ترانسفورماتورهای مدرن

 

مایک دیکینسون

ترانسفورماتورهای قدرت قلب شبکه های انتقال و توزیع می باشند و رقابت فزاینده بین تولیدکنندگان انرژی فشاری به سازندگان ترانسفورماتورها وارد می کند تا قابلیت اعتماد آنها را بیشتر کرده و قیمتشان را کاهش دهند.

ساخت ترانسفورماتورهای قدرت در اواخر قرن هجدهم امکان پذیرشد و توسعه یافت. از آن زمان تا به امروز مفاهیم اولیه ترانسفورماتورها همچنان ثابت مانده اند. به هرحال، تکنیکهای طراحی و ساخت آنها برای افزایش بازده و کاهش قیمتشان بهبود یافته اند.

چرا به طرح های جدیدتر برای ساخت ترانسفورماتورهای نیازمندیم؟

به همراه برتری طراحان و با توجه به هزینه های توسعه و تحقیق صرف شده، ترانسفورماتورهای مدرن بسیار کوچکتر و ارزانتر هستند و قادرند تا بازده قابل توجهی را با قیمت تمام شده کمتر انرژی ارائه کنند.

به ویژه برای کشورهایی مانند آمریکا، ترانسفورماتورهای مدرن می توانند نقشی اساسی در کاهش تلفات شبکه بازی کنند. این کشور تنها 4 درصد جمعیت جهان را در خود جای داده است اما 25درصد گازهای گلخانه ای جهان را تولید می کند. آمریکا بیش از 9200 نیروگاه دارد که بیشتر آنها کهنه و قدیمی می باشند و به دلیل بازده اندکشان نیاز است تا جایگزین شوند. از سال 1982 تا کنون ، رشد تقاضای برق در آمریکا سالانه 25 درصد بیش از شبکه های قدرت بوده است درحالیکه ترانسفورماتورهای موجود مقدار زیادی از انرژی الکتریکی تولید شده را هدر می دهند.

ترانسفورماتورهای بهتر و استفاده از فولادهای بهتر ،به عنوان هسته ترانسفورماتور، می تواند به صورتی مؤثر تلفات بی باری ترانسفورماتور را کاهش دهد که یکی از تلفات اصلی انرژی در ترانسفورماتورها می باشد. تلفات بی باری با جایگزینی فولاد با فلزات غیرمتبلور می تواند حتی کاهش بیشتری نیز در پی داشته باشد.

انواع طرح ها

طول عمر یک ترانسفورماتور به عواملی بستگی دارد که مهمترین آنها کیفیت عایق بندی ترانسفورماتور می باشد. دو چیز که عایقهای یک ترانسفورماتور را فرسوده می سازد عبارتند از رطوبت و حرارت بیش از حد. با توجه به این دو عامل، طرح های مدرن بر محافظت از عایق بندی ترانسفورماتور تکیه می کنند. بعضی از این طرح ها عبارتند از روش باز(Open method)، تانکهای درزگیری شده(Sealed Tank Design)، روش نگهدارنده(Conservator Type Design) و تنظیم خودکار فشار گاز(Automatic Gas Pressure Design).

گرایش به ترانسفورماتورهای مدرن

به همراه قیمت رو به رشد انرژی و فشار در جهت کاهش قیمت ترانسفورماتورها، در طرح های جدید بر تکنولوژی های ترکیبی برای رسیدن به تلفات کمتر تمرکز شده است. بیشتر ترانسفورماتورها زمانی به حداکثر بازده خود می رسند که با بار 100 درصد کار کنند. اما بار 100 درصد در شبکه یک فرض ایده آل است و در عمل بیشتر ترانسفورماتورها با باری بسیار کمتر از بار 100درصد کار می کنند. با تغییر بار، بازده ترانسفورماتور هم تغییر می کند. گفته می شود ترانسفورماتورهای جدید 30 تا 50 درصد بازده بیشتر دارند و تلفات آنها در بار 35 درصد 30 درصد کمتر از ترانسفورماتورهای سنتی است.

گرایش صنعت ترانسفورماتورها را به مسیری می راند که مزیت های بیشتری در بازده و هزینه صرفه جویی شده داشته باشند.

ترکیب کیسه هوا در منبع انبساط

ترانسفورماتورهای جدید با مخازن نگهدارنده از مخازن انبساط دارای کیسه هوا استفاده می کنند که رطوبت خارج شده از روغن ترانس را در هنگام تماس با هوا جذب می کند.

هوش مصنوعی در مراحل طراحی

بسیاری از ابزارهای جدید طراحی ترانسفورماتورها از تکنیکهای هوش مصنوعی در ترکیب با روش عناصر محدود(finite element method) بهره می گیرند. امروزه، هوش مصنوعی به صورتی گسترده برای مدلسازی غیرخطی و سیستمهای مقیاس بزرگ ، به ویژه هنگامی که روشهای ریاضی مرسوم در حل مسائل درمی مانند یا اصلا وجود ندارند، بکارگرفته می شوند. به علاوه، هوش مصنوعی در حل مسائل بهینه سازی بازده محاسباتی بالایی دارد. به عبارت دیگر، روش عناصر محدود ،به ویژه، ظرفیت دارد تا با مسائل هندسه مختلط سرو کله بزند و به جوابهایی با دقت و ثبات برسد.

عایقهای ابداعی

فرسودگی عایقها در اثر حرارت سبب کاهش استقامت عایقی و در نتیجه کاهش پایداری در برابر اتصال کوتاه می شود. عایقهای جدید دورگه حرارت بالا به هرحال می توانند تلرانس حرارتی عایق را بهبود بخشند، مقاومت مکانیکی را افزایش دهند و هزینه نگهداری و تعمیرات ترانسفورماتور را کاهش دهند. عایقهای دورگه شامل لایه هایی از کاغذ سلولزی و کاغذ آرامید هستند. روشهای بهبود دیگر که درجهان رایج شدند ،شامل کاهش تعداد مجراهای بین لایه ها و تقویت قاب ترانسفورماتور، توانایی مقاومت در برابر جریان اتصال کوتاه را بیشتر می کند. انتظار می رود تا قابلیت اعتماد و طول عمر بیشتر با بکارگیری عایقهای جدید در ترانسفورماتورها به دست آید و صرفه جویی بیشتری برای تأسیسات الکتریکی به همراه داشته باشد.

فواید طرح های جدید

برتری تدریجی و رشد یابنده طرح های نه تنها به خاطر نیازهای طبیعی بلکه به سادگی به دلیل بازده بیشتر این ترانسفورماتورها می باشد. فواید این طرح ها عبارتند از:

طول عمر بیشتر

هزینه کمتر انرژی به دلیل کاهش تلفات

کاهش تولید گازهای گلخانه ای

استفاده مناسبتر از انرژی، تولید بیشتر با انرژی کمتر

برای آگاهی بیشتر از این طرح ها می توانید به اینجا مراجعه کنید.

منبع: 

http://ezinearticles.com/?Modern-Transformer-Design&id=4679536 

مترجم رضاکیانی موحد

---

سوار کاری سریع وسبز

چگونه می توان خودرویی تولید کرد که هم قدرتمند باشد و هم آلودگی اندکی تولید کند؟ برای طراحان سوئیسی راین اسپید و آلمانی بایر ماتریال ساینس پاسخ این چنین است؛ رژیم و تمرین. این دو شرکت تیم مشترکی برای ساخت خودرو راین اسپید اکساسیس تشکیل دادها ند. این خودرو به یک موتور کم وزن ولی پرقدرت از نوع وبر با جحم 750 سی سی مجهز شده است.این موتور دو سیلندر بوده و بر روی بدنه ساخته شده از ماکرولون پلی کربنات نصب شده است.

نتیجه این کار مشترک خودروی با وزن 750 کیلوگرم و قدرت 150 اسب بخار است که می تواند به سرعت 210 کیلومتر در ساعت دست پیداکند و صفر تا 100 آن 5 ثانیه می باشد. سوخت این خودرو اتانول ئی.85 است که آلودگی زیست محیطی اندکی دارد. موتور اکساسیس در هر کیلومتر 20 گرم دی اکسید کربن تولید می کند که 10 برابر کمتر از یک خودرو معمولی متوسط است.

مدیر ارشد راین اسپید ،فرانک ام رایندرکنخت، می گوید: برای اینکه میزان دی اکسید کربن تولید شده کمتر شود باید وزن خودرو را پایین تر بیاوریم که چنین کاری بدون استفاده از پلاستیک های مدرن محال است. او اضافه می کند: خودروهای سبز در شرایطی که خودمان انها را نفی می کنیم ساخته نمی شوند. در مقابل، آنها باید مفرح باشند وگرنه خریداری پیدانخواهند کرد. اکساسیس سومین خودرو مفهومی مشترک این دو شرکت می باشد.

اورس وگنر ، طراح موتور که شریک وبر در توسعه موتورهایی می باشد، می افزاید: پیشرانه اکساسیس کوچک سازی در خالص ترین وجه آن است. ما نه تنها از سد موتورهای بزرگ گذشتیم بلکه سیلندرهای اضافی را نیز کنارگذاشتیم. چرا، چون در این صورت موتور کوچکتر ولی خواستنی تری داشتیم که بازده بالاتری داشت و حجم سیلندر آن بزرگتر بود.

دفتر انرژی فدرال سوئیس این خودرو را به منظور مطالعه در زمینه سازه های سبک و بوم شناسی انتخاب کردهاست. بر طبق آژانس انرژی سوئیس کاهش وزن خودرو بهترین راه برای کاهش مصرف سوخت است.

مترجم:رضاکیانی موحد

منبع

http://www.powermag.com/coal/Global-Monitor-April-2007_181_p2.html

عیب یابی کابلها و تشخیص محل عیب

امروزه برای تشخیص محل عیب کابلها روشهای پیشرفته زیادی وجود دارد. اما گاهی در کارگاه های دورافتاده امکانات اندکی وجود دارد و برقکار باید با همین امکانات سعی کند تا محل معیوب کابل را بیابد. روشهای ساده ای که در پایین معرفی می شوند با استفاده از میگر و چند قطعه سادی می توانند محل عیب را با تقریب تعیین کنند. اما قبل از اینکه محل عیب مشخص شود باید نوع عیب کابل مشخص گردد.

الف: برای تشخیص نقطه معیوب یک کابل و تعیین محل آن بدون خاکبرداری در ابتدا نیازمندیم که انواع عیب هایی که برای یک کابل ممکن است روی بدهد بشناسیم:

1-    اتصال کوتاه: وصل غیرمترقبه یک یا چند رشته کابل به همدیگر.

2-    اتصال زمین: وصل غیرمترقبه یک یا چند رشته کابل به زمین.

3-    پارگی: قطع غیرمترقبه یک یا چند رشته کابل.

ب: تشخیص نوع عیب و محل آن:

1-  اتصال کوتاه: برای تشخیص اتصال کوتاه در یک کابل باید از یک طرف به آن میگر وصل کرد و طرف دیگر کابل را بازگذاشت. اگر اتصال کوتاهی در خط نباشد میگر مقاومتی را نشان نمی دهد(مقدار بینهایت را نشان می دهد) ولی اگر اتصال کوتاهی در خط وجود داشته باشد میگر مقداری مقاومت نشان خواهد داد که بسته به فاصله سرکابل و محل عیب این مقاومت زیاد می شود.

 

برای تعیین محل عیب اتصال کوتاه باید دو سر کابل را بازکرد و از هر دو سر مقاومت را توسط میگر اندازه گرفت با استفاده از روابط زیر می توان فاصله محل اتصال کوتاه را از سر کابل تعیین کرد.

R1=k.lx

R2=k(l-lx)

lx=(R1/(R1+R2))l

 

2-اتصال زمین: برای تشخیص اتصال زمین باید هر کابل را جداگانه توسط میگر نسبت به زمین آزمایش کرد. اگر کابل از نقطه ای به زمین وصل شده باشد مقداری مقاومت نشان می دهد ولی اگر کابل اشکالی نداشته باشد میگر مقاومت بی نهایت را نشان خواهد داد.

 

برای تعیین محل عیب باید سرهای کابل به یک گالوانومتر یا میکروآمپرمتر حساس وصل کنیم

(سرهای AوB) و با وصل کردن یک مقاومت ثابت و یک مقاومت متغیر و وصل آنها به یک منبع مستقیم یک پل اندازه گیری بسازیم. دو انتهای کابل (سرهای CوD) نیز باید به یکدیگر متصل شوند. زمانی که گالوانومتر به حالت تعادل برسد(هیچ جریانی از آن عبور نکند) با استفاده از محاسبات زیر می توان فاصله محل عیب را تا سرکابل پیداکرد. برای به تعادل رسیدن گالوانومتر باید مقاومت متغیر را آنقدر تغییر داد تا هیچ جریانی از آن عبور نکند.

R1.Rx=R.R2

R1.klx=k(2×l-lx)R2

lx=(2×R2l)/(R1+R2)

 

3-پارگی: برای تشخیص پارگی در یک کابل بای انتهای سیم ها را به هم وصل کرد و با هم زمین کرد. بعد از سر دیگر به هر رشته به صورت جداگانه میگر وصل می کنیم و مقاومت بین آن سر و زمین را اندازه می گیریم. در صورت وجود پارگی میگر مقاومت بی نهایت را نشان خواهد داد.

 

برای تعیین محل پارگی بازهم باید یک پل اندازه گیری درست کنیم اما اینبار از یک منبع ولتاژ متناوب استفاده می کنیم تا بتوانیم با اندازه گیری خازن موجود در خط محل عیب را پیداکنیم. دستگاه اندازه گیری مورد نیاز نیز آمپرمتر A.Cخواهد بود. اگر پس از تنظیم مقاومت متغیر آمپرمتر هیچ جریانی را نشان نداد پل اندازه گیری به تعادل رسیده است و می توان با محاسبات زیر محل عیب را پیداکرد.

 

C1=k(l-lx)

C2=kl

Cx=klx

R1/Cx=R2/(C1+Cx)

R1/(klx)= R2/(k(2l-lx)

lx=2Rl/(R1+R2)

رضاکیانی موحد

آزمایش موتور فوق هادی نیروی دریایی آمریکا با بارکامل

شرکتهای "فوق هادی آمریکا"(AMSC) و "نورث روپ-گرومن" اعلام کردند که در ماه ژانویه 2009 یک آزمایش با بارکامل را بر روی اولین موتور الکتریکی مجهزشده به فوق هادی جهان را انجام دادند.

این موتور با قدرت 36.5 مگاوات از فوق هادی های مخصوص حرارت بالا high-temperature superconductor (HTS)استفاده می کند و به عنوان پیشرانه کشتی ها و زیردریایی نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا ساخته شده است. آزمایش مذکور بنا به اطلاعات سازندگان آن موفقیت آمیز بوده است.

آزمایش موتور الکتریکی جدید ، با قدرت 49000 اسب بخار، در یکی از آزمایشگاه های نیروی دریایی در فیلادلفیا صورت گرفته است. سیم پیچ های ساخته شده از مواد فوق هادی می توانند جریانی 150 برابر سیم پیچ های معمولی با سطح مقطه مشابه خود را عبور دهند. این تفاوت سبب شده تا موتور جدید (با توان خروجی برابر) حجمی کمتر از نصف موتورهای معمولی ،که بر روی دو بدنه اولیه شناورهای دی.دی.جی1000 نصب شدند، داشته باشد. نصب این موتور 200 تن از وزن شناور می کاهد و فضایی که در اثر استفاده از آن آزاد می شود را می توان برای نصب سایر تجهیزات و جنگ افزارها در نظر گرفت. صرفه جویی سوخت حاصل از این تغییرات در حدود 1 میلیون دلار تخمین زده می شود.

موتورهای اچ.تی.اس تحت یک مقاطعه بین "دفتر تحقیقات نیروی دریایی" و شرکتهای "فوق هادی آمریکا" و "نورث روپ گرومن" طراحی و توسعه یافته اند تا ارزش بی نظیر این تکنولوژی به عنوان پیشرانه شناورهای نظامی آینده آمریکا اثبات شود. این دو شرکت براساس یک موافقتنامه عادی تجاری همکاری می کنند که در طی آن شرکت "فوق هادی آمریکا" مسئول اصلی مرحله تحقیق و توسعه می باشد.

در سال 2008، نیروی دریایی این کشور با موفقیت یک سیستم اچ.تی.اس متفاوت ،با سیم پیچ های مغناطیس زدایی شده، را بر روی ناوشکن "یو.اس.اس هیگینز" نصب و آزمایش کرد. این موتور ، که از سیمها و سیم پیچهای ساخت شرکت "فوق هادی آمریکا" استفاده می کرد، باید یک آزمایش 2 ساله را در طی سفرهای دریایی "هیگینز" از سربگذراند. این موتورها نیز می توانند کاهش معنی داری در وزن شناورهای رزمی ایجادکنند.

دان مک گاهن ، معاون مدیر عامل "فوق هادی آمریکا" می گوید:" آزمایش موفقیت آمیز بار کامل موتور جدید ما فصل جدیدی را در تکنولوژی پیشرانه کشتی ها گشود. این موتور یک تغییر اساسی در اندازه، توانایی حرکت پنهان، پشتیبانی و بقاپذیری شناورهای ما ایجاد می کند و یک برتری آشکار در سالهای آتی به این نیرو می بخشد."

نیروی دریایی آمریکا تا کنون بیش از 100 میلیون دلار در راه توسعه موتورهای اچ.تی.اس هزینه کرده است. این موتورها را می توان در کشتی های تجاری، اقیانوس پیما یا تانکرها نیز بکارگرفت.

بر اساس محاسبات شرکت "فوق هادی آمریکا" موتورهای اچ.تی.اس می توانند همچنین برای نیروگاه های تولید برق با انرژی های جدید بکارگرفته شوند. انتظار می رود توربینهای بادی که از این تکنولوژی استفاده می کنند کوچکتر، سبکتر و کارآتر از سیستمهای فعلی باشند. این امر هزینه نیروگاه های بادی مخصوصا نیروگاه های فلات قاره ای را کمتر می کند.

تکنولوژی اچ.تی.اس امروزه توانایی های خود را در شبکه انتقال "لانگ ایسلند" نشان داده اند. این پروژه اولین کاربرد کابلهای فوق هادی در یک شبکه انتقال و در ولتاژ نامی شبکه بود. این خط 2000 فوتی با تجهیزات ویژه سرمازایی می تواند 5 برابر کابلهای معمولی مسی توان را انتقال دهد در حالیکه هیچ تلفات جدی را به خط تحمیل نمی کند. آن گونه که دفتر "انتقال و اعتماد انرژی الکتریکی" دپارتمانت انرژی ذکر می کند توسعه کابلهای فوق هادی زیرخاکی می تواند به صورت بالقوه ایجاد یک "شاهراه برقی" را در پی داشته باشد و این کابلها همان نقشی را بازی کنند که "فیبرهای نوری" در حوزه انتقال اطلاعات داشته اند.

مقایسه یک موتور با سیم پیچهای فوق هادی (سمت راست) با یک موتور معمولی به همان قدرت(سمت چپ)

مترجم: رضاکیانی موحد

منبع:

http://www.powermag.com/issues/departments/global_monitor/Superconductor-Motor-for-Navy-Passes-Full-Power-Test_1759.html