پيدايش صنعت برق در جهان:
در ميان همه وسايلي كه براي تهيه و تبديل انرژي ابداع شد، برنده نهايي را بايد ماشينهاي توليد و مصرف كننده انرژي برقي دانست. قوانين اساسي الكريسيته را كولن در سال 1785.م عرضه كرد. در سال 1800.م ولتا پيل الكتريكي را اختراع نمود و بالاخره در سال 1871.م با اختراع ماشين گرام راه براي تبديل كلان انرژي مكانيكي به الكتريكي و بالعكس باز گرديد.
دستگاههاي مولد نيروي آن يك ماشين بخار افقي تك سيلندر به قدرت تقريبي يكصد اسب بخار بود كه اين ماشين توسط تسمه، آسياي گل ساز و قالب فشاري را به حركت در ميآورد. نكته جالب اينكه در اين كارخانه، از برق و ماشينهاي برقي خبري نبود و برشها به صروت دستي انجام ميگرفت.
بخار مصرفي اين مولدها با استفاده از دو ديگ بخار با فشار تقريبا سيزده اتمسفر تامين ميشد. سوخت اين ديگها زغالسنگ بود و پخش زغال و خاكستركشي با بيلچه و سيخهاي بلند صورت ميگرفت و براي انجام اين كارها نياز به كارگران متخصص بود. جهت تهويه هوا هيچ دستگاهي به كار نميرفت و تنظيم هوا به صورت دستي با كمك دريچههايي كه در كوره دودكشها تعبيه شده بود، صورت ميگرفت.
ژنراتور:
مولدي است كه انرژي مكانيكي را به انرژي الكتريكي تبديل ميكند. هر ژنراتور داراي يك محور و چند سيم خروجي است. باچرخاندن محور انرژي الكتريكي توليد ميشود. براي چرخاندن محور ژنراتور يا آن را با محور يك موتور ديزلي و يا يك توربين كوپله مي كنند. براي چرخاندن توربين از انرژيها وروش هاي متفاوتي مي توان بهره جست. در اكثر نيروگاهها از اين مولد براي توليد برق استفاده مي شود. ژنراتورها برق با جريان متناوب توليد مي كنند. دينام دوچرخه يك ژنراتور است.
دينام: در تعريف اصلي وسيلهاي است كه برق مستقيم توليد مي كند. در دينام ژنراتوري وجود دارد كه به وسيله كوموتاتورش جريان متناوب تبديل به جريان مستقيم مي شود.
آلترناتور: اين وسيله نيز جريان مستقيم توليد ميكند. در اين وسيله نيز يك ژنراتور وجود دارد كه در آن به وسيله ديودهاي يكسوساز جريان متناوب به جريان مستقيم تبديل ميگردد.
باتري:
به آن پيل نيز گفته ميشود. اين مولد انرژي شيميايي را به انرژي الكتريكي تبديل ميكند و به دو صورت باتري خشك و باتريتر موجود است. باتريهاي خشك براي به كار انداختن وسايل بازي، راديو ها، چراغ قوه و ديگر وسايل برقي مورد استفاده قرار مي گيرند. باتريها در اندازهها و شكلهاي مختلف ساخته مي شوند. اين باتريها پس از مدتي كه كار كردند انرژي آنها تمام مي شود و بايد دور انداخته شوند.
2
باتريهاي تر طوري طراحي شده اند كه مي توانند در دفعات زياد پر و خالي شوند مانند باتري اتومبيل. باتري ها، برقي با جريان مستقيم ايجاد مي كنند.
ترموكوپل:
شامل دو فلز غير هم جنس است كه از يك طرف به هم متصلاند. براي توليد برق بايد محل اتصال دو فلز را حرارت داد. در اين صورت در دو سر ديگر كه آزاد هستند برق توليد مي شود. البته برقي كه به اين صورت تهيه مي شود، بسيار كم است. از اين خاصيت براي اندازهگيري درجه حرارت كورهها استفاده مي شود. ترموكوپل برق با جريان مستقيم توليد ميكنند.
باتري خورشيدي:
اين مولد بيشتر در اكتشافات فضايي مورد استفاده قرار مي گيرد ونور خورشيد را به انرژي الكتريكي تبديل ميكند. اين مولد از فلزاتي نظير سلنيوم ساخته شده
سيستم هاي سه فازه
در كشورهاي صنعتي، سه فاز روش عمومي انتقال توان سه فاز است. اين سيستم در وقع نوعي از سيستم چند فازاست.
در نيروگاه هاي برق يك ژنراتور الكتريكي توان مكانيكي را به يك دسته از جريان هاي الكتريكي متناوب تبديل مي كند كه از هر كدام از سيم پيچ هاي الكترومغناطيسي يا سيم پيچ هاي ژنراتور توليد مي شوند. جريان ها همگي توابعي سينوسي از زمان هستند و همگي داراي فركانسي مشابه اما با زاويه هاي فاز متفاوت.
در يك سيستم سه فاز، زاويه ها داراي اختلاف 120 درجه اي (كه حداكثر جداسازي ممكن بين زاويه هاست) هستند. فركانس معمولاً در اروپا 50 هرتز و در ايالات متحده 60 هرتز است ليست كشورها به همراه پريزهاي خطوط برق، ولتاژها و فركانس ها را مشاهده كنيد.) سه فاز معمولاً توسط رنگ ها نشانه گذاري شدهاند،که به طور سنتي قرمز، زرد و آبي هستند.
خروجي ولتاژ ژنراتورها از چند صد ولت تا بالاي 20000 ولت تغيير مي كند. اين ولتاژ معمولاً توسط يك ترانسفورماتور به يك سطح ولتاژ بالاتري تبديل مي شود. علت اين افزايش ولتاژ هم كاهش تلفات است. توان برابر حاصلضرب ولتاژ و جريان است، بنابراين براي يك توان داده شده اگر شما ولتاژ را افزايش دهيد جريان كاهش مي يابد. تلفات گرمايي در يك خط انتقال با مجذور جريان متناسب است و در نتيجه اگر شما جريان را نصف كنيد، تلفات يك چهارم مي شود. به همين علت برخي از خطوط انتقال در سطح ولتاژي بيش از 500،000 ولت كار مي كنند.
در انتهاي خط انتقال، يك پست برق يا يك ترانسفورماتور، برق را از ولتاژ زياد خطوط انتقال به سه جريان متغير سينوسي با ولتاژ 120 ولت (در ايالات متحده) يا 230 ولت (در اروپا) جريان متناوب (Vac) تبديل مي كند. سپس اين برق از طريق چهار سيم به مدارات مصرف كننده ها در يك تابلوي فرمان اصلي، ارائه مي شود. يكي از سيم ها خنثي است يا در منبع برق زمين شده است، فازها يا سه خط ديگر، برق را به نقطه مقصد يا ترانسفورماتورهاي تغذيه مي رسانند. با برقراري اتصال بين يك فاز و سيم خنثي، ولتاژي معادل 120 ولت متناوب (يا 230 ولت متناوب) براي مدار متصل شده فراهم مي شود.
شبكه انتقال توان به گونه اي طراحي شده است كه هر فاز اندازه جرياني برابر را از خود عبور دهد، همه جريان هاي برگشتي از مناطق مسكوني مصرف كننده ها به نيروگاه، در جريان سيم خنثي سهيم هستند، اما سيستم سه فاز تضمين مي كند كه جمع جريان هاي برگشتي تقريباً صفر است.
3
اتصال بين دو فاز ولتاژي معادل 3√ يا 73/1 برابر ولتاژ تك فاز را ايجاد مي كند (208 ولت متناوب در ايالات متحده، 400 ولت متناوب در اروپا). شكل موج هاي داراي اختلاف فاز، با يكديگر جمع مي شوند تا يك پيك ولتاژي بالاتري را در شكل موج نهايي ايجاد كنند. چنين اتصالي را اتصال خط به خط مي نامند و معمولاً با يك مدار شكن دو قطب صورت مي گيرد. از اين نوع اتصال بيشتر براي گرمكن ها مانند يك گرمكن قرنيزي 2 كيلو وات و 208 ولت، استفاده مي كنند.
ولتاژهاي استاندارد ديگر موجود در آمريكاي شمالي شامل ولتاژهاي 240 ولت فاز به فاز، 277/480 ولت و 347/600 ولت مي شود. ولتاژ فاز به زمين (سطح ولتاژ پايين تر) دو مورد آخر عموماً تنها براي روشنايي به كار مي رود. ولتاژ 600 ولت در كانادا بسيار بيشتر از آمريكا، معمول است.
در موتورهاي سه فاز يا هواسازهاي كارا (براي مثال اكثر بخش هاي York كه بالاي 5/2 تن هستند، سه فاز اند) هر سه فاز برق مورد استفاده قرار مي گيرد چرا كه اين بهترين راه انتقال مقادير بزرگ توان الكتريكي است. گفتني است كه راه اندازي موتور، توان بيشتري را نياز دارد.
برخي دستگاه هايي ساخته شده اند كه يك سه فاز مصنوعي را از يك برق تك فاز تپ ـ وسط (240 ولت متناوب در ايلات متحده، با تفكيك زاويه 180 درجه) ايجاد مي كنند. اين عمل با ايجاد يك "زير فاز" سوم بين دو قطب انجام مي شود كه منجر به يك تفكيك فاز 90=90-180 درجه اي مي شود. بسياري از دستگاه هاي سه فاز بر اين اساس كار مي كنند، اما با يك فركانس پايين تر.
برخي اوقات برق تك فاز تپ ـ وسط240 ولت متناوب، به غلط برق "دو فاز" خوانده مي شود. بايد توجه شود كه يك سيستم دو فاز سيستمي است كه در آن دو ولتاژ داراي اختلاف 90 درجه اي هستند. براي مثال، اگر يكي از ولتاژها برابر
Cos 2п) * 60t)
و ديگري
sin 2п) * 60t)
است، آنگاه شما يك سيستم دو فاز داريد كه به عنوان سيستم عمود (يكي به عنوان بخش حقيقي و ديگري به عنوان بخش موهومي در نظر گرفته مي شود) نيز شناخته مي شود. يك سيستم دو فاز به ازاي 120 ولت متناوب خط به خنثي تقريباً ولتاژي معادل 7/169 ولت متناوب خط به خط را ايجاد مي كند.
سيستم هاي دو فاز تنها براي توان بالا به كار مي روند چرا كه آنها نياز به سيم هايي به همان تعداد سيم ها ي ارتباطي اتصال مثلث سه فاز دارند (براي مثال يكي براي سينوس، يكي براي كسينوس و يك سيم مشترك) و نيز سيستم دو فاز مقدار انرژي يكسان را در هر يك از سه سيم توزيع نمي كند (اگر چه سينوس و كسينوس متعادل اند، اما سيم خنثي مانند دو تاي ديگر نيست). گفته مي شود كه يك سيستم دو فاز توان مختلط ايجاد مي كند و چنين سيستم هايي در ولتاژهاي پايين تر به كار مي روند (براي مثال براي كاربردهاي ارتباطي، يا راه انداختن موتورهاي پله اي و مانند اين) و عموماً در سطح توان هاي بالا توزيع نشده اند.
در عمل، اگر ما فازورهاي يك سيستم دو فاز يا سه فاز را حول دايره واحد در صفحه مختلط رسم كنيم، داراي يك نوع از توان مختلط خواهيم بود.
يك سيستم فاز شكسته (تپ ـ وسط) 240 ولت متناوب، وقتي كه به صورت فازورها روي صفحه مختلط رسم شود، مي تواند كاملاً در طول محور حقيقي وجود داشته باشد. در واقع، اين كمبود قابليت توان مختلط است كه
4
توانايي يك سيستم تغذيه را براي توليد يك ميدان دوار مغناطيسي تضعيف مي كند و اين ميدان دوار مغناطيسي است كه موجب گردش موثر موتورها مي شود. چنين برقي (فاز شكسته) براي گرمايش خوب است، اما مثلاً براي گرداندن يك هوا ساز خيلي بهتر است تا از توان مختلط استفاده كنيم.
چگونه تغذيه سه فاز را امتحان كنيم :
يك تغذيه سه فاز الكتريكي شامل سه هادي فعال و يك زمين مي شود.
اگر كه تغذيه الكتريكي يك موتور القايي سه فاز بين پارامترهاي معيني نباشد، نمي تواند به درستي كار كند. اين پارامترهاي نوعي مانند مقابل اند: 208 يا 415 ولت بين فازها، 120 يا 240 ولت بين هر فاز و زمين، خطاي ولتاژ كمتر از 12 درصد مقادير نامي و اختلاف ولتاژ هر فاز كمتر از 5 درصد فاز ديگر.
در يك مدار موتور القايي سه فاز نوعي، يك مكان مناسب براي آزمايش در طرف خط راه انداز مستقيم موتور است.
چگونه دستگاه ها ي سه فاز را امتحان كنيم :
دستگاه هاي سه فاز نظير پمپ ها، كمپرسورها، و ... بايستي فازهايشان به ترتيب درستي وصل شود تا از خرابي آنها جلوگيري شود. اين دستگاه ها عموماً هنگامي كه به اشتباه وصل شوند جريان كمتري را مي كشند و مي توانند به آساني توسط يك آمپروب (گيره روي آمپر متر) براي ميزان جرياني كه از شبكه مي كشند امتحان شوند.
براي مثال آزمايش يك هوا ساز كه داراي يك كمپرسور است، مي توان فهميد كه اگر اين وسيله به صورت غلطي به برق سه فاز متصل شود، جريان بسيار كمي را خواهد كشيد و بنابراين جاي هر كدام از دو سيم برق را مي توان براي تغيير فازها عوض كرد.
موتورهاي جيبي كوچكي وجود دارند كه از جهت چرخش آنها مي توان براي تشخيص توالي فازها استفاده كرد. اين موتورها گران هستند. يك جايگزين ارزا نتر استفاده از سه لامپ نئون و ديدن اينكه توالي فاز يا روشن شدن لامپ ها در چه جهتي مي چرخد، است.
پريزهاي الكتريكي سه فاز :
برق سه فاز را مي توان با استفاده از يك پريز سه فاز يا با سه تايي كردن، تغذيه كرد. اغلب پريزها، پريزهاي دوتايي اند. حفره هاي بالايي و پاييني را مي توان در صورت تمايل از هم جدا كرد و براي مثال با مدار شكن هاي مجزايي با يك نول مشترك تغذيه شوند. اين كار را معمولاً در آشپزخانه ها انجام مي دهند كه در آنها احتمالاً يك بار زياد روي هر دو پريز اعمال مي شود. در اين صورت يك مدار شكن دو قطب تريپ (قطع كننده) مورد نياز است.
ايده دو برابر كردن را مي توان به سه برابر كردن گسترش داد، تا اينكه سه پريز دوگانه را بتوان با يك نول مشترك از يك منبع سه فاز تغذيه كرد. عموماً يك مدار شكن سه قطب تريپ عمومي 15 ميلي آمپر براي تغذيه
5
چنين پريزي به كار مي رود. اين امر بارهاي سه فاز تكي را قادر مي سازد تا به صورت يك توالي فازي تغذيه شوند.
مثالي از اين بار يك لامپ با سه حباب است. براي داشتن عملكردي بدون چشمك زني، سه حباب هر كدام با يك دوشاخه جدا نصب مي شوند و با اختلاف فاز 120 درجه اي نسبت به هم از يك پريز سه تايي راه اندازي مي شوند. بالاي پريزها همان گونه كه در شكل نشان داده شده، لامپ هاي نئون قرار داده شده تا توالي فاز را در بارهاي سه تايي كه توالي صحيح فازها مورد نياز است نشان دهد.
ترانسفورماتور
قسمت اعظم انرژی الکتریکی مورد نیاز انسان در تمام کشورهای جهان ، توسط مراکز تولید مانند نیروگاههای بخاری ، آبی و هستهای تولید میشود. این مراکز دارای توربینها و آلترناتیوهای سه فاز هستند و ولتاژی که بوسیله ژنراتورها تولید میشود، باید تا میزانی که مقرون به صرفه باشد جهت انتقال بالا برده شود. گاهی چندین مرکز تولید بوسیله شبکهای به هم مرتبط میشوند تا انرژی الکتریکی مورد نیاز را بطور مداوم و به مقدار کافی در شهرها و نواحی مختلف توزیع کنند.
در محلهای توزیع برای اینکه ولتاژ قابل استفاده برای مصارف عمومی و کارخانجات باشد، باید ولتاژ پایین آورده شود. این افزایش و کاهش ولتاژ توسط ترانسفورماتور انجام میشود. بدیهی است توزیع انرژی بین تمام مصرف کنندههای یک شهر از مرکز توزیع اصلی امکانپذیر نیست و مستلزم هزینه و افت ولتاژ زیادی خواهد بود. لذا هر مرکز اصلی به چندین مرکز یا پست کوچکتر (پستهای داخل شهری) و هر پست نیز به چندین محل توزیع کوچکتر (پست منطقهای) تقسیم میشود. هر کدام از این مراکز به نوبه خود از ترانسهای توزیع و تبدیل ولتاژ استفاده میکنند.
بطور کلی در خانواده و توزیع انرژی الکتریکی ، ترانسفورماتورها از ارکان و اعضای اصلی هستند و اهمیت آنها کمتر از خطوط انتقال و یا مولدهای نیرو نیست. خوشبختانه به دلیل وجود حداقل وسایل دینامیکی در آنها کمتر با مشکل و آسیب پذیری روبرو هستند. مسلما این به آن معنی نیست که میتوان از توجه به حفاظتها و سرویس و نگهداری آنها غفلت کرد. در این مقاله نخست مختصری از تئوری و تعاریفی از انواع ترانسفورماتورها بیان میشود، سپس نقش ترانسفورماتورها در شبکه تولید و توزیع نیرو و در نهایت شرحی در مورد سرویس و تعمیر ترانسها ارائه میشود.
6
تئوری و تعاریفی از ترانسفورماتورها:
ترانسفورماتورها به زبان ساده و شکل اولیه وسیلهای است که تشکیل شده از دو مجموعه سیم پیچ اولیه و ثانویه که در میدان مغناطیسی و اطراف ورقههایی از آهن مخصوص به نام هسته ترانسفورماتور قرار میگیرند. مقرهها یا بوشینگها یا ایزولاتورها و بالاخره ظرف یا محفظه ترانسفورماتور.
کار ترانسفورماتورها بر اساس انتقال انرژی الکتریکی از سیستمی با یک ولتاژ و جریان معین به سیستم دیگری با ولتاژ و جریان دیگر است. به عبارت دیگر ترانسفورماتور دستگاهی است استاتیکی که در یک میدان مغناطیسی جریان و فشار الکتریکی را بین دو سیم پیچ یا بیشتر با همان فرکانس و تغییر اندازه یکسان منتقل میکند.
انواع ترانسفورماتورها:
سازندگان و استانداردها در کشورهای مختلف هر یک به نحوی ترانسفورماتورها را تقسیم بندی کرده و تعاریفی برای درجه بندی آنها ارائه دادهاند. برخی ترانسها را بنا بر موارد و ترتیب بهره برداری آنها متفاوت شناختهاند، مانند ترانسهای انتقال قدرت ، اتو ترانس و یا ترانسهای تقویتی و گروهی از ترانسها را به غیر از ترانسفورماتور اینسترومنتی(ترانس جریان و ولتاژ(، ترانس قدرت مینامند و اصطلاحا ترانس قدرت را آنهایی میدانند که در سمت ثانویه آنها فشار الکتریکی تولید میشود.
این نوع تقسیم بندی در عمل دامنه وسیعی را در بر میگیرد که در یک طرف آن ترانسفورماتورهای کوچک و قابل حمل با ولتاژ ضعیف برای لامپهای دستی و مشابه آن قرار میگیرند و طرف دیگر شامل ترانسهای خیلی بزرگ برای تبدیل ولتاژ خروجی ژنراتور به ولتاژ شبکه و خطوط انتقال نیرو است. در بین این دو اندازه (حد متوسط(ترانسهای توزیع و یا انتقال در مؤسسات الکتریکی و ترانسهای تبدیل به ولتاژهای استاندارد قرار دارند.
ترانسها اغلب به صورت هستهای یا جداری طراحی میشوند. در نوع هستهای در هر یک از سیم پیچها شامل نیمی از سیم پیچ فشار ضعیف و نیمی از سیم پیچ فشار قوی هستند و هر کدام روی یک بازوی هستهای قرار دارند. در نوع جداری ، سیم پیچها روی یک هسته پیچیده شدهاند و نصف مدار فلزی مغناطیسی از یک طرف و نصف دیگر از طرف هسته بسته میشود.
در اکثر اوقات نوع جداری برای ولتاژ ضعیف و خروجی بزرگ و نوع هستهای برای ولتاژ قوی و خروجی کوچک بکار میروند (بصورت سه فاز یا یک فاز(.
ترانسهای تغذیه و قدرت مانند ترانس اصلی نیروگاه ترانس توزیع و اتو ترانسفورماتور ، ترانسفورماتورهای قدرت معمولا سه فاز هستند، اما گاهی ممکن است در قدرتهای بالا به دلیل حجم و وزن زیاد و مشکل حمل و نقل از سه عدد ترانس تک فاز استفاده کنند. ترانسهای صنعتی مانند ترانسهای جوشکاری ، ترانسهای راه اندازی و ترانسهای مبدل ترانس برای سیستمهای کشش و جذب که در راه آهن و قطارهای الکتریکی بکار میرود.
آموزش جوش آلومنیوم با برق
آلومنییوم فلزی سفید رنگ است ، قابلیت هدایت الکتریکی وحرارتی آلومنییوم زیاد بوده و در مجاورت هواقشری به نام اکسید آلومینیوم روی آن را می پوشاند. که ضخامت آن 002/0 میلیمتر می باشد. و آلومینیوم را درمقابل بسیاری از گازها و مایعات محافظت می کند.
درجه ذوب آلومینیوم C 658 سانتیگراد است ، درجه ذوب اکسید آلومینیوم در حدود 2000 درجه سانتی گراد میباشد. برای بر طرف کردن این اکسید که مانع عمل جوش کاری می باشد از پوشش هائی که تولید
7
سربارهای مخصوص می نماید استفاده می کنند وگرد آلومینیوم یا گرد جوشکاری آلومینیوم بر طرف کننده قشر اکسید شده و کثافات سطحی می باشد.
انتخاب الکترود برای جوشکاری آلومینیوم با برق:
الکترودهائی که برای جوشکاری آلومینیوم استفاده می شود دارای پوشش ضخیم بوده و جنس آن حدود 95% آلومینیوم و 5% سیلیسیوم می باشد . قطر الکترود را مناسب با ضخامت قطعه کار باید انتخاب کرد. چون پوشش الکترود رطوبت را جذب می کند باید آن را حتماً درمحل خشک نگهداری کرد. الکترودهای مرطوب را می توان دردرجه حرارت 200 درجه سانتی گراد خشک کرد. زاویه الکترود نسبت به قطعه کار در جوش آلومینیوم حدود 45درجه می باشد. برای ایجاد قوس الکترود و کار، نوک الکترود و کار را باید با برس سیمی یا کاغذ سمباده تمیزکرد.
طریقه جوشکاری آلومینیوم با برق:
برای جوشکاری آلومینیوم باید طول قوس را حتی المقدور کوتاه نگهداشت . برای اینکه جوشکاری خوب انجام شودقطعات ضخیمتر از 5 میلیمتر را حدود 200 درجه و برای ضخامت های تا 20 میلیمتر را حدود 400 درجه سانتیگراد گرم می کنند. در موقع تعویض الکترود و ادامه جوشکاری بایستی حدود 3 سانتیمتر از تفاله هائی را که رویجوش بسته شده پاک کرد.
در جوش آلومینیوم با جریان برق از قطب معکوس استفاده می شود . قطعات آلومینیوم ریخته شده را باید قبل ازجوشکاری تا حدود 260 درجه سانتی گراد گرم کرد. بعد از خاتمه جوشکاری باید تفاله جوش را از روی گرده جوش پاک کرد و آن را با آب نیمه گرم شست.
ورق های آلومینیوم که ضخامت آنها از 2 میلیمتر کمتر است با جوش اکسیژن یا استیلن بهتر می توان جوش دادباید توجه داشت که از گرد مخصوص جوشکاری آلومینیوم باید در جوش گازحتماً استفاده نمود و زیر کار را نیزمحکم نموده تا از ریختن جلوگیری شود و نیز سرعت عمل در ایجاد حوزه مذاب سریع مورد نظر می باشد و نیز ازشعله قدری احیاء کننده استفاده گردد زیرا به سرد نمودن کار کمک می نماید. بهتر است از آجرهای نسوز یامواد شبیه آن استفاده گردد.