روشهای خنک سازی ترانسفورماتورها

یکی از مشخصه های انواع ترانسفورماتورها -فارغ از ابعاد، نوع یا ساختار آنها- این است که زمانی که برقدار می شوند دارای تلفات انرژی هستند.

قسمتی از این تلفات مربوط به مدارات مغناطیسی و هسته (تلفات آهنی) آنها و قسمتی هم تلفات مسی در زمان  بارگیری ترانسفورماتور می باشند. هر دو این تلفات خود را به صورت تلفات حرارتی ظاهر می کنند و حرارت هم البته یکی از دشمنان اصلی عایقهای بکارگرفته شده در تأسیسات الکتریکی است. از این رو، یکی از وظایف اصلی طراحان ترانسفورماتورها پراکنده کردن این تلفات فزون یابنده و در نتیجه اطمینان از طول عمر طولانی عایقهای موجود در تجهیز است.

برای ترانسفورماتورهای خنک شونده با هوا این امر با تهویه مناسب و ایجاد سوراخهای خنک کاری در هسته انجام می پذیرد. جایی که جریان کافی هوا وجود نداشته باشد، از چند پنکه برای افزایش انتقال حرارت از هسته و سیم پیچها استفاده می شود.

برای ترانسفورماتورهایی که با مایع خنک می شوند نیز وضعیت مشابه است. سوراخ های خنک کاری موجود در هسته باید در تعداد و اندازه مناسب تعبیه شوند تا اجازه دهند که جریان سیال از درون هسته عبور کرده و آن را خنک کند. این سیال می تواند به سادگی توسط همرفت جابجا شود یا می توان از روش "خنک کاری اجباری" توسط پمپ بهره گرفت. به علاوه، سطح خارجی مخزن باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا انتقال حرارت با روشهای رسانایی، همرفت و تشعشع به سادگی صورت پذیرد. هرچه ابعاد ترانسفورماتور بزرگتر باشد، دفع حرارت از سطح مخزن نابسنده تر می شود و به ناچار باید از پره های اضافی رادیاتور برای افزایش سطح موثر مخزن استفاده کرد. برای حداکثر کردن این فرایند می تواند از پنکه های خنک کننده برای خنک کردن رادیاتورها نیز بهره گرفت.

اما کارخانه های سازنده ترانسفورماتور اطلاعات مربوط به سیستم خنک کاری را چگونه بر روی آن درج می کنند؟ برای ترانسفورماتورهای خشک -که با هوا خنک می شوند- استاندارد 57.12.01 ANSI/IEEE C می گوید:

1.     تهویه خودبه خودی: کلاس AA

2.     تهویه هوا با فن : کلاس AFA

3.     تهویه خود به خودی/ فن: کلاس AA/FA

4.     بدون تهویه خود به خودی: کلاس ANV

5.     تهویه خود به خودی نشت بندی شده: کلاس GA

ترانسفورماتورهای روغنی چند گزینه بیشتر برای خنک کاری ارائه می کنند. استاندارد  57.12.00 ANSI/IEEE C برای مشخص کردن سیستم خنک کاری این گونه ترانسفورماتورها یک روش 4 حرفی ارائه می کند. حرف اول نشان دهنده سیستم خنک کاری داخلی است:

O: روغن صنعتی با نقطه اشتعال کمتر از 300 درجه

K: روغن مخصوص با نقطه اشتعال بیش از 300 درجه

L: روغن مخصوص با نقطه اشتعال غیرقابل اندازه گیری

حرف دوم نشان دهنده یکی از حالتهای زیر است:

N: همرفت طبیعی سیال از میان سیم پیچها و هسته

F: همرفت اجباری به وسیله پمپ

D: همرفت اجباری جهت داده شده به وسیله تجهیزات خنک کاری و پمپ

حرف سوم نشان دهنده ماده بکارگرفته شده در سیستم خنک کاری خارجی است:

A: آب

W: هوا

و  چهارم روش خنک کاری خارجی را بیان می کند:

N: همرفت طبیعی

F: همرفت اجباری

برای مثال ONAN نشان دهنده یک ترانسفورماتور با خنک کننده روغن است که روغن آن به صورت همرفت طبیعی خنک می شود. سطح مخزن روغن به وسیله هوا و آن هم به وسیله همرفت طبیعی خنک می شود. اگر این ترانسفورماتور را به پنکه های خارجی برای خنک کاری سطح مخزن روغن مجهز کنید از نشانگر ONAF استفاده می کنیم.

ترانسفورماتوری که در وضعیت عادی از خنک کاری طبیعی در روغن و هوا استفاده می کند ولی می تواند با در هنگام اضافه شدن بار یا گرم شدن روغن از پنکه نیز استفاده کند با نشانگر ONAN/ONAF مشخص می شود.

ترانسفورماتور با روغن خنک کننده مخصوص که در حرارت بالا مشتعل می شود و خنک کاری آن به صورت طبیعی است با حروف KNAN و همان ترانسفورماتور اگر به پنکه هوا مجهز باشد با حروف KNAF نشان داده می شود.

مایک دیکینسون 

مترجم:رضاکیانی موحد 

منبع :

http://ezinearticles.com/?ONAN-Or-ONAF,-What-Is-the-Difference?&id=5229489

ترانسفورماتور گردنده متغیر تفاضلی یاRVDT

ترانسفورماتور گردنده متغیر تفاضلی[1] گونه ای از ترانسفورماتورهای الکتریکی است که برای اندازه گیری جابجایی های زاویه ای بکار می رود. به صورت دقیق تر یک RVDT عبارت است از یک ترانسدیوسر الکترومکانیکی که یک خروجی متناوب ایجاد می کند. ولتاژ خروجی به صورت خطی با زوایه جابجایی محور ورودی متناسب است. هنگامی که RVDT با استفاده از یک منبع ثابت متناوب تغذیه شود سیگنال خروجی در حدود یک بازه مشخص با زاویه جابجایی محور نسبت خطی دارد.

RVDT از یک ماشین الکتریکی بدون ذغال و بدون اتصال استفاده می کند تا عمر طولانی تر و قابلیت اعتماد بیشتری داشته باشد و قادر به موقعیت یابی تکرارپذیر باشد. این قابلیت اعتماد و تکرارپذیری، موقعیت یابی دقیق تحت شرایط کاری سخت را تضمین می کند.

بیشتر RVDT ها از سیم پیچ ها، استاتور ورقه ورقه و روتور دو قطبی قطب برجسته تشکیل می شوند. استاتور دارای چهار شکاف می باشد و دو سیم پیچ اولیه و دو سیم پیچ ثانویه را در خود جای می دهد. در بعضی موارد سیم پیچ های ثانویه را به هم متصل می کنند. 

  

عملکرد RVDT

ولتاژهای القا شده در سیم پیچ های ثانویه -یعنی V1 و V2- نسبت به زوایه مکانیکی روتور دارای اختلافی خطی هستند. پس θ : 

G همان گین یا حساسیت است. V2 را می توان به دست آورد: 

تفاضل بین V1 و V2 ولتاژ متناسب را به دست می دهد: 

و مجموع ولتاژها مقداری ثابت است: 

این مقدار ثابت -در زمان اندازه گیری زاویه- به RVDT پایداری زیادی می دهد چرا که این مقدار از ولتاژ ورودی، فرکانس یا حرارت مستقل است و قادر است تا خطاها را آشکار سازد.

استفاده از معادلات ریاضی بالا در یک قالب تئوری سبب می شود تا کارکرد RVDT را بتوان به صورت زیر توضیح داد:

ساختار و عملکرد اساسی یک RVDT به وسیله چرخش یک هسته آهنی (روتور) در درون یک استاتور فراهم می شود. محل نصب روتور از فولادضدزنگ ساخته می شود. استاتور شامل سیم پیچهای اولیه (تحریک) و یک جفت سیم پیچ ثانویه (خروجی) است. یک جریان متناوب ثابت به سیم پیچ اولیه اعمال می شود که این جریان به صورت الکترومکانیکی با ثانویه کوپل می شود. این کوپلینگ با زوایه محور ورودی متناسب است. سیم پیچ های ثانویه به گونه ای طراحی شده اند که زمانی که یکی از آنها همفاز با اولیه است سیم پیچ دیگر 180 درجه با اولیه اختلاف فاز داشته باشد. هنگامی که روتور در موقعیتی باشد که شار موجود را به صورت مساوی بین دو سیم پیچ ثانویه تقسیم کند ولتاژ خروجی صفر می شود. این نقطه را نقطه صفر الکتریکی یا E.Z می نامند. هنگامی که محور نسبت به E.Z جابجا می شود ولتاژ خروجی دارای مقدار و زاویه فاز متناسب با جهت چرخش می شود. به دلیل اینکه RVDT اساسا مانند یک ترانسفورماتور عمل می کند ولتاژ اولیه با نسبت تبدیل ثابت به ثانویه منتقل می شود.  

  

از آنجا که بیشتر RVDTها سیگنال رابه عنوان تابعی از یک نسبت تبدیل اندازه گیری می کنند، تغییرات ولتاژ تغذیه تا 7.5 درصد نوعا بر روی دقت آن تأثیر نمی گذارد و نیاز به یک ولتاژ رگولاتر دقیق ندارند. برای داشتن دقت کافی باید فرکانس ولتاژ ورودی را بین ±1درصد فرکانس اصلی کنترل کرد.

اگرچه RVDT به صورت نظری می تواند بین زوایه ±45° عمل کند اما فراتر از ±35° از دقت آن به سرعت کاسته میشود. بنابر این آن را بیشتر در زوایای ±30° بکار و حداکثر ±40°می برند. نمونه های دقیقتری هم ساخته شده اند که می توانند تا زوایه ±60° به درستی عمل کنند.

مزایای RVDT عبارتند از:

·        حساسیت کم نسبت به حرارت، ولتاژ اولیه و تغییرات فرکانس

·        استحکام

·        قیمت کم

·        نیاز به تجهیزات کنترلی اندک

·        اندازه کوچک 

 

انواع RVDT

یک RVDT را می تواند با دو ورقه هم ساخت که اولی شامل اولیه و دومی شامل ثانویه باشد. این گونه RVDTها می توانند چرخش بیشتری داشته باشند.

یک نمونه دیگر به نام ترانسفورماتور متغیر چرخان شناخته می شود و تنها دارای یک ثانویه است و یک خروجی دارد: 

مترجم:رضاکیانی موحد 

منبع: اینجا

---

[1] rotary variable differential transformer (RVDT)

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

---