مروری بر اتوترانسفورماتور

 

 

یک ترانسفورماتور خودکار با یک ترانسفورماتور دو سیم{0} معمولی متفاوت است زیرا دارای یک سیم پیچی منفرد و پیوسته است که هم به عنوان سیم پیچ اولیه و هم ثانویه عمل می کند. این منجر به فرمول های محاسباتی منحصر به فرد و سودمند می شود.

بیایید نمادها را تعریف کنیم:

: ولتاژ و جریان اولیه

: ولتاژ و جریان ثانویه

N₁: تعداد کل چرخش در سیم پیچ اولیه

N₂: تعداد چرخش در سیم پیچ ثانویه (که بخشی از N1 است)

a: نسبت چرخش

: توان القایی الکترومغناطیسی (ظرفیت سیم پیچی)

: توان ظاهری ورودی/خروجی (ظرفیت خروجی)

 

دسته بندی	فرمول	توضیحات
نسبت چرخش		همان تعریف ترانسفورماتور استاندارد
رابطه ولتاژ		ولتاژ خروجی نسبت معکوس با نسبت دارد
رابطه فعلی		جریان خروجی نسبت مستقیمی با نسبت دارد
ظرفیت خروجی		کل توان منتقل شده توسط ترانسفورماتور
ظرفیت الکترومغناطیسی		قدرتی که اندازه فیزیکی ترانسفورماتور را تعیین می کند
مزیت ظرفیت		فرمول هسته: بیشترین سود زمانی است که a نزدیک به 1 باشد

 

 

 

 

 

مزایای اتوترانسفورماتور

1.راندمان بالاتر، تلفات کمتر

• دلیل:از آنجایی که بخشی از سیم پیچ در هر دو طرف مشترک است، جریان در قسمت مشترک کمتر از جریان بار برای توان یکسان است. این به طور قابل توجهی تلفات مس را کاهش می دهد (تلفات I²R).
• نتیجه:راندمان معمولاً از یک ترانسفورماتور دو سیم پیچ معادل بالاتر است، به خصوص زمانی که نسبت چرخش (K) نزدیک به 1 باشد (مثلاً 230 ولت تا 115 ولت).

2. هزینه کمتر، اندازه کوچکتر و وزن سبک تر

• دلیل:سیم پیچ ثانویه جداگانه را با استفاده از مواد رسانای کمتر (مس/آلومینیوم) و مواد هسته کمتر (فولاد سیلیکونی) حذف می کند.
• نتیجه:برای ظرفیت نامی یکسان، یک ترانسفورماتور خودکار ارزان‌تر، کوچک‌تر و سبک‌تر از یک ترانسفورماتور دو سیم‌پیچ- است. این امر حمل و نقل و نصب آن را آسان تر و ارزان تر می کند.

3. قابلیت تنظیم ولتاژ عالی

• دلیل:با ارائه چندین شیر یا یک کنتاکت کشویی (برس) در طول سیم پیچ، ولتاژ خروجی را می توان به راحتی و به طور مداوم تنظیم کرد.
• کاربرد:این اصل کار یک ترانسفورماتور متداول "واریاک" یا متغیر است که به طور گسترده در آزمایشگاه ها و برنامه هایی که نیاز به کنترل دقیق ولتاژ دارند استفاده می شود.

4. اتصال کوتاه کمتر-امپدانس مدار و تنظیم بهتر ولتاژ

• دلیل:اولیه و ثانویه هم به صورت الکتریکی و هم مغناطیسی با هم جفت می شوند که در مقایسه با یک ترانسفورماتور دو{0} سیم پیچ، راکتانس نشتی کمتری را به همراه دارد.
• نتیجه:ولتاژ خروجی در شرایط بار متغیر پایدارتر می ماند و منجر به تنظیم ولتاژ برتر می شود.

 

معایب اتوترانسفورماتور

1. نداشتن ایزوله الکتریکی (مهمترین اشکال)

• دلیل:ضلع اولیه و ثانویه بر خلاف عایق مغناطیسی ارائه شده توسط یک ترانسفورماتور دو سیم پیچ، مستقیماً به صورت الکتریکی متصل می شوند.
• خطرات:

یک خطا در سمت ولتاژ بالا (مثلاً یک-ولتاژ بالا) می‌تواند مستقیماً به سمت ولتاژ پایین- منتقل شود و تهدیدی جدی برای تجهیزات و پرسنل باشد.

اگر سیم پیچ رایج شکسته شود، ولتاژ ورودی کامل می تواند روی بار ظاهر شود که بسیار خطرناک است.

• مفهوم:در کاربردهایی که ایمنی حیاتی است، باید از ترانسفورماتور ایزوله اضافی استفاده شود که مزیت های هزینه و اندازه آن را نفی می کند.

2. جریانهای مدار کوتاه{1} بالاتر

• دلیل:به دلیل پایین تر بودنشامپدانس{0}}مدار کوتاه، یک خطا در سمت ثانویه منجر به جریان مدار کوتاه بسیار بالاتری نسبت به ترانسفورماتور دو سیم پیچی معادل آن می شود.
• مورد نیاز:این امر مستلزم استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی بالاتر از خود ترانسفورماتور، و همچنین دستگاه‌های حفاظتی{0}}شکست- قوی‌تر و با ظرفیت بالاتر (مانند کلیدهای مدار و فیوز) است.

3. حفاظت پیچیده تر

• سیم پیچ مشترک روابط الکترومغناطیسی داخلی را پیچیده تر از یک ترانسفورماتور دو سیم پیچ-می کند. این امر پیکربندی سیستم‌های حفاظتی (مثلاً رله‌های دیفرانسیل) را پیچیده می‌کند، زیرا حفاظت در برابر جریان اضافه استاندارد ممکن است به طور مؤثری بین خطاهای داخلی و عملکرد عادی تمایز قائل نشود.

4. نرم افزار نسبت نوبت های محدود

• مزایای اقتصادی یک اتوترانسفورماتور با نسبت دورهای کوچک (K) که معمولاً بین 1.2 و 2.0 است، آشکارتر است. برای نسبت های بزرگ (مثلاً 10:1)، صرفه جویی در مواد ناچیز می شود، در حالی که فقدان انزوا به یک عیب بزرگ تبدیل می شود و آن را نامناسب می کند.

 

 

 

1. سیستم های قدرت

این مهم‌ترین و{0}}منطقه کاربردی با ظرفیت بالا برای ترانسفورماتورهای خودکار است.

(1) اتصال به شبکه و تبدیل ولتاژ

• کاربرد:اتصال دو سیستم انتقال ولتاژ بالا- با سطوح ولتاژ مشابه، به عنوان مثال، اتصال یک شبکه 220 کیلوولت به یک شبکه 110 کیلوولت، یا یک سیستم 500 کیلوولت به یک سیستم 330 کیلوولت.
• چرا مناسب است:در سیستم های قدرت، سطوح ولتاژ شبکه های منطقه ای مختلف اغلب نسبتاً نزدیک است (مثلاً با نسبت کمتر از 3:1). در چنین مواردی، استفاده از یک ترانسفورماتور خودکار بسیار مقرون به صرفه تر از یک ترانسفورماتور دو-سیم پیچی است که به طور قابل توجهی هزینه مواد، اتلاف انرژی و ردپای فیزیکی را کاهش می دهد{6}}یک مزیت حیاتی برای انتقال قدرت فله.

(2) راه اندازی نیروگاه / ترانسفورماتورهای کمکی

• کاربرد:واحدهای مولد حرارتی یا هسته‌ای بزرگ به یک منبع انرژی خارجی برای تامین انرژی تجهیزات کمکی خود (مانند فن‌ها، پمپ‌ها) در هنگام راه‌اندازی نیاز دارند. این ترانسفورماتور تغذیه خارجی اغلب یک ترانسفورماتور خودکار است.
• چرا مناسب است:ولتاژ خود ژنراتور بالاست (مثلاً 20 کیلو ولت)، در حالی که ولتاژ برق کمکی ایستگاه کمتر است (مثلاً 6 کیلو ولت یا 10 کیلو ولت). نسبت ولتاژ زیاد نیست و ترانسفورماتور خودکار را به یک راه حل مقرون به صرفه و کارآمد برای این برنامه کاربردی- با ظرفیت بالا تبدیل می کند.

(3) تنظیم نقطه خنثی سه فاز

• کاربرد:در شبکه‌های ولتاژ فوق‌العاده-قوی (UHV) و{1}}اضافی ولتاژ بالا (EHV)، ولتاژ باید برای تثبیت سیستم و مدیریت جریان توان راکتیو تنظیم شود.
• چرا مناسب است:اتوترانسفورماتورها اغلب دارندتعویض کننده های ضربه بزنیددر سیم پیچ مشترک (سمت خنثی) برایتنظیم ولتاژ. این طراحی محدوده تنظیم گسترده‌تری را امکان‌پذیر می‌کند، و تجهیزات تپ-نیازمندی‌های عایق کمتری دارند، که آن را از نظر فنی و اقتصادی مطلوب می‌کند.

 

2. کنترل صنعتی و موتور

(1)-استارت موتور با ولتاژ کاهش یافته (اتوماتیک-استارت ترانسفورماتور)

• کاربرد:راه اندازی موتورهای القایی سه فاز بزرگ برای کاهش جریان هجومی و به حداقل رساندن افت ولتاژ در شبکه تغذیه.
• چرا مناسب است:در هنگام راه اندازی، ولتاژ کاهش یافته از طریق شیرهای روی اتوترانسفورماتور به موتور اعمال می شود. هنگامی که موتور به سرعت نامی خود نزدیک شد، به ولتاژ خط کامل سوئیچ می شود. این روش گشتاور راه اندازی بالاتری را در مقایسه با روش ستاره-دلتا ارائه می دهد و در محدود کردن جریان راه اندازی بسیار مؤثر است. از آنجایی که برای مدت زمان کوتاه استفاده می شود، اندازه و مزایای هزینه اتوترانسفورماتور کاملاً درک می شود.

(2) منابع ولتاژ AC متغیر و جبران کننده های ولتاژ

• کاربرد:به عنوان منبع تغذیه AC قابل تنظیم مداوم در آزمایشگاه ها یا برای تجهیزات صنعتی که پایداری دقیق ولتاژ حیاتی نیست استفاده می شود.
• چرا مناسب است:یک برس کربن کشویی در امتداد پیچ‌های آشکار سیم‌پیچ حرکت می‌کند و امکان تنظیم صاف ولتاژ خروجی را فراهم می‌کند. این طراحی ساده، ناهموار و کم هزینه-است که آن را برای برنامه هایی که به ولتاژ انعطاف پذیر نیاز دارند ایده آل می کند.

 

3. آزمایشگاه و آزمایش

(1) منبع تغذیه AC متغیر (Variac)

• کاربرد:در آزمایشگاه‌های الکترونیک و برای آزمایش‌های آموزشی، ولتاژ AC قابل تنظیم از صفر تا کمی بالاتر از ولتاژ خط ارائه شود.
• چرا مناسب است:این ساده، بادوام، ارزان است و یک خروجی موج سینوسی خالص (برخلاف تنظیم‌کننده‌های الکترونیکی حالت جامد) ارائه می‌کند که آن را برای آزمایش و آزمایش کاملاً مناسب می‌کند.

 

4. برق رسانی راه آهن

(1) سیستم های منبع تغذیه کششی (سیستم AT)

• کاربرد:در برخی از برقسیستم های راه آهن(به عنوان مثال، سیستم های AC قدیمی)، سیستم تغذیه خودکار (AT) استفاده می شود.
• چرا مناسب است:سیستم AT از ترانسفورماتورهای خودکار استفاده می کند تا ولتاژ انتقال بالا (مثلاً 110 کیلوولت یا 220 کیلوولت) را به ولتاژ مورد استفاده بوسیله آبشار سربار (مثلاً 25 کیلوولت یا 55 کیلوولت) کاهش دهد. همزمان تداخل الکترومغناطیسی با خطوط ارتباطی را کاهش می‌دهد و فواصل طولانی‌تر بین پست‌ها را امکان‌پذیر می‌کند، و به‌ویژه برای راه‌آهن‌های پرسرعت و سنگین{10}} مناسب است.

 

 

"سادگی" یک اتوترانسفورماتور صرفاً سطحی است. طراحی و ساخت آن آغشته به مهندسی دقیق و مهارت{1}}در سطح استاد است.

1. مشخصات طراحی سیم پیچ

سیم پیچ هم به عنوان اولیه و هم ثانویه عمل می کند و پیچیدگی های طراحی منحصر به فردی را ایجاد می کند که در ترانسفورماتورهای ایزوله یافت نمی شود.

(1) توزیع کنونی و اندازه غیر یکنواخت هادی:

• چالش اصلی:سیم پیچ به تقسیم می شودسیم پیچ سری(بخشی که برای هر دو طرف مشترک نیست) وسیم پیچ معمولی(بخش مشترک با ورودی و خروجی). جریان های عبوری از این بخش ها متفاوت است.

-سیم پیچ سریفقط "جریان انتقال" مربوط به اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی را حمل می کند.

-سیم پیچ معمولیحامل "جریان القایی خودکار{0}" کوچکتر است که تابعی از جریان بار و نسبت چرخش است.

• قطعنامه مهندسی:محاسبات دقیق جریان بسیار مهم است. راسیم پیچ معمولی را می توان با هادی با سطح مقطع کوچکتر- پیچیداز آنجایی که جریان کمتری را حمل می کند، در حالی که سیم پیچ سری به یک هادی بزرگتر نیاز دارد. اینطراحی غیریکنواخت، متغیر-متقاطع-برای دستیابی به وزن سبک، هزینه کم و راندمان بالا کلیدی است، اما به طور قابل توجهی فرآیند سیم پیچی را پیچیده می کند و به شماتیک ها و ابزار دقیق نیاز دارد.

(2) تعادل الکترومغناطیسی و نیروهای مدار کوتاه{1}:

• چالش اصلی:به دلیل عدم تقارن ساختاری ذاتی (ترمینال-ولتاژ بالا، ترمینال ولتاژ پایین-، و شیرآلات که همگی روی یک سیم پیچ قرار دارند)، دستیابی به عملکرد عالیتراز چرخشی آمپر-مشکل تر از ترانسفورماتور ایزوله است. چرخش‌های آمپر نامتعادل یک قوی ایجاد می‌کندمیدان مغناطیسی سرگردان (شار نشتی).
• قطعنامه مهندسی:

1. شبیه سازی پیچیده EM:نرم افزار شبیه سازی میدان الکترومغناطیسی پیشرفته برای بهینه سازی مکرر آرایش سیم پیچ، ارتفاع و ابعاد شعاعی برای به حداقل رساندن شار نشتی ضروری است.
2. مدیریت نیروهای الکترودینامیک مدار کوتاه-:در طول یک{0}مدار کوتاه، جریان‌های گسل عظیمی که با میدان نشتی قوی تعامل دارند، نیروهای الکترومکانیکی فوق‌العاده‌ای (نیروی لورنتس) ایجاد می‌کنند که به دنبال انحراف و خرد کردن سیم‌پیچ هستند. در اتوترانسفورماتورها این نیروها می توانند بسیار نامتقارن باشند. در نتیجه،مهاربندی مکانیکی سیم‌پیچ‌ها باید بسیار مقاوم باشد. جداکننده های عایق، صفحات گیره و میله های نگهدارنده با استحکام بالا برای ایجاد یک ساختار "قفس" استفاده می شود که به طور ایمن سیم پیچ ها را در جای خود قفل می کند و از تغییر شکل یا آسیب در اثر ضربه های مکرر یا ناگهانی مدار کوتاه{2} جلوگیری می کند.

 

 

2. ولتاژ-برس تنظیم کننده کربن - "قلب" و "گلوگاه"

برای اتوترانسفورماتورهای متغیر (variacs)، برس کربن کشویی حیاتی ترین و آسیب پذیرترین جزء است.

(1) الزامات مواد سختگیرانه:

• چالش اصلی:قلم مو باید به طور همزمان چندین ویژگی، اغلب متناقض را برآورده کند.
• قطعنامه مهندسی:به طور معمول از یک ساخته می شودمواد کامپوزیت فلز{0}}گرافیت.

1. راگرافیتخود{0}}روغنکاری و مقاومت در برابر سایش را فراهم می‌کند و لغزش صاف و عمر طولانی را تضمین می‌کند.
2. رافلز (به عنوان مثال، مس، پودر نقره)هدایت الکتریکی بالایی را فراهم می کند و حداقل مقاومت تماس را تضمین می کند.
3. نسبت دقیق و فرآیند پخت این کامپوزیت رازهای اختصاصی اصلی سازنده است.

(2) اهمیت قابلیت اطمینان تماس:

• چالش اصلی:رابط بین برس کربن و سیم پیچ استکنتاکت الکتریکی کشویی. هرتماس ضعیفمنجر به شکست فاجعه آمیز می شود: افزایش مقاومت تماس ← گرمای بیش از حد موضعی ← جرقه و قوس الکتریکی ← فرسایش و آسیب دائمی به سطح سیم پیچ و برس.
• قطعنامه مهندسی:

1. ماشینکاری فوق العاده-دقیق سطح تماس:مسیر تماس در معرض سیم پیچ نمی تواند مس خالی باشد. باید باشدبه صورت آینه{0}}نظیر و صاف پرداخت شده است، عاری از هرگونه خراش یا نقص.
2. آبکاری سطح پیشرفته:این آهنگ اغلب استبا لایه ای از نقره یا آلیاژ نقره اندود شده است. نقره رسانایی و مقاومت در برابر اکسیداسیون عالی را ارائه می‌کند، مقاومت تماسی پایینی را در طول زمان حفظ می‌کند و از شکست حرارتی ناشی از اکسیداسیون جلوگیری می‌کند.

• مدیریت اتلاف گرما و سایش:

1. چالش اصلی:نقطه تماس منبع متمرکز گرما و سایش مکانیکی است.
2. قطعنامه مهندسی:واریاک‌های با قدرت{0}بالا دارای مجرای هوای خنک‌کننده اختصاصی یا حتی خنک‌کننده اجباری برای مجموعه برس هستند. علاوه بر این، فشار تماس برس و مکانیسم فنر باید به دقت کالیبره شوند-فشار کم باعث ناپایداری و ایجاد قوس می‌شود، در حالی که فشار بیش از حد باعث تسریع سایش مکانیکی و افزایش مقاومت در برابر لغزش می‌شود.

 

3. مدیریت حرارتی در طراحی فشرده

(1) چالش اصلی:یک ترانسفورماتور خودکار کوچکتر است و از مواد کمتری نسبت به یک ترانسفورماتور ایزوله با توان معادل استفاده می کند. این به یک ترجمه می شودچگالی تلفات توان بالاتر (تلفات مس و آهن) در واحد حجم، اتلاف گرما را چالش برانگیزتر می کند.

(2) قطعنامه مهندسی:

• طراحی پیچیده حرارتی:طراحی کانال های خنک کننده (به عنوان مثال، کانال های روغن در سیم پیچ ها، دریچه های هوا) باید بهینه باشد، نه صرفا کافی. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و شبیه‌سازی‌های حرارتی برای ترسیم دقیق جریان مایع خنک‌کننده و حذف هرگونه نقطه داغ بالقوه بسیار مهم هستند.
• روش های خنک کننده پیشرفته:

1. روغن-غوطه ور شده است:اتوترانسفورماتورهای بزرگ از خنک کننده غوطه وری روغن با مسیرهای پیچیده هدایت شده روغن استفاده می کنند و روغن را از داغ ترین قسمت های سیم پیچ ها هدایت می کند.
2. هوا-خنک شده است:ترانسفورماتورهای خودکار متغیر{0} نوع خشک دارای پره های خنک کننده کارآمد هستند و اغلب دارای فن هایی برای خنک کننده هوای اجباری (AF) یا حتی سیستم های خنک کننده اجباری روغن{1} پیشرفته تر هستند.