موتور های پله ای , ترمیستورها (Thermistors , کریستال های مایع LCD , حفاظت ژنراتور , اتصال زمین در ترانسفورماتور , نیروگاه حرارتی

 بر روی لینک های زیر کلیک نمایید

 

• دانلود رایگان کد های آماده MATLAB
•  دانلود رایگان فیلم های آموزشی الگوریتم های بهینه سازی ، شبکه عصبی ، منطق فازی و ...
• انجام پروژه های برنامه نویسی MATLAB
• تدریس خصوصی ، دوره های آموزشی الگوریتم های بهینه سازی ، شبکه عصبی ، منطق فازی و ...
• دانلود رایگان فایل های آموزشی

موتور های پله ای

موتورهای پله ای می توانند تحت پالس های الکتریکی ورودی چند درجه بچرخند.معمولا اندازه یا گام پله ها 15،7/5،5،2/5،2 درجه به ازا هر پالس الکتریکی می باشد.موتورهای پله ای مبدل های الکترومغناطیسی هستند و قادرند پالس های دیجیتالی ورودی را به حرکتی بر روی محور مبدل سازند.از این موتورها در سیستم کنترل دیجیتالی استفاده می شود.در این سیستم ها قطاری از پالس ها ایجاد می شود تا به صورت پله ای یا گام به گام محور موتور بچرخد.معمولا در این موتور ها به حس کننده ی وضعیت و سیستم های فیدبک جهت هم آهنگی حرکت محور و پالس ورودی فرمان، نیازی نیست.در چاپگرهای کامپیوتر و محرک دیسک کامپیوتر و آدم های آهنی از این موتورها استفاده می شود.امروزه موتور هایی ساخته شده اند که در یک یک دور کامل چندین حتی تا 400 پله یا گام را طی می نمایند.طرح های تازه ای از این موتورها قادر است 1200 پالس در ثانیه دریافت کند و توان اسمی اینگونه موتورها تا چندین اسب بخار می باشد.موتورهای پله ای بر دو نوع اند: 1-موتورهای پله ای با مقاومت مغناطیسی(رلوکتانس) متغیر 2-موتورهای پله ای از نوع مغناطیس دایم.

 

ترمیستورها (Thermistors

 

ترمیستورها نوعی مقاومت حساس به دما هستند که با استفاده از ترکیبات فلزات سمی ساخته می شوند.روش تولید این مقاومت ها شبیه روشی است که در مورد مقاومت های ترکیبی کربنی به کار میرود.بعضی از این ترکیب ها دارای ضریب حرارتی مثبت هستند،اما در اغلب موارد نمی توان مقدار مثبت و یا منفی ضریب حرارتی را تعیین کرد، زیرا دارای مقدار ثابتی نیست.ترمیستورهای با ضریب حرارتی مثبت بسیار غیر خطی عمل می کنند،اما اغلب ترمیستورهای با ضریب حرارتی منفی از یک رفتار ناهموار لگاریتمی اما با تغییرات آرام در مقدار مقاومت پیروی می کنند.

ترمیستورها در اشکال فیزیکی مختلفی مانند دکمه ای،دکمه ای ریز،صفحه ای، میله ای و همینطور محصور در محفظه فلزی ساخته می شوند.ترمیستورهای با ضریب حرارتی منفی(

همچنین ترمیستورهای

به طور کلی بایستی در مدارات ترمیستوری برای تنظیم نقطه کار از پتانسیومتر استفاده کرد،اما با به کار بردن ترمیستورهایی که منحنی آنها نشان دهنده مقاومت هایی در محدوده ی دمای مورد نظر است، می توان از هزینه ی مدار کاست.همه ی انواع ترمیستورها دارای مقادیر ثابت تلفات حرارتی و ثابت زمانی مخصوص به خود هستند.ثابت تلفات مقدار توانی(بر حب میلی وات) است که لازم است تا دمای ترمیستور را به اندازه ی 1 درجه ی سانتیگراد نسبت به دمای محیط افزایش دهد.

ترمیستورهای به منظور کنترل دما به عنوان مثال در کنترل کردن دمای پایین کوره،در ترموستات های یخچال،سنسور دمای اتاق و کنترل کننده های فرایندها به کار می روند.محدوده ی دمای کار آنها از 150 تا 200 درجه ی سانتیگراد بوده و بعضی از آنها تا دمای 600 درجه را می توانند تحمل کنند.محدوده ی دمایی که یک ترمیستور می تواند فعال باشد بستگی به مدارات مربوطه دارد، زیرا محدوده ی مقاومت در مقایسه با محدوده ی دما خیلی بزرگتر است.در هر یک از کاربردها ترمیستورهای NTC نسبت به ترموستات های بی متال قدیمی دارای امتیازاتی ویژه است،که عمده ترین آن نداشتن اثرات پسماندی است(عمل وصل توسط ترمیستور در دمایی متفاوت با دمای قطع انجام می شود)NTC را می توان در محفظه های خلا قرار داده و از آن برای محدود کننده های اسیلاتورها برای تقویت کننده های کنترل شونده با ولتاژ استفاده کرد.NTC با مواد نیمه هادی قابل ساخت هستند به طوری که مقادیر ضرایب حرارتی آنها خیلی بیشتر(مثبت تر) از ضرایب حرارتی مقاومت ها باشد.عبارت مقاومت NTC به قطعاتی با مقادیر ضرایب حرارتی کوچک منفی اطلاق می شود و عبارت ترمیستور در مورد قطعاتی که دارای ضرایب حرارتی منفی بزرگ می باشند به کار می رود.اغلب ترمیستورهایی که در مدارات حسگر به کار می روند از نوع NTC هستند.

 

کریستال های مایع LCD

نمایی از یک صفحه ی LCD 

کریستال های مایع نه لزوما مایع هستند و نه کریستال، ولی این نامی است که به قطعات مورد اشاره داده شده و یاد گرفتن آن راحت تر از نامگذاری دقیق برای آن است.نام کریستال مایع در اواخر قرن اخیر به انواع بخصوصی از مواد آلی(مواد شیمیایی که در ارگانیزمهای حیاتی وجود دارند)به دلیل ساختمان شیمیایی قابل توجهشان داده شد.یک کریستال یک آرایش از اتمهایی است که نظم دقیق در سازه ی آنها رفتار و خواص آن ماده را شکل داده است؛ این مواد سخت هستند،  دارای نقطه ی ذوب بالا بوده و غالبا نور را قطبی می کنند.هر اتم موجود در ساختمان کریستال جامد با قدرت زیادی به اتمهای همسایه اش وابسته است و مواد دارای ساختمان شیمیایی نسبتا ساده ای هستند که غالبا فقط از دو نوع اتم تشکیل شده است.
اما موادی هم هستند که علی رغم داشتن یک سری نظم در آرایش اتمی، به مفهوم کلاسیک کلمه کریستال نامیده نمی شوند.این مواد شامل واحد هایی هستند که صدها هزار اتم را در بر می گیرند، ولی واکنش کافی برای مرتب کردن واحد ها به صورت یک سازه وجود دارد، به ویژه اگر ماده به صورت یک مایع غلیظ و لزج باشد.واحد ها در چنین ماده ای که هریک از آنها کلسترول نامیده می شوند(ماده چربی در خون)، به شکل زنجیره ی طویلی هستند و زمانی که این زنجیره ها در یک خط ردیف می شوند، ماده فوق به شدت نور را پولاریزه می کند.نوع کریستال مایعی که در الکترونیک مورد نیاز است به گونه ای است که زنجیره ی طویل آن را می توان با قرار دادن یک ولتاژ بین دوهادی در یک میدان الکترواستاتیکی به وجود اورد.مواد کریستال مایع غیر هادی هستند، به طوری که تنظیم چنین زنجیره هایی در یک میدان متناظر باعث عبور جریان نمی شود.بنابراین یک نمایشگر کریستال مایع شامل مجموعه هایی از الکترود ها است که ماده ی کریستال مایع روی آنها نشانده شده است و روی آن روکش شفاف و پشت ان صفحه منعکس کننده کشیده شده است.
سلول نمایشگر کریستال مایع همراه با یک صفحه از جنس ماده ی پلاریزه کننده روی دیواره ی شفاف می باشد.نور خارجی از صفحه ی پلاریزه کننده عبور می کند و اگر ماده یکریستال تنظیم نشده باشد، از ماده ی کریستال مایع هم عبور می کند و از طریق صفحه ی منعکس کننده ی عقبی منعکس می شود.اما اگر بین دو الکترود ولتاژی اعمال شده باشد، ماده ی بین این الکترود ها پلاریزه می شود و نور از قبل پلاریزه شده نمیتواند عبور کند و منعکس نمی شود.این روال باعث می شود منطقه ای که تحت این ولتاز قرار گرفته تاریک به نظر برسد و هرچه روشنایی سلول بیشتر باشد، کنتراست بین این نقطه ی تاریک و قسمت های روشن تر دیگر که پلاریزه نشده اند بیشتر می شود.اگر چه بعضی از نمایشگر ها به منظور دیده شدن در تاریکی دارای نور پس زمینه هستند؛ اما LCD ها به طور کلی برای استفاده در محیط کاملا روشن طراحی شده اند.استفاده از DC در الکترودها باعث می شود ماده ی کریستال مایع دچار تغییرات غیر قابل برگشتی شود، به طوریکه روش معمول، تبدیل تغذیه DC به ولتاژ AC(30- 60 هرتز) و استفاده از این ولتاژ به عنوان تغذیه ی الکترودهاست.استفاده از تبدیل الکترونیک این اطمینان را می دهد که هیچگونه اثری از DC نمی ماند و چون مصرف توان نیز پایین است، می توان از مدارات مبدل DC به AC ساده استفاده کرد.
به دلیل اینکه نیاز به جریان در LCD بسیار پایین و برای یک نمایشگر 4 رقمی که با فرکانسی در حدود 32KHZ کار می کند در حدود 8 میکرو آمپر است، حتی در صورتی که آی سی راه انداز LCD بسیار پیچیده باشد باز هم مشکلی  درارتباط با کار کردن با باتری برای نمایشگر به وجود نمی آید.به ندرت می توان LCD را به صورت تکی پیدا کرد و عملا هر تولید کننده،LCD و مبدل DC به AC و قسمت برنامه پذیر راه انداز را با هم در یک محفظه جای می دهد. به تازگی مدل جدید LCD از نوع Supertwist عرضه شده است که نسبت به انواع قبلی دارای کنتراست بیشتر و عملکرد سریتری است و از این نوع LCD به مقیاس وسیعی در ساخت صفحه نمایشگر کامپیوترهای قابل حمل استفاده می شود. 

 

حفاظت ژنراتور

 

 

ژنراتور ها مهمترین و با ارزش ترین دستگاه های کارخانجات برق و نیروگاه ها می باشند.نقص داخلی ژنراتور علاوه بر زیانی که به خود ژنراتور می رساند، باعث قطع شدن قسمت بزرگی از انرژی نیروگاه نیز می شود و در صورتی که زیانهای وارد بر ژنراتور در اثر نداشتن وسایل حفاظتی صحیح، و قطع به موقع آن ازدیاد پیدا کند و گسترش یابد، ترمیم و تعمیر محل عیب دیده ممکن است مدت ها به درازا بکشد و بهره برداری از ژنراتور برای مدت زیادی متوقف گردد.در نتیجه به طور اجبار در تمام این مدت از ژنراتورهای دیگر بار بیشتری گرفته می شود.تا کمبود برق شبکه جبران شود.اضافه بار در ژنراتور علاوه بر اینکه ممکن است سبب خسارت دیدن آنها شود، باعث کم شدن طول عمر و دوام آنها نیز می گردد.لذا برای جلوگیری از اینگونه زیانها، لازم است خطاهای داخل ژنراتور را پیش از توسعه شناخت و برطرف کرد.

وظیفه ی دستگاه های حفاظتی ژنراتور این است که خطا را در همان مراحل ابتدایی پیدا کند، بسنجد و به اطلاع مسئولین برساند و در صورتی که لازم باشد، خود جهت قطع ژنراتور از شبکه و برداشت تحریک اقدام کند.این عمل باید چنان سریع و ماهرانه انجام شود که نقطه ی مصدوم و معیوب فرصت گسترش یافتن پیدا نکند.

دستگاه های حفاظتی ژنراتورهای با دور کم(ژنراتورهای توربین آبی) و با دور زیاد(توربو ژنراتورها) متفاوت نیستند.تنها تفاوت دستگاه های حفاظتی ژنراتورها، در نوع اتصال ژنراتورها به شبکه، "اتصال واحد" و "اتصال شین" می باشد.در اتصال واحد، هر ژنراتور دارای ترانسفورماتور مخصوص به خود می باشد، به طوری که ژنراتور و ترانسفورماتور یک واحد الکتریکی را تشکیل می دهند.لذا این واحد، با یک حفاظت واحد نیز مجهز می شود.

اتصال واحد اصولا در موقعی که قدرت ژنراتور زیاد است به کار برده می شود. در اتصال شین، ژنراتورها دارای ترانسفورماتور مخصوص به خود نیستند، بلکه انرژی ژنراتور مستقیما به شین جمع کننده ی نیرو منتقل می شود و سپس به کمک یک یا چند ترانسفورماتور انرژی لازم از شین گرفته می شود.خطاهایی که در ژنراتور اتفاق می افتد یا در اثر کمبود و نقصان ایزولاسیون و عایق بندی قسمتی از سیم پیچ های ژنراتور و کابلهای رابط آن است و یا بستگی به عوامل خارجی دیگر دارد.لذا می توان حفاظت ژنراتور را به دو دسته تقسیم کرد: 1-حفاظت در مقابل خطاهای داخلی 2- حفاظت در مقابل عوامل خارجی غیر مجاز

1-حفاظت در برابر خطاهای داخلی

خطاهایی که در داخل ژنراتور ممکن است اتفاق بیفتد، می توان به دو دسته ی منطقه ای تقسیم کرد که عبارتند از خطاهای استاتور و خطاهای روتور.

الف-خطاهایی که در سیم پیچ استاتور پیش می آید عبارتند از:

1-اتصال بین دو فاز

2-اتصال حلقه

3- اتصال زمین و اتصال زمین دوبل

ب- خطاهایی که در روتور پیش می آیند عبارتند از:

1-اتصال زمین

2-اتصال حلقه یا اتصال زمین دوبل

3-قطع شدگی(قطع تحریک) 

تصویر زیر حفاظت توسط رله ی دیفرانسیل را نشان می دهد 

2-حفاظت در برابر خطرات خارجی

عوامل خارجی که سبب خطا در داخل ژنراتور می شود نیز به دو دسته تقسیم می شود.یکی عواملی که در شبکه ی برق پیش می آید، و دیگری عواملی که در قسمت گرداننده ی روتور ژنراتور پیش می آید و مستقیما به روی ژنراتور موثر است.

الف-عواملی که در شبکه پیش می اید عبارتند از:

1-اتصال کوتاه در شبکه(به ویژه در اتصال مستقیم ژنراتور به شین)

2-بار نامتعادل

3-ازدیاد ولتاژ در اثر برداشت غیر مترقبه و پیش بینی نشده ی قسمت بزرگی از بار ژنراتور.

ب-خطاهایی که در وسیله ی گرداننده ی روتور ژنراتور پیش می اید عبارتند از:

1- خراب شدن توربین

2-قطع بخار

در ضمن باید دانست که تنها قطع ژنراتور از شبکه ی برق ، در موقع بروز خطا کافی نیست؛ بلکه باید انرژی که سبب اتصالی و خطا شده است نیز از میان برداشته شود.دستگاه هایی که باید در موقع قطع ژنراتور به کار افتد عبارتند از:

1- دستگاه برداشت تحریک

2-دستگاه خاموش کننده ی جرقه(دستگاه آتش نشانی)

حفاظت قسمت مکانیکی ژنراتور مثل دستگاه تنظیم درجه حرارت یاتاقان ها و تنظیم هوای خنک کننده و تمیز و یا هیدروژن ، مربوط به حفاظت الکتریکی ژنراتور نمی باشد، گرچه اغلب عدم کار صحیح این دستگاه ها نیز باعث قطع ژنراتور می شود.

حفاظت در مقابل خطاهای داخلی به وسیله ی دستگاه های حفاظتی زیر انجام می شود:

1-رله ی دیفرانسیل برای تشخیص اتصال دو فاز مختلف در ژنراتور

2-رله ی اتصال حلقه برای تشخیص اتصال حلقه در یک فاز روتور

2-رله ی اتصال زمین برای حفاظت ژنراتور در مقابل اتصال زمین سیم پیچی استاتور

4-رله ی توان متقابل برای حفاظت کلی ژنراتورهای کوچک

حفاظت در برابر عوامل خارجی به وسیله ی دستگاه های حفاظتی زیر انجام می شود:

1-رله ی حرارتی برای حفاظت در مقابل بار زیاد

2-رله ی جریان زیاد برای حفاظت در مقابل اتصال کوتاه

3-رله ی ولتاژ زیاد برای حفاظت در برابر ولتاژ زیاد غیر مجاز

4-رله ی بارنامتعادل برای حفاظت در برابر بار نامتعادل غیر مجاز

5-رله ی برگشت وات برای جلوگیری از حالت موتوری شدن ژنراتور

اتصال زمین در ترانسفورماتور

 

 

اتصال زمین یا اتصال بدنه در ترانسفورماتورهای روغنی،ابتدا در اثر تخلیه ی الکتریکی و سرانجام در اثر جرقه و قوس الکتریکی به وجود می آید.جرقه و تجزیه ی الکتریکی اولا باعث تجزیه ی روغن می شود و دوم اینکه باعث تولید گاز در روغن می شود.از نظر الکتریکی اتصال زمین ترانسفورماتور مثل هر اتصال زمین دیگری سبب تغییر پیدا کردن ولتاز فازها و در نتیجه جابجا شدن نقطه ی ضفر ستاره در سیستم سه فازه می شود و شدت آن نخست بستگی به ولتاژ سیم پیچی که اتصال زمین پیدا کرده است و دوم بستگی به محل اتصالی شده دارد.

تغییر مکان بردارهای ولتاژ در موقع بروز اتصال زمین برای تشخیص اتصال زمین و حفاظت آن کافی نیست، زیرا در صورتیکه شبکه نیز اتصال زمین شود، ولتاژها تغییر خواهند کرد.در موقع اتصال زمین شدن سیم پیچی ترانسفورماتور علاوه بر تغییر مکان پیدا کردن ولتاژها، جریان اتصال زمین نیز از محل اتصالی عبور می کند.این جریان حتی در شبکه ی کمپانزه شده نیز به نام " جریان زمین باقی مانده" از محل اتصالی عبور خواهد کرد.جریان اتصال زمین موقعی که سیم پیچ های ترانسفورماتور اتصال زمین پیدا کرده است باید از بدنه ی خارجی ترانسفورماتور به زمین عبور کند.در صورتی که اگر شبکه یا سیم رابط ترانسفورماتور اتصال زمین پیدا کند،جریان اتصال زمین از بدنه ی ترانسفورماتور عبور نمی کند، بلکه یک مسیر نامشخص را می پیماید.

حفاظت ترانسفورماتور در مقابل اتصال زمین

برای تشخیص اتصال زین ترانسفورماتور و حفاظت آن در مقابل خطاهایی که اتصال زمین به وجود می آورد یه روش وجود دارد که عبارتند از:

الف-مراقبت روغت توسط رله ی بوخهلتس

ب-رله ی دیفرانسیل

ج-سنجش جریان زمین

در دو روش الف و ب ، سیم های رابط و خروجی ترانسفورماتور در مقابل اتصال زمین حفاظت نمی شود و دوم ایکه طرز کار و عمل آنها در صفحات قبل به تفصیل گفته شده است.از این جهت فقط به شرح روش سنجش جریان زمین می پردازیم.

سنجش جریان زمین جهت کنترل و حفاظت ترانسفورماتور در مقابل اتصال زمین

جهت کنترل جریان زمین، بدنه ی ترانسفورماتور را به یک ترانسفورماتور جریان، که یک طرف آن زمین شده است وصل می کنیم.حسلسیت و دقت این دستگاه در موقع بروز اتصالی بستگی به نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان و یا به عبارت دیگر بستگی به شدت جریان در طرف زکوندر ترانسفورماتور جریان دارد.از طرف دیگر شدت این جریان بستگی به بزرگی و وسعت شبکه دارد.جریان اتصال زمین در صورتی که اتصالی در طرفی از سیم پیچ ترانسفورماتور باشد که به شبکه متصل نیست، بسیار ناچیز و کوچک است.از این جهت شاید بهتر باشد که جریان نامی ترانسفورماتور را حتی المقدور کوچک انتخاب کرد.ولی این عمل این عیب بزرگ را دارد که در حالت اتصال دوبل زمین، جریان اتصال کوتاه بزرگی از ترانسفورماتور عبور می کند و سبب آسیب دیدن ترانسفورماتور و رله خواهد شد.اگر حساسیت دستگاه حفاظت برای سنجش این خطا کافی نباشد، رله موقعی غمل می کند که یک قسمت بزرگی از شبکه قطع شده باشد.رله ی ترانس جریان یک رله ی جریان زیاد می باشد که به محض عمل کردن سبب قطع ترانسفورماتور از شبکه می شود.

ترانسفورماتورها - ساختمان و کاربرد آنها

 

 

ترانسفورماتور (ترانسفورمر) دستگاهی است که انرژی الکتریکی را از یک مدار به مداری دیگر و از راه پیوستگی مغناطیسی بین سیم پیچهای خود انتقال می دهد.به غیر از ترانسفرماتور های با هسته ی هوایی،سیم پیچهای بقیه ی ترانسفورماتور ها به دور هسته ی آهنی با هدایت مغناطیسی بالا و یا به دور هسته های جداگانه که از نظر مغناطیسی به یکدیگر متصل شده اند پیچیده می شوند.در ترانسفورماتورها، جریان متغیر جاری شده در سیم پیچ اولیه با نام "جریان اولیه"،میدان مغناطیسی متغیری را در هسته (یا هسته های) ترانسفورماتور به وجود می آورد.میدان مغناطیسی متغیر باعث ایجاد یک نیروی محرکه ی مغناطیسی(

اگر یک بار الکتریکی به سیم پیچ ثانویه ی ترانسفورماتور متصل گردد،جریان الکتریکی در سیم پیچ ثانویه جاری می گردد و در نتیجه انرژی الکتریکی از ترانسفورماتور به مدار ثانویه جاری می شود.در یک ترانسفورماتور ایده آل نسبت ولتاژ ثانویه(

EMF) و یا یک ولتاژ در سیم پیچ ثانویه می شود.این اثر "القای متقابل" نامیده می شود.Vs) به ولتاژ اولیه(Vp) برابر است با نسبت تعداد دورهای سیم پیچ ثانویه به تعداد دور سیم پیچ اولیه.

با تغییر دادن تعداد دور سیم پیچها،و در صورتی که نسبت تعداد دور ثانویه(

ترانسفورماتورها در اندازه های مختلف از یک ترانسفورماتور

تاریخچه

اصول نخستین ترانسفورماتور نخستین بار در سال 1831 توسط مایکل فارادی و در نتیجه ی اثبات نظریه ی القای الکترومغناطیسی اعلام شد.اما در آن زمان هنوز نقش القای الکترومغناطیسی در تولید نیروی محرکه ی مغناطیسی مشخص نشده بود.اولین سیم پیچ های الکترومغناطیسی به روشی که استفاده ی آنها متدوال شد توسط نیکولاس کالان یکی از نخستین محققانی که پی برد افزایش تعداد دور در ثانویه ی یک ترانسفورماتور در تولید نیروی محرکه ی مغناطیسی بیشتر در اولیه ربط دارد در ایرلند و در سال 1936اختراع شد.بوبین های مغناطیسی به کوشش دانشمندان و مخترعان برای گرفتن ولتاژ بیشتر از باطری ها بهبود پیدا کردند.بین سالهای 1830 و 1870تلاش هایی که برای ساختن سیم پیچ های بهتر که بیشتر بر پایه ی روش سعی و خطا بود رفته رفته قوانین اساسی ترانسفورماتور ها را آشکار کرد.تا سال 1880 هیچ گونه طراحی موثر و کارآمد انجام نشد.اما در یک دهه مشخص شد که ترانسفورماتور ها در سیستمهای توزیع جریان متناوب نسبت به جریان

در سال 1876 یک مهندس روسی به نام پاول یابلوچکوف سیستم روشنایی بر پایه ی چندین سیم پیچ الکتریکی اختراع کرد که در آن سیم پیچ اولیه به منبعی با جریان متناوب متصل شده بود و سیم پیچ ثانویه می توانست به چندین لامپ متصل شود.سیم پیچ هایی که در این سیستم استفاده شده بود به عنوان ترانسفورماتور اولیه رفتار می کردند.این اختراع اذعان می کرد که این سیستم می تواند چندین منبع ولتاژ جداگانه را از تنها یک منبع برق به لامپ های با قدرت های متفاورت تامین کند.

تولد نخستین ترانسفورماتور

بین سالهای 1884 و 1885 دانشمندان مجارستانی اولین مدل هسته ی بسته ی

اصول پایه

ترانسفورماتور بر دو قائده ی کلی استوار می باشد.نخست اینکه جربان الکتریکی باعث تولید یک میدان مغناطیسی می شود و دوم اینکه میدان مغناطیسی متحرک باعث القای ولتاژ در سیم پیچ ثانویه شده و در دو سر سیم پیچ ثانویه اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود می آورد.تغییرات جریان سیم پیچ اولیه باعث تغییرات شدت میدان مغناطیسی تولید شده می شود.شار متغیر مغناطیسی از میان سیم پیچ ثانویه عبور کرده و باعث ایجاد ولتاژ در آن می شود.

قانون القا

ولتاژ القا شده در سیم پیچ ثانویه را می توان از رابطه ی قانون القای فارادی بر اساس زیر محاسبه کرد

که در این رابطه

Ns) بیشتر از تعداد دور اولیه(Np) باشد، یک ترانسفورماتور باعث افزایش ولتاژ خروجی می شود و در صورتی که تعداد دور اولیه از تعداد دور ثانویه بیشتر باشد،ترانسفورماتور باعث کاهش ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی می شود.به اندازه ی ناخن انگشت که در یک میکروفن کارگذاری شده تا ترانسفورماتورهای غول پیکر چند هزار تنی که برای اتصال شبکه های قدرت کشورها استفاده می شوند ساخته می شوند.اما با وجود اینکه اندازه های ترانسفورماتورها گوناگون می باشد کاربرد و استفاده ی همه ی ترانسفورماتورها بر اساس یکسری اصول پایه ای مشترک می باشد.اگرچه فناوری های نوین نیاز استفاده از ترانسفرماتورها را در بعضی از مدارات الکترونیکی از بین بردند اما ترانسفورماتورها هنوز هم در خیلی از مدارات الکترونیکی که برای کار با برق شهر ساخته و طراحی می شونداستفاده می شوند.ترانسفورماتورها از اساسی ترین دستگاه های انتقال قدرت در ولتاژهای بالا می باشند که انتقال انرژی در فاصله های طولانی را کارآمد و مقرون به صرفه می سازند.dc بسیار مناسب تر هستند و این موضوع باعث شد که ترانسفورماتور ها تا به امروز در این مورد پابرجا بمانند.ZBD را ساختند.(ZBDمخفف نام سازندگان این هسته می باشد).این دانشمندان کشف کردند که سیم پیچهای پیشین با هسته ی باز یا هسته ی هوایی قادر به تنظیم ولتاژ نیستند و همین موضوع باعث شده بود که آنها کمتر موثر واقع شوند.حق اختراع مشترک این سه محقق ترانسفورماتور بدون قطبی را معرفی می کرد که شامل دو نوع ترانسفورماتور می شد،ترانسفورماتور با هسته ی بسته و ترانسفورماتور با هسته ی پوستی.در ترانسفورماتور با هسته ی بسته،هسته از جنس آهن و به شکل گرد بود که سیم پیچ ها به طور منظم دور آن پبچیده شده بود.در ترانسفورماتور با هسته ی پوستی،سیم پیچها از میان هسته عبور می کردند.در هر دو طرح، تقریبا تمام شار مغناطیسی که بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه عبور می کرد، از هسته ی آهنی عبور میکند.این هسته شامل صفحات آهنی و یا ساده بود.بر پایه ی همین اختراع این امکان به وجود آمد تا روشنایی مقرون به صرفه برای صنایع و خانه ها فراهم شود.Vs ولتاژ لحظه ای ،Ns بیانگر تعداد دور های سیم پیچ ثانویه و علامت ( فی) بیانگر میزان شار مغناطیسی در یک دور از سیم پیچ می باشد.اگر تعداد دورهای سیم پیچ ها نسبت به خطوط قوا( شار) به صورت عمودی قرار گیرد،شار مغناطیسی در نتیجه ی شدت میدان مغناطیسی B سطح مقطعی که سیم شار را قطع می کند(A) می باشد.سطح مقطع ثابت می باشداما میزان شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ اولیه به نسبت زمان تغییر می کند.وقتی که در یک ترانسفورماتور ایده ال شار مغناطیسی هم از سیم پیچ اولیه و هم از ثانویه عبور کند،ولتاژ لحظه ای در سیم پیچ اولیه از رابطه ی زیر بدست می آید:

با توجه به مقدار معادله های

معادله ی قدرت ایده آل

اگر به سیم پیچ ثانویه باری وصل شود که باعث جاری شدن جریان الکتریکی بشود،انرژی الکتریکی از سیم پیچ اولیه به سیم پیچ ثانویه منتقل می شود.به طور ایده آل ترانسفورماتوری ایده آل است که تمام انرژی الکتریکی از مدار اولیه و از راه میدان مغناطیسی هسته به مدار ثانویه منتقل شود.اگر این شرط حاصل شود،انرژی الکتریکی ورودی باید با انرژی الکتریکی خروجی برابر باشد.

Vs و Vp میتوان به معادله ای اساسی برای کاهش یا افزایش ولتاژ دست یافت

Pin=IpVp=IsVs

اگر ولتاژ افزایش یابد(ترانس افزاینده) جریان خروجی به همان نسبت کاهش می یابد.ترانسفورماتورها معمولا بر اساس همین رابطه ایده آل تخمین زده می شوند.

بررسی مفصل تر

اصولی که در بالا مطرح شد از خیلی از عوامل کارآمد و اصلی،به خصوص در مورد جریان مورد نیاز سیم پیچ اولیه و تقابل این جریان با میدان مغناطیسی ناشی از سیم پیچ ثانویه چشم پوشی می کند.

مدل های ترانسفورماتور های ایده آل معمولا با یک هسته با رلوکتانس(مقاومت مغناطیسی) پایین و دو سیم پیچ با مقاومت الکتریکی صفر شبیه سازی می شوند.وقتی که یک ولتاژ به سیم پیچ اولیه اعمال می شود یک جریان کوچک باعث ایجاد میدان مغناطیسی هسته می شود.جریان مورد نیاز برای تولید میدان مغناطیسی " جریان مغناطیس کننده " نامیده می شود.در حالت ایده آل که هسته های مغناطیسی دارای مقاومت مغناطیسی نزدیک به صفر فرض می شوند،جریان مغناطیس کننده بسیار ناچیز است اما این جریان برای تولید میدان مغناطیسی لازم می باشد.

میدان مغناطیسی متغیر باعث القای یک نیروی محرکه ی مغناطیسی(

  EMF) در دوسر هر کدام از سیم پیچ ها می شود.در ترانسفورماتور های ایده آل که سیم پیچ ها دارای هیچ امپدانسی(مقاومت ظاهری) نمی باشند بنا بر این دارای هیچ افت ولتاژی نمیباشند و در نتیجه ولتاژ اندازه گیری شده در ترمینال های ترانسفورماتور برابر با مقدار نیروی محرکه ی مغناطیسی محاسبه شده بر روی کاغذ می باشد.نیروی محرکه ی مغناطیسی ثانویه که با ولتاژ تولید شده در ثانویه مخالفت می کند معمولا EMF برگشتی نامیده می شود.این موضوع بر اساس قانون لنز می باشد که این قانون بیان می کند که "نیروی محرکه ی مغناطیسی همواره با تغییر میدان مغناطیسی مخالفت می کند". 

نیروگاه حرارتی

یک نیرو گاه حرارتی نیروگاهی است که در آن محرک اولیه به وسیله ی بخار به حرکت در می آید.در این نیروگاه ابتدا آب گرم شده و سپس به بخار تبدیل می شود و این بخار باعث چرخاندن توربین بخاری می شود که این توربین نیز باعث چرخاندن ژنراتور(مولد) الکتریکی می شود.وقتی که بخار از میان توربین حرکت می کند،در یک کندانسور(متراکم کننده) متراکم می شود.این موضوع بیشتر با نام "سیکل ترکیبی" شناخته می شود.بیشترین تغییر در طراحی نیروگاه های حرارتی ناشی از منابع سوخت مختلف می باشد.بعضی جاها ترجیح داده می شود که در این نیرو گاه ها از یک مرکز انرژی استفاده کنند چونکه این امکانات باعث تبدیل انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی می شود.

تقریبا تمام نیروگاه های زغالی،نیروگاه های هسته ای ،زمین گرمایی،و نیروگاه های خورشیدی و بعلاوه ی خیلی از نیروگاه های گازی جزو نیروگاه های حرارتی محسوب می شوند.در نیرو گاه سیکل ترکیبی گاز طبیعی به طور مکرر در توربین های گازی و دیگ های بخار سوزانده می شود.گرمای اتلاف شده از توربین گازی می تواند برای ایجاد بخار استفاده شود و این کار باعث بهبود بازده کلی نیرو گاه های سیکل ترکیبی می شود.

بعضی از این نیروگاه ها در محیطی بسیار بزرگ و برای دادن توان بسیار زیاد و دایمی طراحی و ساخته می شوند.

تاریخچه

موتورهای بخاری از قرن هجدهم و با بهبود هایی که جیمز وات بر روی آنها انجام داد به عنوان راه انداز دستگاه های مکانیکی استفاده شده اند.یکی از نخستین نیروگاه های مرکزی تولید برق در سال 1882 در لندن و نیویورک از موتور های بخار استفاده می کرده.به مرور زمان که اندازه ی مولد های برق افزایش می یافت،برای افزایش بازدهی و هزینه ی پایین ساخت جایگزین موتور های بخار قدیمی شدند.تا سال 1920 همه ی نیروگاه های مرکزی برق با توان بیشتر از چند هزار کیلو وات از توربین ها به عنوار محرک اولیه استفاده کردند.

بازدهی

بازدهی الکتریکی نیروگاه های حرارتی مرسوم، که به عنوان انرژی الکتریکی قابل فروش باسبارهای نیرو گاه تلقی می شوند در مقایسه با گرمای سوخت مصرفی شان معمولا بین 33 تا 48% می باشد که این بازده به دلیل وجود قوانین ترمودینامیک حاکم بر توربین ها محدود شده است.مابقی انرژی بایستی به صورت انرژی گرمایی از نیروگاه خارج شود.این گرمای اتلاف شده می تواند در معرض سیستم خنک کننده و یا برج های خنک کننده قرار گیرد.یک کلاس مهم و ویژه از نیروگاه های حرارتی دارای یک بخش با امکانات "نمک زدایی" می باشد.این امکانات معمولا در کشور های بیابانی و کشور های با منابع گاز زیاد یافت می شود و در این نوع نیرو گاه ها جریان برق و همچنین "آب آشامیدنی" از مهمترین محصولات می باشند.

از آنجایی که بازده یک نیروگاه حرارتی اساسا به خاطر مقدار ثابت دمای بخار در ورودی و خروجی توربین محدود می باشد،بهبود بازده تنها با استفاده از دمای بالاتر و در نتیجه فشار بخار بالاتر محقق می شود.در طول تاریخ مایعات کارآمد دیگر مانند جیوه به طور آزمایشی در نیروگاه بخار جیوه استفاده شده اند و این در حالی است که این مایعات می توانند به دماها و فشارهای بالاتر نسبت به آب برسند.اما خطرات سمی بودن جیوه و همچنین پایین بودن قابلیت انتقال گرمای جیوه،این ماده را از مایعات قابل استفاده در نیروگاه کنار گذاشت.

مولد بخار

دیگ مولد بخار باید بخار را در بالاترین میزان خلوص و فشار و حرارت و به میزانی که توربین بخار برای به حرکت در آوردن ژنراتور نیاز دارد تولید نماید.

ژنراتور از چندین بخش شامل دستگاه کاهش مصرف،ظرف بخار،دستگاه تنظیم کننده ی شیمیایی و کوره همراه با لوله های تولید بخار و لوله های افزاینده ی حرارت تشکیل شده است.شیر های اطمینان نیز برای جلوگیری از افزایش فشار دیگ بخار در جای مناسبی نصب می شوند.دودکش و محفظه ی هوا شامل بادبزن،دستگاه پیش گرم کننده،کوره ی دیگ بخار،جمع کننده خاکستر(الکترو استاتیکی،ته نشین کننده،کیسه ای) از دیگر اجزا آن می باشند.