روي آن پيچيده شود، كه از لبه‌هاي قرقره مقداري پائين‌تر قرار گيرد تا هنگام جا زدن ورقه‌هاي ترانسفورماتور، لايه‌ٔ روئي سيم پيچ صدمه نبيند. اندازه قرقره‌هاي ترانسفورماتورها نيز استاندارد هستند، اما در تمام موارد، با توجه به نياز، قرقره مناسب را مي‌توان طراحي كرد.

شكل 1- نمايي از يك ترانسفورماتور

ساخت ترانسفورماتورهاي فشار قوي فاقد روغن، در طول عمر يكصد ساله ترانسفورماتورها، يك انقلاب محسوب مي‌شود. ايده استفاده از كابل با عايق پليمر پلي‌اتيلن، به‌جاي هادي‌هاي مسي داراي عايق كاغذي از ذهن يك محقق سوئدي به نام پرفسور ”Mats lijon“ تراوش كرده است.
تكنولوژي استفاده از كابل به‌جاي هادي‌هادي مسي داراي عايق كاغذي، نخستين بار در سال ۱۹۹۸ در يك ژنراتور فشار قوي به‌نام ”Power Former“ به‌كار گرفته شد. در اين ژنراتور بر خلاف سابق كه از هادي‌هاي شمشي (مستطيلي) در سيم‌پيچي استاتور استفاده مي‌شد، از هادي‌هاي گرد استفاده شده است. همان‌طور كه از معادلات ماكسول استنباط مي‌شود، هادي‌هاي سيلندري، توزيع ميدان‌الكتريكي متقارني دارند. بر اين اساس ژنراتوري مي‌توان ساخت كه برق را با سطح ولتاژ شبكه توليد كند به‌طوري كه نياز به ترانسفورماتور افزاينده نباشد. در نتيجه اين كار، تلفات الكتريكي به ميزان ۳۰ درصد كاهش مي‌يابد.
در يك كابل پليمري فشار قوي، ميدان الكتريكي در داخل كابل باقي مي‌ماند و سطح كابل داراي پتانسيل زمين مي‌باشد. در عين حال ميدان مغناطيسي لازم براي كار ترانسفورماتور تحت تأثير عايق كابل قرار نمي‌گيرد. در يك ترانسفورماتور خشك، با استفاده از تكنولوژي كابل، امكانات تازه‌اي براي بهينه كردن طراحي ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي، نيروهاي مكانيكي و تنش‌هاي گرمائي فراهم كرده است.
در فرآيند تحقيقات و ساخت ترانسفورماتور خشك، در مرحله نخست يك ترانسفورماتور آزمايشي تك فاز با ظرفيت ۱۰ مگا ولت‌آمپر (Dry former)، طراحي، ساخته و آزمايش گرديد.
”Dry former“ اكنون در سطح ولتاژهاي از ۳۶ تا ۱۴۵ كيلوولت و ظرفيت تا ۱۵۰ مگاولت آمپر وجود دارد.

ويژگي‌هاي ترانسفورماتورهاي خشك :

با پيشرفت تكنولوژي امكان ساخت ترانسفورماتورهاي خشك با بازدهي بالا فراهم شده است.
ترانسفورماتور خشك داراي ويژگي‌هاي منحصر به فردي است از جمله:

۱) به روغن براي خنك شدن، يا به‌عنوان عايق الكتريكي نياز ندارد. سازگاري اين نوع ترانسفورماتور با طبيعت و محيط زيست يكي از مهمترين ويژگي‌هاي مهم آن است. به‌دليل عدم وجود روغن، خطر آلودگي خاك و منابع آب زيرزميني و همچنين احتراق و خطر آتش‌سوزي كم مي‌شود.
با حذف روغن و كنترل ميدان‌هاي الكتريكي كه در نتيجه آن خطر ترانسفورماتور از نظر ايمني افراد و محيط زيست كاهش يافته است. امكانات تازه‌اي را از نظر محل نصب ترانسفورماتور فراهم كرده است. به اين ترتيب امكان نصب ترانسفورماتور خشك در نقاط شهري و جاهائي كه از نظر زيست محيطي حساس هستند، وجود دارد.

۲) در ترانسفورماتور خشك به‌جاي بوشينگ چيني در قسمت‌هاي انتهائي از عايق سيليكن را بر (Silicon rubber) استفاده مي‌شود. به اين ترتيب خطر ترك خوردن چيني بوشينگ و نشت بخار روغن از بين مي‌رود.

۳) كاهش مواد قابل اشتعال، نياز به تجهيزات گسترده آتش‌نشاني را كاهش مي‌دهد. بنابراين از اين دستگاه‌ها در محيط‌هاي سرپوشيده و نواحي سرپوشيده شهري نيز مي‌توان استفاده كرد.

۴) با حذف روغن در ترانسفورماتور خشك، نياز به تانك‌هاي روغن، سنجه سطح روغن، آلارم گاز و ترمومتر روغن كاملاً از بين مي‌رود. بنابراين كار نصب آسان‌تر شده و تنها شامل اتصال كابل‌ها و نصب تجهيزات خنك كننده خواهد بود.

۵) از ديگر ويژگي‌هاي ترانسفورماتور خشك، كاهش تلفات الكتريكي است. يكي از راه‌هاي كاهش تلفات و بهينه كردن طراحي ترانسفورماتور، نزديك كردن ترانسفورماتور به محل مصرف انرژي تا حد ممكن است تا از مزاياي انتقال نيرو به قدر كافي بهره‌برداري شود. با به‌كارگيري ترانسفورماتور خشك اين امر امكان‌پذير است.

۶) اگر در پست، مشكل برق پيش آيد، خطري متوجه عايق ترانسفورماتور نمي‌شود. زيرا منبع اصلي گرما يعني تلفات در آن توليد نمي‌شود. به‌علاوه چون هوا واسطه خنك شدن است و هوا هم مرتب تعويض و جابه‌جا مي‌شود، مشكلي از بابت خنك شدن ترانسفورماتور بروز نمي‌كند.

هارمونيك‌هاي توليد شده توسط بارهاي غير خطي مي‌توانند مشكلات حرارتي و گرمائي خطرناكي را در ترانسفورماتور هاي توزيع استاندارد ايجاد نمايند. حتي اگر توان بار خيلي كمتر از مقدار نامي آن باشد، هارمونيك‌ها مي‌توانند باعث گرماي بيش از حد و صدمه ديدن ترانسفورماتورها شوند. جريان‌هاي هارمونيكي تلفات فوكو را به شدت افزايش مي‌دهند. به‌همين دليل سازنده‌ها، ترانسفورماتور هاي تنومندي را ساخته‌اند تا اينكه بتوانند تلفات اضافي ناشي از هارمونيك‌ها را تحمل كنند. سازنده‌ها براي رعايت استاندارد يك روش سنجش ظرفيت، به‌نام عامل K را ابداع كرده‌اند. عامل K نشان دهنده مقدار افزايش در تلفات فوكو است. بنابراين ترانسفورماتور عامل K مي‌تواند باري به اندازه ظرفيت نامي ترانسفورماتور را تغذيه نمايد مشروط بر اينكه عامل K بار غير خطي تغذيه شده برابر با عامل K ترانسفورماتور باشد. مقادير استاندارد عامل K برابر با ۴، ۹، ۱۳، ۲۰، ۳۰، ۴۰، ۵۰ مي‌باشند. اين نوع ترانسفورماتورها عملاً هارمونيك را از بين نبرده تنها نسبت به آن مقاوم مي‌باشند.
ترانسفورماتور ( HMT  ( Harmonic Mitigating Transformer  نوع ديگري از ترانسفورماتورهاي سازگار با هارمونيك ترانسفورماتورهاي HMT هستند كه از صاف شدن بالاي موج ولتاژ به واسطه بريده شدن آن جلوگيري مي‌كند ، HMT طوري ساخته شده است كه اعوجاج ولتاژ سيستم و اثرات حرارتي ناشي از جريان‌هاي هارمونيك را كاهش مي‌دهد. HMT اين كار از طريق حذف فلوها و جريان‌هاي هارمونيكي ايجاد شده توسط بار در سيم پيچي‌هاي ترانسفورماتور انجام مي‌دهد. چنانچه شبكه‌هاي توزيع نيروي برق مجهز به ترانسفورماتورهاي HMT گردند مي‌توانند همه نوع بارهاي غير خطي ( با هر درجه از غير خطي بودن ) را بدون اينكه پيامدهاي منفي داشته باشند، تغذيه نمايند. به همين دليل در اماكني كه بارهاي غير خطي زياد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT به صورت گسترده استفاده مي‌شود.

مزاياي ترانسفورماتور HMT :

مي‌توان از عبور جريان مؤلفه صفر هارمونيك‌ها (شامل هارمونيك‌هاي سوم، نهم و پانزدهم) در سيم پيچ‌ اوليه، از طريق حذف فلوي آنها در سيم پيچي‌هاي ثانويه جلوگيري كرد.
ترانسفورماتورهاي HMT با يك خروجي در دو مدل با شيفت فازي متفاوت ساخته مي‌شوند. وقتي كه هر دو مدل با هم به‌كار مي‌روند، مي‌توانند جريان‌هاي هارمونيك پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در قسمت‌ جلوئي شبكه حذف كنند.
ترانسفورماتورهاي HMT با دو خروجي مي‌توانند مؤلفه متعادل جريان‌هاي هارمونيك پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را در داخل سيم پيچي‌هاي ثانويه حذف كنند.
ترانسفورماتورهاي HMT با سه خروجي مي‌توانند مؤلفه‌ متعادل جريان‌هاي هارمونيك پنجم، هفتم، يازدهم و سيزدهم را در داخل سيم پيچي ثانويه حذف كنند.
كاهش جريان‌هاي هارمونيكي در سيم‌پيچي‌هاي اوليه HMT باعث كاهش افت ولتاژهاي هارمونيكي و اعوجاج مربوطه مي‌شود. كاهش تلفات توان به‌علت كاهش جريان‌هاي هارمونيكي به‌عبارت ديگر ترانسفورماتور HMT باعث ايجاد اعوجاج ولتاژ خيلي كمتري در مقايسه با ترانسفورماتورهاي معمولي يا ترانسفورماتور عامل K مي‌شود.