کاربرد ترانسفورماتور در اندازه گیری

کاربرد ترانسفورماتور در اندازه گیری

• ترانسفورماتورها

توزیع انرژی الکتریکی به صورت تک فاز، دوفاز و یا سه فاز ارتباط زیادی با ترانسفورماتورها دارد. از طرفی در بسیاری از موتورهای الکتریکی، تبدیل انرژی براساس اصل ترانسفورماتوری صورت می گیرد.

شکل (۱) یک هسته مغناطیسی فولادی که از روی هم قرار گرفتن تعداد زیادی پوسته روی یکدیگر تشکیل شده است را به همراه دو سیم یا پیچ بر روی آن نشان می دهد. سیم پیچ سمت چپ (اولیه) به یک منبع جریان متناوب وصل شده و سیم پیچ سمت راست (ثانویه) به بار متصل است و آن را تغذیه می کند. برای سهولت در توضیح مطلب، دو سیم پیچ به طور مجزا و بر روی دو ساق نشان داده شده است. در عمل برای اطمینان از اینکه تمامی شار ایجاد شده توسط سیم پیچی اولیه از تمام حلقه های سیم یا پیچ ثانویه می گذرد، تا حد امکان این دو سیم پیچ را نزدیک هم قرار می دهند.

شکل (۱) ولتاژ و جریان یک ترانس افزاینده در حالت بی باری.

در این حالت، جریان اولیه، شاری ایجاد می کند که ولتاژ ضد محرکه ای برابر و مخالف ولتاژ منبع را تولید می کند.

سیم پیچ ها مقاومت بسیار کمی دارند، و بنابراین اگر اولیه را به عنوان مثال به یک منبع ۴۴۰ ولت وصل کنیم، ظاهرأ جریان زیادی از آن می گذرد. اما به دلیل اینکه رسانایی مغناطیس هسته بسیار بالاست، سیم پیچی مذکور خود القایی بسیار بزرگی دارد و در حالت اتصال به یک منبع متناوب، با عبور جریان خیلی کمی از آن شار متغیر نسبتا بزرگی در هسته تولید می شود و به دلیل متغیر بودن شار، ولتاژی در خلاف جهت ولتاژ منبع در سیم پیچ القاء می شود، که جریان آن را محدود می کند.

اگر از افت IR در اولیه صرف نظر کنیم و مدار ثانویه باز باشد، در این صورت جریان عبوری از اولیه ترانسفوماتور تنها می تواند چگالی شار مطلوب برای ایجاد نیروی ضد محرکه (که مقدار آن برابر با ولتاژ منبع است) را در هسته تولید کند. اگر هسته خواص مغناطیسی مطلوبی نداشته باشد و یا شکاف هوایی در آن وجود داشته باشد، این جریان تحریک یا جریان مغناطیس کنندگی، قابل ملاحظه بوده که به هیچ عنوان مطلوب نیست.

فرض کنید اولیه ترانسفوماتور ۲۲۰ دور سیم دارد و برای مقابله با ولتاژ منبع ۴۴۰ ولت نیروی ضد محرکه در آن القاء شود. در این صورت ولتاژ هر دور سیم در اولیه ۲ ولت است.

اگر فرض کنیم کل شار ایجاد شده توسط سیم پیچ اولیه، ثانویه را حلقه بزند، واضح است که در هر دور از سیم پیچ ثانویه نیز ۲۷ القاء می شود، پس اگر ثانویه ۵۵ دور سیم داشته باشد، کل ولتاژ القایی در آن نیز ۱۱۰۰ ولت است.

بنابراین نتیجه می گیریم که ترانسفورماتور با توجه به نسبت دور سیم پیچیهای ثانویه، می تواند سطح ولتاژ را افزایش یا کاهش دهد. اگر باری را به ثانویه وصل کنیم و جریان بار نیز A۱۰ باشد، این جریان از همه حلقه های سیم پیچ ثانویه (۵۵۰ دور) می گذرد. در نتیجه، به ثانویه نیروی ضد مغناطیس کنندگی معادل ۵۵۰۰=۵۵۰×۱۰ آمپر-دور اعمال می شود که با نیروی مغناطیس کنندگی اولیه مخالفت می کند. از طرفی شار هسته بستگی به ولتاژ اولیه دارد، اما این ولتاژ ثابت است، شار نیز باید ثابت بماند، در نتیجه جریان اولیه آنقدر افزایش می یابد.

در نتیجه جریان بار اولیه برابر ۲۵ آمپر است. این جریان، برای خنثی کردن نیروی ضد مغناطیس کنندگی ایجاد شده توسط بار در ثانویه کافی است. همچنانکه در شکل نشان داده شده است. علاوه بر جریان بار، در اولیه مولد نیز جریان تحریک برای مغناطیس کردن هسته وجود دارد.

معادله فوق در حالت ایده ال صادق است، و در یک ترانسفوماتور واقعی افت ولتاژهای اندک در اولیه و ثانویه، باعث می شود که نسبت ولتاژ ترانسفوماتور تغییر می کند. از طرفی وجود جریان تحریک مغناطیس کنندگی نیز، نسبت جریان ها را از حالت ایده ال خارج میکند.

شکل (۲) نمایش اثر وجود بار در ثانویه و ایجاد شار مغناطیسی مخالف که باعث می شود،

برای تأمین شار ۷/۵ mwb (شکل ۱) جریان بیشتری از شبکه برق گرفته شود.

• ترانسفوماتورهای ویژه

دو ترانسفوماتور ویژه و یا اتصال ترانسفوماتوری وجود دارد که غالباً برای استفاده در موتورها مورد استفاده قرار می گیرد. عبارتند از:

۱) اتوترانسفوماتور ۲) اتصال اسکات یا T

۱) اتوترانسفورماتور

در اتو ترانسفورماتور از یک سیم پیچ به عنوان اولیه و ثانویه استفاده می شود. اتو ترانسفوماتور می تواند از نوع افزاینده و یا کاهنده باشد. از اتوترانسفوماتور عموماً برای کنترل سرعت نوع ویژه ای از موتورها استفاده می شود (شکل ۳)

شکل (۳) شکل یک اتوترانس یک هسته اش نشان داده شده است.

۲) اتصال اسکات یا T

از اتصال T برای تبدیل موتورهای دوفاز به سه فاز و یا برعکس استفاده می شود. برای این منظور از اتوترانسفوماتور و یا ترانسفوماتور معمولی دو سیم پیچی استفاده می شود. اتصال اسکات در شکل (۴) نشان داده شده است.

کاربرد ترانسفورماتور در اندازه گیری

شکل (۴) نمایش شماتیک یک ترانس با اتصال T

• اندازه گيري ها

یکی از جنبه های مهم کار با دستگاه ها و ماشین های الکتریکی، اندازه گیری کمیت های الکتریکی از قبیل جریان، توان ولتاژ و … می باشد. گونه های متنوعی از اندازه گیرها وجود دارند، در اینجا ما به طور مختصر اندازه گیرهای نوع دينامو متری را که عموماً برای اندازه گیری مقادیر مؤثر جریان، ولتاژ، توان و یا ضریب توان به کار می روند، بررسی می کنیم.

شکل (۵) اساس کار دستگاه های اندازه گیری الکترود دینامومتری

که به عمل مقابل دو نیروی مغناطیسی و فنرها بستگی دارد.

۱) آمپر سنج

شکل (۶) آرایش شماتیک یک آمپر سنج شامل دو پیچک ساکن S و ’S با قطبیت یکسان را نشان می دهد. در میان این دو پیچک ساکن، پیچک متحرک M برروی یاتاقان ها قرار گرفته است. یاتاقان ها از جنس فلز کاملاً سخت ساخته شده است. دو سر پیچک متحرک از طریق فنرهای حلزونی شکل (که برای تعادل آن مورد استفاده قرار میگیرند)، با دو پیچک ساکن سری می شود. اتصال سرها طوری است که قطب های پیچک متحرک توسط قطب های پیچک های ساکن دفع شده، و این پیچک را در یک جهت منحرف می کند.

کاربرد ترانسفورماتور در اندازه گیری

این دستگاه فاقد هسته آهنی است، بنابراین مشکل اشباع وجود ندارد و در نتیجه میدان های ایجاد شده مستقیماً متناسب با جریان پیچک ها هستند. به دلیل اینکه پیچک های ساکن و متحرک با یکدیگر سری هستند، جریان آنها مساوی است. بنابراین گشتاور الکتریکی ایجاد شده متناسب با مجذور جریان (i²) بوده، و جهت آن برخلاف جهت نیروی فنر است. پیچک متحرک دارای سختی است، و نمی تواند به نوسانات منحنی i² پاسخ دهد و دستگاه آن ها مقدار متوسط i² و به عبارتی همان مقدار مؤثر شکل موج جریان رانشان می دهد.

شکل (۶) واتمتر دینامومتری که مقدار توان حقیقی را اندازه گیری می کند

استفاده از فنرهای حلزونی (به عنوان قسمتی از مسیر جریان)، میزان جریان قابل اندازه گیری توسط این اندازه گیرها را محدود کرده است. برای اندازه گیری جریان در یک هادی، آمپر سنج باید به طور سری با هادی مذکور قرار گیرد. خواهیم دید چگونه با یک ترانسفوماتور (ولتاژ و یا جریان)، محدوده اندازه گیری این دستگاه ها افزایش داده می شود.

۲) ولت متر نوع الكترودینامو متری

اگر یک مقاومت با امپدانس چند کیلو اهم به طور سری با این ولتمتر قرار داده شود، بدون هیچ مشکلی می توان آن را به یک خط فشار قوی متصل کرد. مقاومت سری ثابت است، بنابراین جریان گذرنده از پیچک ها مستقیماً متناسب با ولتاژ اعمالی است. در نتیجه با کالیبراسیون و مدرج کردن صحیح دستگاه، ولتاژ مؤثر اندازه گیری و خوانده می شود.

 ۳) وات متر

اكثر وات مترها از نوع الکترودینامو متری می باشند. در این وات مترها، ولتاژ و جریان هر دو اندازه گیری می شوند، لذا معمولاً پیچک های ساکن به طور سری با خط قرار می گیرند، و در نتیجه میدان های آن ها متناسب با جریان خواهد بود. پیچک متحرک نیز با یک مقاومت بزرگ سری شده، به دو سر خط متصل می شود. میدان ایجاد شده توسط پیچک، متناسب با جریان است. به دلیل ثابت بودن مقاومت سری، میدان متناسب با ولتاژ خط است.

اگر جریان در پیچک های ساکن با جریان در پیچک متحرک هم فاز نباشد (جریان پیچک متحرک توسط ولتاژ تعیین می شود) گشتاورهای دو میدان ایجاد شده یکسان نبوده، بنابراین انحراف عقربه کمتر می شود. از طریق ریاضی ثابت می شود که این مقدار کاهش، با کسینوس زاویه بین V و I برابر می باشد. بنابراین مقدار خوانده شده توسط واتمتر اندازه توان اکتیو یعنی P = VI cosØ است.

کاربرد ترانسفورماتور در اندازه گیری

• اندازه گیری توان – تست موتورهای کوچک

سازندگان موتورهای الکتریکی، موتورهای خود را پس از ساخت و قبل از تحویل به مشتریان به دقت تست می کنند. این موتورها پس از خریداری نیز توسط خریداران و در آزمایشگاه های آن ها نیز تست می شوند. اغلب با وجود اعمال بارهای یکسان نتایج این دو تست کاملا یکسان نیستند. دلیل آن هم متفاوت بودن دستگاه های اندازه گیری، و به ویژه اختلاف در نوع اتصال آن ها به موتور است. (شکل ۷).

شکل (۷) دو روش اتصال وسایل اندازه گیری، برای خواندن مقادیر ورودی موتور

باید توجه داشت که هیچکدام از این دو روش مقدار دقیق و صحیح توان ورودی را نشان نمی دهد. با این وجود، اگر یکی از این روش ها به صورت استاندارد در آید، هماهنگی و دقت نسبت بیشتری در تست موتورها به دست می آید. امروزه بیشتر از آرایش شکل (۶) استفاده می شود، و مقاومتهای هر کدام از دستگاه های اندازه گیری نیز به همراه داده های آزمایشگاهی ثبت می شود. کلیه تلفات مربوط به دستگاه های اندازه گیری، هنگام وارد کردن این داده ها به کامپیوتر محاسبه و در نظر گرفته می شوند.

 

• اندازه گیری توان – ترانسفورماتورهای اندازه گیری

باید دانست سیم پیچ های این گونه وسایل اندازه گیری، نمی توانند جریان های بالا را تحمل کنند. با این وجود در اغلب موارد، نیاز به تست خطوطی داریم که در آن ها ولتاژ و یا جریان بسیار زیاد است. اینگونه اندازه گیری ها توسط ترانسفورماتورهای اندازه گیری انجام می شوند.

کاربرد ترانسفورماتور در اندازه گیری

مثلا یک ترانسفورماتور جریان به نسبت ۱: ۱۰۰ می تواند جریان را تا این نسبت کاهش داده، به طوریکه برای سیم پیچهای دستگاههای اندازه گیری قابل تحمل باشد. برای اینکه این ترانسفورماتورها دقت کافی داشته باشند، لازم است هیچگونه اختلاف فازی میان اولیه و ثانویه آن ها وجود نداشته باشد.

به طور مشابه می توان برای کاهش ولتاژ در حدی که برای دستگاه های اندازه گیری قابل تحمل باشد، از ترانسفورماتورهای ولتاژ استفاده کرد. همچنانکه در شکل (۸) نشان داده شده است برای دانستن مقادیر ولتاژ و یا جریان کاهش یافته توسط این ترانسفورماتورها، از دستگاه های اندازه گیری استفاده می شود.

شکل (۸) استفاده از ترانس اندازه گیری در یک خط تک فاز

• اندازه گیری توان – سیستم های سه فاز

یک آرایش یک بار سه فاز را در نظر میگیریم. اگر جریان و ولتاژ هر فاز بار اندازه گیری شود، برای محاسبه توان کل بار، باید توان فازها با یکدیگر جمع شوند. این اندازه گیری برای یک بار دارای اتصال Y در شکل (۹) نشان داده شده است.

کاربرد ترانسفورماتور در اندازه گیری

اما اندازه گیری توان هر فاز از بار در بعضی موارد عملی نیست، و ممکن است توان اندازه گیری شده، توان کل یک کارخانه و یا توان یک موتور سه فاز باشد، که اتصالات آن داخلی بوده و از طرفی Y یا Δ بودن آنها نیز مشخص نیست. کل توان این مدار، بدون توجه به ضریب توان آن و یا درجه نامتعادل بودن، می تواند با دو واتمتر که به سه خط تغذیه بیرونی متصل شده اند اندازه گیری شود.

شکل (۹) اندازه گیری توان، ولتاژ و جریان یک بار ستارۀ نامتعادل که به سه وسیله اندازه گیری نیاز دارد

و فقط تنها وقتی امکان پذیر است که نقطه خنثی در دسترس باشد.

این روش که در شکل (۱۰) نشان داده شده است، روش کلی و استاندارد برای اندازه گیری توان در مولدهای سه فاز است. اگر بار ما متعادل باشد، باز هم مقادیر اندازه گیری شده توسط دو وات متر، یکسان نیستند. در ضریب توان ۵۰٪ یکی از وات مترها مقدار صفر و دیگری مقدار کل توان بار را قرائت می کند. در ضریب توان های کمتر از ۵۰٪ مقدار قرائت  شده توسط یکی از وات مترها منفی بوده، و باید از مقدار قرائت شده توسط واتمتر دیگر کم شود.

کاربرد ترانسفورماتور در اندازه گیری

شکل (۱۰) اندازه گیری توان سه فاز با روش واتمتری، بدون در نظر گرفتن ضریب توان یا عدم تعادل

• توزیع توان

این موضوع ممکن است ارتباط چندانی با مباحث موتورهای الکتریکی نداشته باشد، اما این نکته قابل ذکر است که توزیع انرژی الکتریکی در هر کشور صنعتی، ارتباط زیادی با ترانسفورماتور دارد. بدون ترانسفورماتور انرژی الکتریکی نمی تواند از نیروگاه ها به نواحی شهری انتقال یابد، مگر اینکه هر شهر نیروگاه ویژه ای برای خود داشته باشد و تمامی صنایع ناگزیر در اطراف نیروگاه ها متمرکز می شوند و میدانیم، این امکان پذیر نیست.

بدون ترانسفورماتور انرژی الکتریکی باید در همان ولتاژی که تولید می شود مصرف شود و در این صورت تلفات انتقال عملا این انرژی را غیر قابل استفاده می کند. مثلاً در نظر بگیرید توان KVA۱۲ توسط یک ژنراتور ۱۲۰ولت تولید شده، و باید از طریق یک خط انتقال دو سیم ft۱۰۰۰ به مصرف کننده ها برسد. اطلاعات مورد نیاز در شکل (۱۱) نشان داده شده است.

شکل (۱۱) مقایسه تلفات در انتقال توان با ولتاژ کم و زیاد

• سیستم ۲۰۸ ولتی

شکل (۱۲) یک سیستم توزیع چهار سیمه را نشان می دهد که برای بارهای تکفاز نظير مصارف روشنایی و امثال آن مناسب است. به کار بردن این سیستم به جای سیستم های تکفاز و مجزا، تعداد ترانسفورماتورهای مورد نیاز و سطح مقطع کلی هادی ها را کاهش می دهد.

دلیل انتخاب و تشریح این سیستم، دشواری و مشکلات آن برای سازندگان و گاهی اوقات نیز برای کاربران موتورها است.

شکل (۱۲) یک ترانس با نسبت تبدیل مناسب، ولتاژ سیستم ستارۀ چهار سیمه

و سه فاز را به ۱۲۰ ولت در هر فاز و ۲۰۸ ولت بین هر دو خط کاهش می دهد.

فرض بر این است که موتور سه فاز حداقل مقادیر گشتاور راه اندازی و گشتاور حداکثر خود را دارد، که توسط استانداردهای بین المللی تعیین و تضمین شده است. این دو کمیت به نسبت مجذور ولتاژ کاهش می یابند. یک موتور سه فاز استاندارد که برای کار در ۲۲۰ یا ۲۳۰ ولت طراحی شده است، در هنگام اتصال و کار با سیستم ۲۰۸۷ دچار افت گشتاور به نسبت ۱۱٪  یا ٪ ۱۸/۵ می شود، که در بعضی از موارد ممکن است مشکل آفرین باشد. در این حالت سازنده موتور، دو انتخاب در پیش دارد:

۱) طراحی موتورهای سه فاز با گشتاور کافی، به گونه ای که حتی در هنگام اتصال به سیستم۲۰۸ ولتی، استانداردهای صنعتی رعایت شوند. این کار دارای معایبی است از جمله: جریان راه اندازی زیاد در هنگام کار با ولتاژ استاندارد، و یا افزایش مقدار مواد مورد استفاده درساختمان موتور

۲) طراحی و تولید دو نوع موتور یکی برای کار با ولتاژ ۲۰۸ ولت و دیگری برای کار با ولتاژ۲۲۰ یا ۲۳۰ ولت. که این کار می تواند باعث رکود میلیون ها دلار سرمایه شود. در عمل و در صنعت موتورهای الکتریکی برای سیستم ۲۰۸ ولتی کارآیی چندانی ندارند.

شرکت مهندسی برق روان پاسارگاد