برق و مباحث مربوط به آن

[تاري]

مقدمه

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.
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. ترانسهای مخصوص آزمایش ،‌ اندازه گیری ، حفاظت مصارف الکتریکی و غیره.

[تاري]

انرژی الکتریکی یا انرژی الکترومغناطیسی صورتی از انرژی است که بستگی به موقعیت یک بار الکتریکی در یک میدان الکتریکی دارد. انرژی الکتریکی یک بار Q که در پتانسیل الکتریکی V قرار گرفته است، برابر حاصلضرب Q V است.
مقدمه

هر ماده از تعداد بسیار اتم تشکیل شده است که هر اتم نیز از سه قسمت نوترون ، پروتون و الکترون تشکلیل شده است. تعداد الکترونها با تعداد پروتونها در حالت عادی (خنثی) برابر است، الکترون دارای بار منفی و پروتون دارای بار مثبت می‌باشند، که الکترونها به دور پروتن و نوترون (هسته اتم) با سرعت بسیار زیادی می‌چرخند. در اثر این چرخش نیروی گریز از مرکزی بوجود می‌آید که مقدار این نیرو با مقدار نیروی جاذبه بین الکترونها و هسته برابر است، پس این برابری نیرو الکترونها را در حالت تعادل نگه می‌دارد و نمی‌گذارد که از هسته دور شوند.

یک سیم مسی هم دارای تعداد زیادی اتم و در نتیجه الکترون است. هر گاه ما بتوانیم توسط یک نیرویی الکترونهای در حال چرخش به دور هسته را از مدار خود خارج کنیم و در یک جهت معین به حرکت در آوریم جریان الکتریکی برقرار می‌شود. پس این نکته را دریافتیم که جریان برق چیزی جز حرکت الکترونها نیست، البته این حرکت بصورت انتقالی انجام می‌شود، یعنی یک اتم تعدادی الکترون به اتم کناری خود می‌دهد و اتم کناری نیز به همین ترتیب تعدادی الکترون به اتم بعدی می‌دهد و بدین صورت جریان برقرار می‌شود. پس هر گاه که گفته شود جریان برق کم یا زیاد است، یعنی تعداد الکترونهایی که در مسیر سیم در حال حرکت هستند کم یا زیاد است.
نیروهایی که باعث جدا شدن الکترون از هسته می‌شوند

نیروی مغناطیسی خارجی

هرگاه یک سیم را در یک میدان مغناطیسی حرکت دهیم؛ نیروی این میدان باعث حرکت الکترونهای سیم می‌شود.
ضربه

فرض کنید یک اتوبوس کنار خیابان ایستاده و تمام مسافران آن محکم روی صندلیها نشستند، بعد یک اتومبیل دیگر با سرعت زیاد به جلوی این اتوبوس برخورد می‌کند. حال اتوبوس با سرعت به عقب پرتاب می‌شود و مسافران که در آنها اینرسی سکون ذخیره شده تمایل دارند که به همان حالت سکون باقی بمانند، در نتیجه اتوبوس به عقب رفته ولی مسافران در همان نقطه مکانی باقی می‌مانند. در نتیجه مسافران از صندلیهای خود جدا شده و از شیشه اتوبوس به بیرون پرتاب می‌شوند. پس این نیروی ضربه بود که مسافران را از اتوبوس جدا کرد، به همین صورت نیز ضربه می‌تواند الکترونها را از مدار خود خارج کند. نمونه این تولید برق در فندکها می‌باشد.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی نیز دارای نیرویی است که قادر است الکترونها را از مدار خود جدا کند.
حرارت و ...

حرارت باعث می‌شود که جنبش ملکولی اجسام زیاد شود، در اثر این جنبش تعداد زیادی مولکول به شدت باهم برخورد می‌کنند که همان نیروی ضربه را بوجود می‌آوردند و باعث جدا شدن الکترون از اتم می‌شوند. یک سیم مانند دالانی می‌ماند که در یک دوره زمانی مشخص تعداد معینی از افراد می‌توانند از آن عبور کنند، یعنی برای اینکه در دوره زمانی مشخص مثلا در 1 دقیقه افراد بیشتری بتوانند از این دالان عبور کنند باید سرعت حرکت آنها بیشتر شود، در نتیجه در اثر برخورد با هم و با دیواره دالان باعث ایجاد اصطکاک و گرما می‌شوند.

برای سیم نیز چنین اتفاقی می‌افتد، یعنی اگر بخواهیم تعداد الکترونهای در حال حرکت را افزایش دهیم (جریان را افزایش دهیم) سرعت حرکت الکترونها و نیز تعداد الکترونهایی که همراه باهم از مقطع سیم عبور می‌کنند افزایش می‌یابد، در نتیجه اصطکاک افزایش یافته و تولید گرما می‌کند که اگر جریان بیش از حد مجاز خود از سیم عبور کند گرمای تولید شده باعث ذوب شدن سیم می‌شود (سیم می‌سوزد).

ولتاژ

آیا یک منبع که ولتاژش بیشتر باشد برق بیشتری تولید می‌کند یا منبعی که جریانش بیشتر باشد؟ هرگاه یک اتم الکترنهایش را از دست دهد بار منفی آن کم می‌شود و به اصطلاح بطور مثبت باردار شده است، بین بار مثبت و منفی نیروی جاذبه وجود دارد و نیروی جاذبه یک عدد الکترون با نیروی جاذبه یک عدد پروتون برابر است. به همین جهت است که در اتم هر پروتون برای خود یک الکترون اختیار می‌کند تا اینکه بار الکتریکی اتم خنثی شود. در حالت عادی تمام اتمهای یک سیم از نظر بار الکتریکی خنثی هستند، وقتی ما توسط نیروی خارجی الکترونهای اتمهای سیم را جدا می‌کنیم و آنها را به یک سمت هدایت می‌کنیم آن طرف سیم که الکترونها به آنجا هدایت شده‌اند دارای زیادی الکترون است، پس بارش منفی می‌شود و طرف دیگر که کمبود الکترون دارد بارش مثبت می‌شود.

در نتیجه بین دو سر سیم یک اختلاف بوجود می‌آید این اختلاف بصورت انرژی پتانسیل در دو سر سیم ذخیره می‌شود تا زمانی که راهی برای خنثی شدنش پیدا کند. پس در این حالت هیچگونه جریانی در سیم و جود ندارد و فقط یک انرژی پتانسیل دو سر سیم ذخیره شده است که به این نیروی پتانسیل ولتاژ الکتریکی گویند. حال چنانچه نیروی خارجی قطع شود الکترونها به سرعت به جای قبلی خود برمی‌گردند و در یک لحظه چریان برقرار می‌شود.

پس تا زمانی که نیروی خارجی وجود دارد نمی‌گذارد که الکترونها از مسیر همان سیم به جای خود برگردند، پس باید راه دیگری پیدا کنند. برای همین اگر توسط یک سیم دیگر که میدان خارجی آن را تحت تأثیر خود قرار نداده باشد دو سر سیم قبلی را به هم وصل کنیم الکترونها راهی برای حرکت به سمت مکان کمبود الکترون پیدا می‌کنند در نتیجه جریان در سیم برقرار می‌شود. پس نتیجه گرفتیم که در یک مدار الکتریکی کار اصلی را جریان انجام می‌دهد و ولتاژ فقط یک نیروی ذخیره شده است که باعث به حرکت در آوردن الکترونها می‌شود. حال برای بهتر متوجه شدن اینکه ولتاژ چگونه باعث به حرکت در آوردن الکترونها (برقراری جریان) می‌شود، به مثال زیر دقت کنید:

فرض کنید دو لیوان داریم که یکی پر و دیگری نصفه است. لیوانها را در کنار هم قرار داده ، می‌دانیم که بین این دو لیوان اختلاف مقدار آب وجود دارد. همانگونه که بین دو سر سیم اختلاف مقدار الکترون وجود داشت اگر این لیوانها چندین ساعت هم در کنار هم قرار بگیرند هیچ اتفاقی نمی‌افتد، اما چنانچه توسط یک لوله ته دو لیوان را به هم وصل کنیم آب از طرف لیوان پر تر به سمت لیوان نصفه حرکت می‌کند تا زمانیکه سطح آب درون دو لیوان به یک اندازه شود. پس در اینجا اختلاف آب است که باعث حرکت می‌شود و در آنجا اختلاف الکترون (اختلاف پتانسیل) که این اختلاف پتانسیل خود دارای مقدار است که به آن مقدار ولتاژ می‌گویند.

[تاري]

ترانسفورماتور

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

پرش به: ناوبری, جستجو
ترانسفورماتور (Transformer) وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به وسیله دو یا چند سیم‌پیچ و از طریق القای الکتریکی از یک مدار به مداری دیگر منتقل می‌کند. به این صورت که جریان جاری در مدار اول (اولیه ترانسفورماتور) موجب به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم‌پیچ اول می‌شود, این میدان مغناطیسی به نوبه خود موجب به وجود آمدن یک ولتاژ در مدار دوم می‌شود که با اضافه کردن یک بار به مدار دوم این ولتاژ می‌تواند به ایجاد یک جریان در ثانویه بینجامد.
ولتاژ القا شده در ثانویه VS و ولتاژ دو سر سیم‌پیچ اولیه VP دارای یک نسبت با یکدیگرند که به طور ایده‌آل برابر نسبت تعداد دور سیم پیچ ثانویه به سیم‌پیچ اولیه است:

به این ترتیب با اختصاص دادن امکان تنظیم تعداد سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور, می‌توان امکان تغییر ولتاژ در ثانویه ترانس را فراهم کرد.
یکی از کاربرد‌های بسیار مهم ترانسفورماتورهای کاهش جریان پیش از خطوط انتقال انرژی الکتریکی است. دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه هادی‌های الکتریکی دارای میزان مشخصی مقاومت الکتریکی هستند, این مقاومت می‌تواند موجب اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی شود. میزان تلفات در یک هادی با مجذور جریان عبوری از هادی رابطه مستقیم دارد و بنابر این با کاهش جریان می‌توان تلفات را به شدت کاهش داد. با افزایش ولتاژ در خطوط انتقال به همان نسبت جریان خطوط کاهش می‌یابد و به این ترتیب هزینه‌های انتقال انرژی نیز کاهش می‌یابد, البته با نزدیک شدن خطوط انتقال به مراکز مصرف برای بالا بردن ایمنی ولتاژ خطوط در چند مرحله و باز به وسیله ترانسفورماتورها کاهش می‌یابد تا به میزان استاندارد مصرف برسد. به این ترتیب بدون استفاده از ترانسفورماتورها امکان استفاده از منابع دوردست انرژی فراهم نمی‌آمد.
ترانسفورماتورها یکی از پربازده‌ترین تجهیزات الکتریکی هستند به طوری که در برخی ترانسفورماتورهای بزرگ راندمان به 99.75٪ نیز می‌رسد. امروزه از ترانسفورماتورها در اندازه‌ها و توان‌های مختلفی استفاده می‌شود از یک ترانسفورماتور بند انگشتی که در یک میکروفن قرار دارد تا ترانسفورماتورهای غول‌پیکر چند گیگا ولت-آمپری. همه این ترانسفورماتورها اصول کار یکسانی دارند اما در طراحی و ساخت متفاوت هستند.

شکل-1 یک ترانسفورماتور توزیع بر روی یک تیر.


فهرست مندرجات

[نهفتن]

• ۱ اصول پایه
  • ۱.۱ قانون القا
  • ۱.۲ معادله ایده‌ال توان
  • ۱.۳ مبحث فنی
• ۲ ملاحظات عملی
  • ۲.۱ شار پراکندگی
  • ۲.۲ تاثیر فرکانس
• ۳ تلفات انرژی
  • ۳.۱ مقاومت سیم‌پیچ‌ها
  • ۳.۲ تلفات پسماند (هیسترزیس)
  • ۳.۳ جریان گردابی
  • ۳.۴ تغییر شکل بر اثر مغناطیس
  • ۳.۵ تلفات مکانیکی
• ۴ مدار معادل
• ۵ انواع
  • ۵.۱ اتوترانسفورماتور
  • ۵.۲ ترانسفورماتور چند فازه
• ۶ طبقه‌بندی
• ۷ ساختمان
  • ۷.۱ هسته
    • ۷.۱.۱ هسته لایه لایه شده
    • ۷.۱.۲ هسته‌های یکپارچه
• ۸ جستارهای وابسته
• ۹ منابع

[ویرایش] اصول پایه

به طور کلی یک ترانسفورماتور بر دو اصل استوار است:

• اول اینکه, جریان الکتریکی می‌تواند یک میدان مغناطیسی پدید آورد (الکترومغناطیس)
• و دوم اینکه, یک میدان الکتریکی متغییر در داخل یک حلقه سیم‌پیچ می‌تواند موجب به وجود آمدن یک ولتاژ در دو سر سیم‌پیچ شود.

ساده‌ترین طراحی برای یک ترانسفورماتور در شکل 2 آمده است. جریان جاری در سیم‌پیچ اولیه موجب به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی می‌گردد. هر دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه بر روی یک هسته که دارای خاصیت نفوذپذیری مغناطیسی بالایی است (مانند آهن) پیچیده شده‌اند. بالا بودن نفوذپذیری هسته موجب می‌شود تا بیشتر میدان تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه از داخل هسته عبور کرده و به سیم‌پیچ ثانویه برسد.
[ویرایش] قانون القا

میزان ولتاژ القا شده در سیم‌پیچ ثانویه را می‌توان به وسیله قانون فاراده به دست آورد:

در فرمول بالا VS ولتاژ لحظه‌ای, NS تعداد دورهای سیم‌پیچ در ثانویه و Φ برابر مجموع شار مغناطیسی است که از یک دور از سیم‌پیچ می‌گذرد. با توجه به این فرمول تا زمانی که شار در حال تغییر از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه عبور کند ولتاژ لحظه‌ای در اولیه یک ترانسفورماتور ایده‌آل از فرمول زیر بدست می‌آید:

و با توجه به تعداد دور سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه و این معادله ساده می‌توان میزان ولتاژ القایی در ثانویه را بدست آورد:

شکل-2 یک ترانسفورماتور کاهنده ایده‌آل و مسیر عبور شار در هسته


[ویرایش] معادله ایده‌ال توان

اگر سیم‌پیچ ثانویه به یک بار متصل شده باشد جریان در سیم‌پیچ ثانویه جاری خواهد شد و به این ترتیب توان الکتریکی بین دو سیم‌پیچ منتقل می‌شود. به طور ایده‌آل ترانسفورماتور باید کاملاً بدون تلفات کار کند و تمام توانی که به ورودی وارد می‌شود به خروجی برسد وبه این ترتیب توان ورودی و خروجی باید برابر باشد و در این حالت داریم:
Pincoming = IPVP = Poutgoing = ISVS و همچنین در حالت ایده‌آل خواهیم داشت:

بنابر این اگر ولتاژ ثانویه از اولیه بزرگتر باشد جریان ثانویه باید به‌همان نسبت از جریان اولیه کوچکتر باشد. همانطور که در بالا اشاره شد در واقع بیشتر ترانسفورماتورها راندمان بسیار بالایی دارند و به این ترتیب نتایج به دست آمده از این معادلات به مقادیر واقعی بسیار نزدیک خواهد بود.
[ویرایش] مبحث فنی

تعاریف ساده شده بالا از بسیاری از مباحث پیچیده درباره ترانسفورماتورها گذشته است.
در یک ترانسفورماتور ایده‌آل, ترانسفورماتور دارای یک هسته بدون مقاومت مغناطیسی و دو سیم‌پیچ بدون مقاومت الکتریکی است. زمانی که ولتاژ به ورودی‌های اولیه ترانسفورماتور اعمال می‌شود برای به وجود آمدن شار در مدار مغناطیسی هسته, جریانی کوچکی در سیم‌پیچ اولیه جاری می‌شود. از آنجایی که در ترانسفورماتور ایده‌آل هسته فاقد مقاومت مغناطیسی است این جریان قابل چشم پوشی خواهد بود در حالی که در یک ترانسفورماتور واقعی این جریان بخشی از تلفات ترانسفورماتور را تشکیل خواهد داد.
[ویرایش] ملاحظات عملی

[ویرایش] شار پراکندگی

در یک ترانسفورماتور ایده‌آل شار مغناطیسی تولید توسط سیم‌پیچ اول به طور کامل توسط سیم‌پیچ دوم جذب می‌شود اما در واقع بخشی از شار مغناطیسی در فضای اطراف پراکنده می‌شود. به شاری که در حین انتقال از مسیر خود جدا می‌شود شار پراکندگی (leakage flux) می‌گویند. این شار پراکندگی موجب به وجود آمده اثر خود القا در سیم‌پیچ‌ها می‌شود و به این ترتیب موجب می‌شود که در هر سیکل, انرژی در سیم‌پیچ ذخیره شده و در نیمه پایانی سیکل آزاد شود. این اثر به طور مستقیم باعث ایجاد افت توان نخواهد شد اما به دلیل ایجاد اختلاف فاز موجب ایجاد مشکلاتی در تنظیم ولتاژ خواهد شد و به این ترتیب باعث خواهد شد تا ولتاژ ثانویه دقیقاً نسبت واقعی خود با ولتاژ اولیه حفظ نکند؛ این اثر به ویژه در بارهای بزرگ خود را نشان خواهد داد. به همین دلیل ترانسفورماتورهای توزیع طوری ساخته می‌شوند تا کمترین میزان تلفات پراکندگی را داشته باشند.
با این حال در برخی کاربردها, وجود تلفات پراکندگی بالا پسندیده است. در این ترانسفورماتورها با استفاده از روش‌هایی مانند ایجاد مسیرهای مغناطیسی طولانی، شکاف‌های هوایی یا مسیرهای فرعی مغناطیسی اقدام به افزایش شار پراکندگی می‌کنند. دلیل افزایش عمدی تلفات پراکندگی در این ترانسفورماتورها قابلیت بالای این نوع ترانسفورماتورها در تحمل اتصال کوتاه است. از این گونه ترانسفورماتورها برای تغذیه بارهای دارای مقاومت‌ منفی مانند دستگاه‌های جوش (یا دیگر تجهیزات استفاده کننده از قوس الکتریکی)، لامپ‌های بخار جیوه و تابلوهای نئون یا ایجاد ایمنی در بارهایی که احتمال بروز اتصال کوتاه در آنها زیاد است استفاده می‌شود.
[ویرایش] تاثیر فرکانس

مشتق زمان در قانون فاراده نشان می‌دهد که شار در یک سیم‌پیچ، برابر انتگرال ولتاژ ورودی است. در یک ترانسفورماتور ایده‌آل افزایش شار در سیم‌پیچ به طور خطی در نظر گرفته می‌شود اما در عمل شار مغناطیسی با سرعت نسبتا زیاد افزایش پیدا می‌کند این افزایش تا جایی ادامه دارد که شار به نقطه اشباع مغناطیسی هسته می‌رسد. به خاطر افزایش ناگهانی جریان مغناطیس کننده در یک ترانسفورماتور واقعی، همه ترانسفورماتورها باید همیشه با جریان متناوب سینوسی (نه پالسی) تغذیه شوند.
معادله عمومی EMF برای ترانسفورماتورها[نیازمند منبع]
اگر شار مغناطیسی را سینوسی در نظر بگیریم رابطه بین ولتاژ E، فرکانس منبع f، تعداد دور N، سطح مقطع هسته A و ماکزیمم چگالی مغناطیسی B از رابطه عمومی EMF و به صورت زیر به دست می‌آید:

برای یک ترانسفورماتور در چگالی مغناطیسی ثابت، EMF با افزایش فرکانس افزایش می‌یابد که تاثیر آن را می‌توان از معادله عمومی EMF محاسبه کرد. بنابراین با استفاده از ترانسفورماتورها در فرکانس بالاتر می‌توان بهره‌وری آنها را نسبت به وزن‌شان افزایش داد چراکه یک ترانسفورماتور با حجم هسته ثابت در فرکانس بالاتر می‌تواند میزان توان بیشتری را بین سیم‌پیچ‌ها جابجا کند و تعداد دور سیم‌پیچ کمتری نیز برای ایجاد یک امپدانس ثابت نیاز خواهد بود. با این حال افزایش فرکانس می‌تواند موجب به وجود آمدن تلفات مضایف مانند تلفات هسته و اثر سطحی در سیستم شود. در هواپیماها و برخی تجهیزات نظامی از فرکانس 400 هرتز استفاده می‌شود چراکه با این کار گذشته از افزایش برخی تلفات می‌توان حجم تجهیزات را کاهش داد.
به طور کلی استفاده از یک ترانسفورماتور در ولتاژ نامی ولی فرکانس بیش از نامی موجب کاهش جریان مغناطیس کننده می‌شود و به این ترتیب در فرکانسی کمتر از فرکانس نامی جریان مغناطیس کننده می‌تواند در حد زیادی افزایش یابد. البته استفاده از ترانسفورماتورها در فرکانس‌های بیشتر یا کمتر از فرکانس نامی باید قبل از اقدام، مورد ارزیابی قرار گیرد تا شرایط ایمن برای کار ترانس مثل سنجش ولتاژها، تلفات و استفاده از سیستم خنک‌کننده خاص بررسی شود. برای مثال ترانسفورماتورها باید به وسیله رله‌های کنترل محافظتی ولتاژ به ازای فرکانس مجهز شوند تا در مقابل اضافه ولتاژهای ناشی از افزایش فرکانس محافظت شوند.
[ویرایش] تلفات انرژی

یک ترانسفورماتور ایده‌آل هیچ تلفاتی نخواهد داشت و در واقع راندمانی برابر 100٪ دارد. با این حال ترانسفورماتورهای واقعی نیز جزو بهره‌ورترین تجهیزات الکتریکی محسوب می‌شود به طوری که نمونه‌های آزمایشی ترانسفورماتورهایی که با بهرگیری از ابر رسانا ساخته شده‌اند به راندمانی برابر 99.85٪ دست یافته‌اند. به طور کلی ترانسفورماتورهای بزرگتر از راندمان بالاتری برخوردارند و ترانسفورماتورهایی که برای مصارف توزیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند از راندمانی در حدود 95٪ برخوردارند در حالی که ترانسفورماتورهای کوچک مانند ترانسفورماتورهای موجود در اداپتورها راندمانی در حدود 85٪ دارند. تلفات به وجود آمده در ترانسفورماتور با توجه به عوامل به وجود آورنده یا محل اتلاف انرژی به این صورت طبقه بندی می‌شوند:
[ویرایش] مقاومت سیم‌پیچ‌ها

جریانی که در یک هادی جاری می‌شود با توجه به میزان مقاومت الکتریکی هادی می‌تواند موجب به وجود آمدن حرارت در محل عبور جریان شود. در فرکانس‌های بالاتر اثر سطحی و اثر مجاورت نیز می‌توانند تلفات مضایفی را در ترانسفورماتور به وجود آورند.
[ویرایش] تلفات پسماند (هیسترزیس)

هر بار که جهت جریان الکتریکی به‌خاطر وجود فرکانس عوض می‌شود با توجه به جنس هسته, مقدار کمی انرژی در هسته باقی می‌ماند. به این ترتیب برای یک هسته با جنس ثابت این نوع تلفات با میزان فرکانس تناسب دارد و با افزایش فرکانس تلفات پسماند هسته نیز افزایش می‌یابد.
[ویرایش] جریان گردابی

شکل-3 یک ترانسفورماتور ایده‌آل به عنوان المانی در مدار


مواد فرومغناطیس معمولا هادی‌های الکتریکی خوبی نیز هستند و بنابراین هسته ترانسفورماتورمی‌تواند مانند یک مدار اتصال کوتاه شده عمل کند. بنابراین حتی با القای میزان کمی ولتاژ, جریان در هسته به شدت بالا می‌رود. این جریان جاری در هسته گذشته از به وجود آوردن تلفات الکتریکی موجب به وجود آمدن حرارت در هسته نیز می‌شود. جریان گردابی در هسته با مجذور فرکانس منبع رابطه مستقیم و با مجذور ضخامت ورق هسته رابطه معکوس دارد. برای کاهش تلفات گردابی در هسته, هسته‌ها را ورقه ورقه کرده و آنها را نسبت به یکدیگر عایق می‌کنند.
[ویرایش] تغییر شکل بر اثر مغناطیس

شار مغناطیسی در یک ماده فرومغناطیس موجب حرکت نسبی ورقه‌های هادی نسبت به یکدیگر می‌شود. در صورت محکم نبودن این ورقه‌ها این اثر می‌تواند موجب ایجاد صدایی شبیه وز وز در هنگام کار کردن ترانسفورماتور شود به این اثر تغییر شکل بر اثر میدان مغناطیسی یا Magnetostriction می‌گویند. این اثر می‌تواند موجب به وجود آمدن گرما در اثر اصطکاک بین صفحات نیز شود.
[ویرایش] تلفات مکانیکی

به دلیل وجود تغییر شکل بر اثر مغناطیس در یک ترانسفورماتور بین قطعات ترانسفورماتور نوعی حرکت به وجود می‌آید این تحرک نیز به نوبه خود موجب به وجود آمدن تلفات مکانیکی در ترانسفورماتورخواهد شد. در صورتی که قطعات موجود در ترانسفورماتور به خوبی در جای خود محکم نشده باشند, تحرکات مکانیکی آنها نیز افزایش یافته و در نتیجه تلفات مکانیکی نیز افزایش خواهد یافت.

شکل-4 مدار معادل یک تراسنفورماتور


[ویرایش] مدار معادل

محدودیت‌های فیزیکی یک ترانسفورماتور واقعی به صورت یک مدار نمایش داده می‌شوند. این مدار معادل از تعدادی از عوامل به وجود آورنده تلفات یا محدودیت‌ها و یک ترانسفورماتور ایده‌آل تشکیل شده است. تلفات توان در سیم‌پیچ یک ترانسفورماتور به طور خطی تابعی از جریان هستند و به راحتی می‌تواند آنها را به صورت مقاومت‌هایی سری با سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور نمایش داده شود؛ این مقاومت‌ها RS و RP هستند. با بررسی خواص شار پراکندگی می‌توان آن را به صورت خود القاهای XP و XS نشان داد که به صورت سری با سیم‌پیچ ایده‌آل قرار می‌گیرند. تلفات آهنی از دو نوع تلفات گردابی (فوکو) و پسماند (هیسترزیس) تشکیل شده. در فرکانس ثابت این تلفات با مجذور شار هسته نسبت مستقیم دارند و از آنجایی که شار هسته نیز تقریباً با ولتاژ ورودی نسبت مستقیم دارد این تلفات را می‌توان به صورت مقاومتی موازی با مدار ترانسفورماتور نشان داد. این مقاومت همان RC است.
هسته‌ایی با نفوذ‌پذیری محدود نیازمند جریان IM خواهد بود تا همچنان شار مغناطیسی را در هسته برقرار کند. بنابراین تغییرات در جریان مغناطیس کننده با تغییرات در شار مغناطیسی هم فاز خواهد بود و به دلیل اشباع پذیر بودن هسته, رابطه بین این دو خطی نخواهد بود. با این حال برای ساده کردن این تاثیرات در بیشتر مدارهای معادل این رابطه خطی در نظر گرفته می‌شود. در منابع سینوسی شار مغناطیسی 90 درجه از ولتاژ القایی عقبتر خواهد بود, بنابراین این اثر را می‌توان با القاگر XM در مدار نشان داد که به طور موازی با تلفات آهنی هسته RC قرار می‌گیرد. RC و XM را در برخی موارد با هم به صورت یک شاخه در نظر می‌گیرند و آن را شاخه مغناطیس کننده می‌نامند. اگر سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور را مدار باز کنیم تمامی جریان عبوری از اولیه ترانسفورماتور جریان I0 خواهد بود که از شاخه مغناطیس کننده عبور خواهد کرد این جریان را جریان بی‌باری نیز می‌نامند.
مقاومت‌های موجود در طرف ثانویه یعنی RS و XS نیز باید به طرف اولیه منتقل شوند. این مقاومت‌ها در واقع معادل تلفات مسی و پراکندگی در طرف ثانویه هستند و به صورت سری با سیم پیچ ثانویه قرار می‌گیرند.
مدار معادل حاصل را مدار معادل دقیق می‌نامند گرچه در این مدار معادل نیز از برخی ملاحضات پیچیده مانند اثرات غیرخطی چشم پوشی می‌کند.
[ویرایش] انواع

ساخت انواع مختلف ترانسفورماتورها به منظور رفع اهداف استفاده از آنها در کاربردهای متفاوت می‌باشد. در این میان برخی از انواع ترانسفورماتورها بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند که می‌توان به نمونه‌ها زیر اشاره کرد:
[ویرایش] اتوترانسفورماتور

اتوترانسفورماتور به ترانسفورماتوری گفته می‌شود که تنها از یک سیم‌پیچ تشکیل شده است. این سیم‌پیچ دارای دو سر ورودی و خروجی و یک سر در میان است. به طوری که می‌توان گفت سیم‌پیچ کوتاه‌تر(که در ترنس کاهنده سیم‌پیچ ثانویه محسوب می‌شود) قسمتی از سیم‌پیچ بلندتر است. در این گونه ترانسفورماتورها تا زمانی که نسبت ولتاژ-دور در دو سیم‌پیچ برابر باشد ولتاژ خروجی از نسبت سیم‌پیچ تعداد دور سیم‌پیچ‌ها به ولتاژ ورودی به دست می‌آید.
با قرار دادن یک تیغه لغزان به جای سر وسط ترانس, می‌توان نسبت سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه را تا حدودی تغییر داد و به این ترتیب ولتاژ پایانه خروجی ترانسفورماتور را تغییر داد. مزیت استفاده از اتوترانسفورماتور کم هزینه تر بودن آن است چراکه به جای استفاده از دو سیم‌پیچ تنها از یک سیم‌پیچ در آنها استفاده می‌شود.
[ویرایش] ترانسفورماتور چند فازه

برای تغذیه بارهای سه فاز می‌توان از سه ترانسفورماتور جداگانه استفاده کرد یا آنکه از یک ترانسفورماتور سه فاز استفاده کرد. در یک ترانسفورماتور سه فاز مدارهای مغناطیسی با هم مرتبط هستند و بنابر این هسته دارای شار مغناطیسی در سه فاز متفاوت است. برای چنین هسته‌هایی می‌توان از چندین شکل مختلف برای هسته استفاده کرد که این شکل‌های مختلف هر یک دارای مزایا و معایبی هستند و در مواردی خاص کاربرد دارند.
[ویرایش] طبقه‌بندی

به دلیل وجود کاربردهای متفاوت برای ترانسفورماتورها, آنها ار بر حسب پارامترهای متفاوتی طبقه‌بندی می‌کنند:

• بر حسب رده توان: از کسری از ولت-آمپر تا بیش از هزار مگا ولت-آمپر.
• بر حسب محدوده فرکانس: فرکانس قدرت, فرکانس صوتی, فرکانس رادئویی
• بر حسب رده ولتاژ: از چند ولت تا چند صد کیلوولت
• بر حسب نوع خنک کنندگی: خنک کننده هوا, روغنی, خنک کنندگی با فن, خنک کنندگی آب.
• بر حسب نوع کاربرد: منبع تغذیه, تطبیق امپدانس, تثبیت کننده ولتاز و جریان خروجی یا ایزوله کردن مدار.
• برحسب هدف نهایی کاربرد: توزیع, یکسوسازی, ایجاد قوس الکتریکی, ایجاد تقویت کننده.
• بر حسب نسبت سیم‌پیچ‌ها: افزاینده, کاهنده, ایزوله کننده (با نسبت تقریبا یکسان در دوسیم‌پیچ), متغیر.

[ویرایش] ساختمان

[ویرایش] هسته

[ویرایش] هسته لایه لایه شده

لایه لایه کردن هسته ترانس جریان گردابی را به شدت کاهش می‌دهد.


ترانسفورماتورها مورد استفاده در کاربردهای قدرت یا فرکانس بالا (رادئویی) معمولا از هسته با جنس فولاد سیلیکاتی با قابلیت نفوذ‌پذیری مغناطیسی بالا استفاده می‌کنند[نیازمند منبع]. قابلیت نفوذ‌پذیری مغناطیسی در فولاد بارها بیشتر از نفوذپذیری در خلا است و به این ترتیب با استفاده از هسته‌های فولادی جریان مغناطیس کننده مورد نیاز برای هسته به شدت کاهش می‌یابد و شار در مسیری کاملا نیزدیک به سیم‌پیچ‌ها محبوس می‌شود. سازندگان ترانسفورماتورهای اولیه به سرعت متوجه این موضوع شدند که استفاده از هسته یک پارچه باعث افزایش تلفات گردابی در هسته ترانسفورماتور می‌شود و در طراحی‌های خود از هسته‌هایی استفاده کردند که از دسته‌های عایق شده آهن تولید شده بود. در طراحی‌هایی بعدی با استفاده از ورق‌های نازک آهن که نسبت به یکدیگر عایق شده بودند, تلفات در ترانسفورماتور باز هم کاهش یافت. از این روش در ساخت هسته امروزه نیز استفاده می‌شود. همچنین با استفاده از معادله عمومی ترانسفورماتور می‌توان نتیجه گرفت که کمترین سطح اشباع در هسته با سطح مقطع کوچکتر ایجاد می‌شود.
گرچه استفاده از هسته‌های با لایه‌های نازک‌تر تلفات را کاهش می‌دهد, اما از طرفی هزینه ساخت ترانسفورماتور را افزایش می‌دهد. بنابراین از هسته‌های با لایه‌های نازک معمولا در فرکانسهای بالا استفاده می‌شود. با استفاده از برخی انواع هسته‌های با لایه‌های بسیار نازک امکان ساخت ترانسفورماتورهايی برای کاربرد در مصارف تا 10 کیلوهرتز پدید می‌آید.
نوعی متداول از هسته‌های لایه لایه, از قطعاتی E شکل که با قطعاتی I شکل یک هسته را به وجود می‌آورند تشکیل شده. این هسته‌ها را هسته‌های E-I می‌نامند. این هسته‌ها گرچه تلفات را افزایش می‌دهند اما به علت آسانی مونتاژ, هزینه ساخت هسته را کاهش می‌دهند. نوع دیگری از هسته‌ها, هسته‌های C شکل هستند. این هسته از قرار دادن دو قطعه C شکل در مقابل یکدیگر تشکیل می‌شود. این هسته‌ها این مزیت را دارند که تمایل شار برای عبور از هر قطعه از هسته برابر است و این مزیت باعث کاهش یافتن مقاومت مغناطیسی می‌شود.
پسماند در یک هسته فولادی به معنای باقی ماندن خاصیت مغناطیسی در هسته پس از قطع شدن توان الکتریکی است. زمانی که جریان دوباره در هسته جاری می‌شود این پسماند باقی مانده در هسته تا زمانی که کاهش یابد موجب به وجود آمدن یک جریان هجومی در ترانس می‌شود. تجهیزات حفاظتی مانند فیوزها باید طوری انتخاب شوند که به این جریان هجومی اجازه عبود دهند.
ترانسفورماتورهای توزیع می‌توانند با استفاده از هسته‌های با قابلیت نفوذ پذیری مغناطیسی بالا تلفات بی باری را کاهش دهند. هزینه اولیه هسته بعدها با صرفه‌جویی که در مصرف انرژی و افزایش طول عمر ترانس می‌شود جبران خواهد شد.
[ویرایش] هسته‌های یکپارچه

هسته‌هایی که از آهن پودر شده ساخته شدند در مدارهایی که با فرکانس بالاتر از فرکانس شبکه تا چند ده کیلوهرتز کار می‌کنند کاربرد دارند. این هسته دارای قابلیت نفوذ پذیری مغناطیسی بالا و همچنین مقاومت الکتریکی بالا هستند. برای فرکانس‌هایی بالاتر از باند VHF از هسته‌های غیر رسانای فریت استفاده می‌شود. برخی از ترانسفورماتورهای فرکانس رادیویی از هسته‌های متحرک استفاده می‌کنند که این امکان را به وجود می‌آورد که ضریب اتصال هسته قابل تغییر باشد.

[تاري]

انرزي هسته اي چگونه به برق تبديل ميشود

انرژي هسته اي چگونه به برق تبديل مي شود-رام كردن اتم هاي سركش

امروزه حدود 17 درصد از برق دنيا را نيروگاه هاي هسته اي تامين مي كنند. بعضي از كشورها حتي خيلي بيشتر به اين منبع انرژي وابسته اند. به عنوان مثال ،بر اساس آمار رسمي آژانس بين المللي انرژي اتمي، كشور فرانسه 75 درصد از برق خود را از طريق نيروي هسته اي تامين مي كند. همچنين در ايالات متحده آمريكا حدود 15 درصد از برق كشور از انرژي هسته اي تامين مي شود كه اين عدد در بعضي ايالات بيشتر است. در مجموع، حدود 400 نيروگاه هسته اي در دنيا وجود دارد كه از ميان آن ها، بيش از 100 نيروگاه در ايالات متحده آمريكا واقع هستند. در اين مقاله به بررسي چگونگي كاركرد يك نيروگاه هسته اي و قلب آن كه در واقع رآكتور هسته اي است، مي پردازيم و در مورد شكافت هسته اي صحبت مي كنيم.
اورانيوم يكي از عناصر كمياب در كره زمين است كه در زمان شكل گيري اين سياره با ديگر عناصر تشكيل دهنده آن تركيب شده است. درواقع ، اورانيوم از عناصر تشكيل دهنده ستارگان است. با انفجار ستارگان كهن سال و تجمع دوباره ذرات منهدم شده آن ها سياراتي مانند كره زمين شكل گرفته است و به همين دليل در اين سيارات نيز اورانيوم وجود دارد. اورانيوم-238 (238-U) به علت دارا بودن نيمه عمر بسيار طولاني (5/4 ميليارد سال) ، هنوز به شكل توده هاي بزرگي در اين سياره يافت مي شود. 238-U كه يكي از ايزوتوپ هاي اورانيوم است، بيشترين فراواني را در بين انواع ديگر اورانيوم دارد (حدود 99درصد). 235-U حدود 7 درصد از اورانيوم جهان را شامل مي شود و 234 -U كه از واپاشي 238-U به دست مي آيد، حتي از بقيه هم ناياب تر است.(با واپاشي اورانيوم-238 در طي مراحل فراوان كه به آن واپاشي آلفا و بتا مي گويند، ايزوتوپ پايدار سرب به دست مي آيد و 234-U‌ نيز يكي از حلقه هاي اين واكنش زنجيره اي است.)
اورانيوم-235 با داشتن برخي ويژگي هاي جالب هم در صنايع انرژي هسته اي و هم در ساخت بمب اتمي كاربرد دارد. 235-U به طور طبيعي وا مي پاشد و 238-U تحت تابش پرتو آلفا دچار واپاشي مي شود. 235-U يكي از معدود موادي است كه مي توان از آن در شكافت هسته اي استفاده كرد.اگر يك نوترون آزاد (ذره بدون بار الكتريكي) وارد هسته 235-U شود، 235-U داوطلبانه اين نوترون را جذب كرده و به ناپايداري شيميايي رسيده و بلافاصله دچار شكافت هسته اي مي شود.
شكافت هسته اي
همانطور كه توضيح داده شد، با نزديك شدن يك نوترون به هسته اورانيوم-235 ، اين نوترون جذب هسته شده و بلافاصله هسته به دو اتم كوچك تر شكسته مي شود و دو يا سه نوترون آزاد رها مي كند. (تعداد اين نوترون ها بستگي به نوع شكسته شدن اورانيوم دارد.) جدا شدن اين دو اتم جديد موجب ساطع شدن پرتو گاما مي شود. در اين فرايند سه نكته قابل توجه وجود دارد:
1-احتمال جذب نوترون آزاد توسط 235-U بسيار بالا است. به همين دليل در رآكتورها، نوترون هاي آزاد شده در هر واكنش خود عامل ايجاد واكنش هاي بعدي مي شوند.
2- عمليات جذب نوترون آزاد و شكست هسته، بسيار سريع و در كسر كوچكي از ثانيه اتفاق مي افتد (12-10×1 ثانيه).
3- در فرايند شكست اتم، مقا دير بسيار زيادي انرژي به صورت حرارت و پرتو گاما آزاد مي شود. اتم هاي جديد توليد شده، خود پرتو بتا و گاما وتوليد مي كنند. دليل توليد اين مقدار انرژي بسيار ساده است. وزن اتم ها و نوترون هاي جديد توليد شده، كمتر از اتم اوليه 235-U است ، و اين اختلاف جرم اوليه با محصول، تبديل به انرژي شده است. مقدار اين انرژي بر اساس رابطه مشهور انرژي كه به آن رابطه تناسب اينشتين نيز گفته مي شود به دست مي آيد: 2 E=mc .
با شكست يك هسته اتم 235-U ، حدود 200 ميليون الكترون ولت انرژي آزاد مي شود. (اگر به تبديل واحدها علاقه مند هستيد بايد به شما بگويم هر يك الكترون ولت معادل 12-10×602/1 ارگ و هر 107×1 ارگ معادل يك ژول و هر يك ژول معادل يك وات-ثانيه است.)
اگر تبديل واحدها را انجام دهيد متوجه مي شويد با شكست يك اتم مقدار زيادي انرژي آزاد نمي شود، ولي در چند گرم اورانيوم تعداد زيادي اتم وجود دارد. تقريباً در نيم كيلو گرم اورانيوم كم غني شده ، كه براي سوخت زيردريايي ها يا هواپيما هاي اتمي استفاده مي شود، تقريباًمعادل 4 ميليون ليتر گازوئيل انرژي وجود دارد.
براي اين كه تصور بهتري از اين مقدار انرژي داشته باشيد، بايد بگوييم كه نيم كيلو گرم اورانيوم تقريباً اندازه يك توپ تنيس است و 4 ميليون ليتر گازوئيل مخزني مكعبي شكل به ابعاد تقريباً 15 متر را پر مي كند. ( تقريباً ارتفاع يك ساختمان 5 طبقه ).
پس به راحتي مي توان ديد در نيم كيلو گرم اورانيوم-235، انرژي فراواني نهفته است.
براي دستيابي به نتيجه بهتر، اورانيوم را غني سازي مي كنند. به اين ترتيب مقدار اتم هاي 235-U در واحد حجم، 2 تا 3 درصد بيشتر مي شود غني سازي. غني سازي 3 درصدي براي استفاده در رآكتور هاي مخصوص شهري توليد برق، بسيار مناسب است. براي مصارف نظامي، 235-U را تا 90 درصد يا حتي بيشتر غني سازي مي كنند.
دريك نيروگاه اتمي چه مي گذرد؟
براي ساخت يك نيروگاه اتمي به كمي اورانيوم غني شده نياز داريم. اورانيوم معمولاً به صورت توپ هاي كوچكي با ابعاد حدود 2 تا 3 سانتي متري شكل داده مي شود. توپ ها در دسته هايي به صورت ميله اي قرار مي گيرند و ميله هاي اورانيوم به صورت دسته اي نگهداري مي شود. سپس اين دسته ها داخل مخازن تحت فشار و درون آب نگهداري مي شوند. آب به عنوان يك خنك كننده عمل مي كند.براي استفاده از اين اورانيوم، بايد آن را به حالت فوق بحراني رساند. فارغ از ابزار لازم براي اين كار، حالت فوق بحراني حالت بسيار داغ يا ذوب شده اورانيوم است.براي محافظت از دسته هاي اورانيوم كه به حالت فوق بحراني نرسند در هر دسته، موادي كه جاذب نوترون هاي آزاد باشد قرار مي دهند كه به آن ها ميله هاي كنترلي مي گويند. با كاهش يا افزايش ميله هاي كنترلي ، امكان كنترل واكنش هاي هسته اي فراهم مي شود. وقتي بخواهيم دماي هسته اورانيوم را افزايش دهيم، ميله هاي كنترلي را خارج كرده و برعكس براي كاهش دما، ميله هاي بيشتري اضافه مي كنيم. افزايش اين ميله هاي كنترلي حتي مي تواند واكنش را به صفر رسانده و متوقف كند.
اين دسته هاي اورانيوم به عنوان منابع پر قدرت انرژي استفاده مي شوند. با افزايش دماي آن ها آب بخار مي شود. بخار حاصل، توربين بخار را راه انداخته و توربين نيز پره هاي ژنراتور را راه مي اندازد و به اين ترتيب برق توليد مي شود. البته در بعضي از سيكل ها، مبدل هاي حرارتي خاصي نيز اضافه مي شود. همچنين در بعضي از رآكتور ها ، به جاي آب از خنك كننده هاي ديگري مثل گاز(دي اكسيد كرين) يا حتي فلزات مايع (مثل سديم يا پتاسيم) استفاده مي شود. اين نوع رآكتور ها امكان كاركردن در دماي بالاتر را فراهم مي كنند.
خارج از رآكتور چه خبر است؟
از فرآيند هاي داخلي رآكتور كه بگذريم، بعد از آن تفاوت زيادي بين يك نيروگاه اتمي با نيروگاه عادي (نيروگاه نفتي يا ذغالي) وجود ندارد.
مخزن تحت فشار يك رآكتور ، يك مخزن سيماني است كه به عنوان محافظ يا سپري در برابر پرتوهت عمل مي كند. اين مخزن، خود داخل يك مخزن بزرگتر فولادي قرار مي گيرد. مخزن فولادي، از انتشار هر نوع گاز راديواكتيو جلوگيري مي كند.
لايه سيماني بيرون يك رآكتور بسيار محكم ساخته مي شود. اين لايه آن قدر محكم است كه حتي با سقوط يك هواپيماي معمولي نيز تخريب نمي شود. اين لايه دوم سيمان، از انتشار بخارات و تشعشعات راديواكتيو در حوادث احتمالي نيز جلوگيري مي كند. فقدان همين لايه بود كه فاجعه چرنوبيل را رقم زد.
اما اورانيوم-235 تنها سوخت يك نيروگاه هسته اي نيست. يك سوخت هسته اي مناسب ديگر، پلوتونيوم-239 است.اين ايزوتوپ پلوتونيوم به راحتي از بمباران 235-U توسط نوترون ها به دست مي آيد.
بحراني، غيربحراني و فوق بحراني
وقتي يك اتم 235-U شكافته مي شود، دو يا سه نوترون آزاد مي شود. اگر هيچ اتم 235-U در نزديكي آنها نباشد، اين نوترون هاي آزاد در فضا رها مي شوند. اگر اتم 235-U بخشي از يك توده اورانيوم باشد، يعني اتم هاي 235-U ديگري در جوار آن باشند، سه اتفاق ممكن است بيفتد:
1- اگر از هر دو نوترون آزاد شده، يكي (تعداد ميانگين آنها) به اتم هاي 235-U همجوار برخورد كند، به اين توده يك ‌«توده بحراني» گفته مي شود. اين توده تقريباً در يك دماي ثابت مي ماند. رآكتور بايد در اين وضعيت كار كند.
2- اگر از نوترون هاي آزاد شده ، مقداري كمتر از تعداد ميانگين به ديگر اتم ها برخورد كند، به آن توده«غير بحراني» گفته مي شود.
3- اگر بيشتر از يك نوترون آزاد با اتم ها برخورد كند جرم «فوق بحراني» داريم كه با افزايش حرارت مواجه است.
در بمب اتم، طراحان سعي مي كنند به توده «بسيار فوق بحراني» برسند. در چنين و ضعيتي، اتم هاي 235-U به سرعت شكسته شده و انرژي فراواني آزاد مي شود. در يك رآكتور هسته اي، هسته رآكتور بايد كمي فوق بحراني باشد و البته با كمك ميله هاي كنترل مي توان توده را در حد بحراني كنترل كرد.
مقدار اتم هاي 235-U در واحد حجم و البته شكل توده نيز در نوع بحراني بودن آن تاثير مستقيم دارد. به عنوان مثال، اگر اورانيوم به صورت يك ورق نازك تهيه شود، بيشتر نوترون هاي آزاد شده به جاي برخورد با هم، از سطوح جانبي به فضاي آزاد رها مي شوند. اما شكل كروي ايده آل ترين شكل است. جرم لازم براي ايجاد واكنش هاي بحراني حدود يك كيلوگرم (1000 گرم) 235-U است. به اين جرم «جرم بحراني» نيز گفته مي شود. البته براي پلوتونيوم-239 اين مقدار كمتر و در حدود 283 گرم است.
معايب نيروگاه هاي هسته اييك نيروگاه هسته اي كه خوب طراحي و ساخته شده باشد، در مقايسه با نيروگاه هاي ديگر بسيار تميز بوده و در حالت عادي براي طبيعت نيز كم خطر تر است. در واقع يك نيروگاه ذغالي بيش از يك نيروگاه هسته سالم پرتو هاي راديواكتيو را وارد جو مي كند. نيروگاه ذغالي همچنين مقادير زيادي كربن، سولفر و ديگر مواد مضر براي جو متصاعد مي كند.
اما يك نيروگاه هسته اي معايب بزرگي نيز دارد كه برخي از آن ها از اين قرارند:
1- اكتشاف و استخراج اورانيوم بسيار سخت و مشكل است.
2- اختلال در كار يك نيروگاه هسته اي مي تواند منجر به فاجعه شود. فاجعه چرنوبيل مثال خوبي است. نيروگاه هسته اي چرنوبيل بد طراحي شده بود و همچنين كاربران نيز نتوانستند اختلالات را به خوبي كنترل كنند. در نتيجه با انفجار در آن نيروگاه ، مواد راديو اكتيو در طبيعت پراكنده شد كه صدمات جبران ناپذير به بار آورد.
3-ضايعات و زباله هاي يك نيروگاه هسته اي تا قرن ها سمي و خطرناك است و هنوز هيچ روش مطمئني براي نگهداري يا دفع اين زباله ها كشف نشده است.
4- جابه جايي مواد اتمي نيز بسيار خطرناك و حساس است. البته با رعايت نكات ايمني مي توان از بروز حوادث جلوگيري كرد، به نحوي كه تا به حال مورد خاصي در ايالات متحده آمريكا رخ نداده است.
اما در مجموع وجود اين معايب، موجب توقف ساخت و رشد نيروگاه هاي هسته اي در ايالات متحده آمريكا شده است و برخي كشوره ها هم ترجيح مي دهند از فوايد اين فناوري صرف نظر كنند. اما در مقابل كشور هاي كه از لحاظ سوخت در تنگنا هستند به ويژه پس از افزايش مستمر قيمت سوخت هاي فسيلي در جهان، برنامه هاي وسيعي را براي تامين انرژي از منابع سوخت هسته اي تدارك ديده اند.

[فريما]

تاري خان شما كه رشته ات برقه درمورد كلاك پالس يكم واسه ام توضييح ميدي ؟ مرسي

[تاري]

حتما
اين رو بخون اگه بازم مطلب خواستي تا برات بزارم (شما رشتت الكترونيكه)

شرح اولیه و تعریف اصطلاحات

Pulse Clock چیست؟

در علم الکترونیک و مخصوصا در مدارات سنکرون دیجیتال، عملیات مدار توسط یک پالس بنام کلاک همزمان میشود. البته غالبا کلاک سیستم ها یک پالس تکرار شونده یا به عبارتی دیگر یک موج مربعی یا فرکانس مشخص است. اغلب کلاک را بصورت Clk یا CP(Clock pulse) نمایش میدهند. یک پالس کلاک پایه و اساس انجام شدن یک کار یا بخشی از یک کار در واحد زمان است.

شرح اولیه و تعریف اصطلاحات

Pulse Clock چیست؟

در علم الکترونیک و مخصوصا در مدارات سنکرون دیجیتال، عملیات مدار توسط یک پالس بنام کلاک همزمان میشود. البته غالبا کلاک سیستم ها یک پالس تکرار شونده یا به عبارتی دیگر یک موج مربعی یا فرکانس مشخص است. اغلب کلاک را بصورت Clk یا CP(Clock pulse) نمایش میدهند. یک پالس کلاک پایه و اساس انجام شدن یک کار یا بخشی از یک کار در واحد زمان است.

هر پالس کلاک در واحد زمان در دو سطح بالا و پایین نوسان میکند. به این صورت، با هر بار تکرار شدن این وضعیت، یک کار و یا بخشی از آن انجام میشود.

حال این کار ممکن است انواع مختلفی داشته باشد. برای مثال در یک IC میکروکنترلری که در مدار هشدار دهنده امنیتی بکار رفته است، ممکن است دستور به صدا درآمدن هشدار دهنده را صادر کند و در یک پردازنده پیشرفته امروزی ممکن است یک دستورالعمل محاسباتی از بین میلیون دستورالعملی که در عرض 1 ثانیه توسط پردازنده اجرا میشود، باشد.

در واقع یکی از مهمترین معیارهای سنجش سرعت پردازش و انتقال اطلاعات در کامپیوترهای امروزی، سرعت نوسان کلاک پالس در واحد زمان است. این کمیت فرکانس نام دارد و واحد سنجش این کمیت هرتز(HZ) است.

برای مثال یک پردازنده تک هسته ای که با فرکانس 3 گیگاهرتز کار میکند، قادر است در هر ثایه 3 میلیارد دستورالعمل یک سیکلی را ارسال کند. هرچه فرکانس مورد نظر افزایش پیدا کند، عملکرد نهایی سیتم نیز افزایش خواهد یافت.

اورکلاک(Over Clock) چیست؟

اورکلاک فرآیندی است که در آن، قطعات مختلف یک کامپیوتر را در فرکانس هایی فراتر از فرکانس های نامی خودشان راه اندازی میکنیم. افزایش فرکانس، در نهایت باعث افزایش کارایی و توان مصرفی قطعه مورد نظر میشود. افزایش توان مصرفی در نهایت افزایش حرارت را در بر دارد.

در ادامه مقاله جزئیات این فرآیند را تشریح خواهیم کرد و راه های مختلف برای غلبه بر تغییرات ایجاد شده در عملکرد عادی سیستم را بررسی خواهیم کرد.

در حال حاضر دو نوع رفتار مرسوم در اور کلاک وجود دارد:

اورکلاک کاربردی

در این روش، نهایت شرایط لازم برای داشتن پایداری کامل و حفظ سلامت قطعات مختلف کامپیوتر در نظر گرفته میشود. همچنین قطعه مورد نظر لیش از 20 الی 30 درصد فرکانس نامی، اورکلاک نمیشوند و حرارت به شدت کنترل شده و در مواقعی که نیاز به افزایش ولتاژ قطعه است از مقادیر نا متعارف استفاده نمیشود.

در این نوع اورکلاک میتوان حتی با استفاده از خنک کننده های متعارف نظیر خنک کننده معمولی (Air Cooling) که هزینه ناچیزی دارد، براحتی حرارت را کنترل کرد. در این حالت میتوان بصورت دائمی و بدون وقفه از کامپیوتر استفاده کرد؛ بدون آنکه نگرانی خاصی در خصوص آسیب دیدن قطعات مختلف کامپیوتر وجود داشته باشد.

ما در تیم اینترنت فری قصد داریم طی سلسله مقالات آینده به تشریح و بررسی این نوع اورکلاک بپردازیم.

اورکلاک جهت ثبت رکورد

این نوع اورکلاک به تازگی به صورت رسمی مورد توجه کمپانی های ساخت قطعات سخت افزاری قرار گرفته است. در این نوع اور کلاک رسیدن به فرکانس های بالاتر به هر قیمتی مدنظر قرار داده میشود. بدین صورت که پایداری کامل سیستم و محدودیت های حرارتی برای حفظ سلامت قطعات سخت افزاری مورد نظر نیست. در این نوع اورکلاک برای خنک سازی قطعات از خنک کننده های نظیر نیتروژن مایع، یخ خشک و انواع خنک کننده های آبی استفاده میشود که برای مثال خنک کننده نیتروژن مایع گاهی دما را تا 150- درجه سلسیوس کاهش میدهد. سالانه برخی از کمپانی های تولید کننده قطعات سخت افزاری اقدام به برگزاری مسابقات اورکلاک میکنند.

قطعاتی که برای اورکلاک سنگین و حرفه ای مورد استفاده قرار میگیرند متشکل از عناصری با کیفیت بالا و گران قیمت هستند.

چرا اور کلاک میکنیم؟ چه قطعاتی اورکلاک میشوند؟

به بیانی ساده، اورکلاک کاربردی به گونه ای کاملا محاسبه شده و یکی از مقرون به صرفه ترین راه هاست که بواسطه آن میتوان از حداکثر توانایی سخت افزار مورد نظر استفاده کرد. قطعاتی که در حال حاضر اور کلاک میشوند به شرح زیر هستند:

1- پردازنده و مادر بورد

2- حافظه اصلی سیستم (Ram)

3- کارت گرافیک (حافظه و پردازنده گرافیکی)

در قسمت دوم از سری مقالات اورکلاکینگ، انواع روش های اورکلاک، ملاحظات در اورکلاک و رفع شبهات گنجانده شده است.

[Rashidbah21@yahoo.com]

ممنون از بحث مفید در مورد رشته برق.اگه ممکنه در مورد رله ها ی حفاظتیت توضیح بدین.با تشکر

[GolBarg]

تاری جان تشکر بابت تاپیک خوبت.

فقط عزیز پست های یک و دو کلمه هایی داره که لینک میشه به سایت دیگه.
پست شماره سه هم به سایت ویکی خیلی لینک میشه.
ممنون میشیم در زدن پست حواست باشه که به جایی لینک نشه.
من هم وقتم نمیکشه که خواسته باشم همه شونو ویرایش کنم.
مرسی

[GolBarg]

مرسی تاری جان بابت تاپیک خوبت و از همه مهمتر اینکه پست هاتو ویرایش کردی و لینک هاشونو بر داشتی.
یه دنیا تشکر.
حالا درسته رشته من هم کامپیوتر بوده ولی درسهایی مثل مدار الکتریکی و الکترونیکی داشتیم یه چیزایی مثل باطری و سیم حالیمون میشه

[تاري]

رله چیست؟؟
حفاظت تجهیزات و دستگاه های سیستم قدرت در مقابل عیوب و اتصالیها ، به وسیله كلید قدرت انجام می گیرد قبل از اینكه كلید قدرت بتواند باز شود ، سیم پیچی عمل كنندة آن باید تغذیه شود این تغذیه به وسیله رله های حفاظتی انجام می پذیرد . رله به دستگاهی گفته می شود كه در اثر تغییر كمیت الكتریكی مانند ولت و جریان و یا كمیت فیزیكی مثل درجه حرارت و حركت روغن ( در رله بوخهولس ) تحریك شده و باعث به كار افتادن دستگاههای دیگر و نهایتاً قطع مدار به وسیله كلید قدرت ( در سیستم تولید و انتقال و توزیع ) یا دژنكتور می گردد . بنابراین به وسیله رله :
· محل وقوع عیب از شبكه جدا سازی شده باعث می شود كه سایر قسمتهای سالم شبكه همچنان به كار خود
ادامه دهند و پایداری و ثبات شبكه به همان حالت قبلی محفوظ بماند .
· تجهیزات و دستگاهها در مقابل عیوب و اتصالی ها محافظت شده و میزان خسارات وارده به آنها محدود گردد .
سبب به وجود آمدن اتصالی ها و تأثیرات آن
به دو علت زیر اتصالی ها می توانند به وجود آیند :
الف – تأثیرات داخلی
تأثیرات داخلی كه باعث خراب شدن و از بین رفتن دستگاهها یا خطوط انتقال و توزیع می شود عبارتند از :
فاسد شدن قسمتهای عایق در یك مولد ، ترانسفورماتور ، خط ، كابل و غیره . این ضایعات و امكانات مكن است مربوط به عمر عایق ، عدم تنظیم صحیح ، عدم ساخت صحیح و یا عدم نصب صحیح عایق باشد .
ب – تأثیرات خارجی
تأثیرات خارجی شامل تأثیرات زیادی است از آن جمله رعد و برق ، اضافه بار كه باعث به وجود آمدن حرارت شود ، برف و باران ، باد و طوفان ، شاخة درختها ، حیوانات و پرندگان ، سقوط اشیاء اشتباه در عملیات و خسارتهایی كه یه وسیله مردم وارد می شود و غیره . وقتی كه یك اتصالی در مداری رخ دهد ، جریان افزایش یافته و ولتاژ ( اختلاف پتانسیل ) نقصان پیدا می كند افزایش جریان حرارت زیادی را به وجود آورده كه ممكن است منجر به آتش سوزی یا انفجار شود . اگر اتصالی به صورت جرقه باشد ممكن است خسارت زیادی به بار آورد . برای مثال اگر جرقه ای بر روی خط انتقال نیرو به وجود آمده و سریعاً بر طرف نشود خط را سوزانده و باعث پاره شدن آن خواهد شد و نتیجه سبب قطع برق برای مدت طولانی خواهد شد . نقصان ولتاژ كه در اثر یك اتصالی به وجود آید می آید برای دستگاههای الكتریكی بسیار زیان آور است و اگر این ولتاژ ضعیف برای چند ثانیه ایی ادامه داشته باشد ، موتورهای مشتركین از كار باز ایستاده ، دوران مولدهای برق نامنظم و نا مرتب خواهد شد پس در صورت وقوع جریان شدید و ولتاژ ضعیف به سبب اتصالی در مدار می بایست به فوریت اتصالی كشف و برطرف گردد و جریان ولتاژ به حالت عادی باز گردانده شود.
رله های جریانی :
رله های جریانی به منظور حفاظت شبکه های الکتریکی در مقابل عیوب ناشی از خطاهای جریان بکار میروند . عمده عیوبی که توسط رله های جریانی تشخیص داده می شوند عبارت است از :
þاتصال کوتاه در شبکه
þاضافه جریان
þاضافه بار
þجریان نشتی (ارت فالت)
þعدم تقارن جریان سه فاز
þکاهش بار ( در مورد موتورها)
þافزایش مدت زمان راه اندازی (در مورد موتورها)
þقفل بودن روتور (در مورد موتورها)

حفاظت اتصال کوتاه و اضافه جریان و اتصالی زمین :
اولین و یکی از مهمترین حفاظت هایی که در یک سیستم وجود دارد حفاظت اتصال کوتاه و اضافه جریان و نشتی زمین می باشد . این حفاظت ها با حفاظت اضافه بار تفاوت آشکاری دارد چون حفاظت اضافه بار بر اساس ظرفیت حرارتی واحد می باشند . در این نوع حفاظت جریان سه فاز توسط سه عدد ترانسفورمر جریان حس می گردند و به رله انتقال می یابند و بر اساس آن حفاظت صورت می گیرد . در مورد حفاظت فوق منحنی قطع رله از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است زیرا حفاظت صحیح بر اساس آن صورت میگیرد .
این رله ها می توانند دارای دو گروه منحنی قطع باشند :
þ نوع زمان ثابت که پارامتر جریان و زمان به هم وابستگی ندارند و به صورت جداگانه تنظیم می گردند و رله بر اساس جریان تنظیمی در زمان تنظیم شده فرمان قطع را صادر می کنند .
þ نوع زمان کاهشی که در این حالت زمان قطع رله با یک منحنی به جریان عبوری از رله مرتبط می باشد . به این صورت که هر چه جریان عبوری از رله بیشتر گردد زمان قطع رله کمتر خواهد بود .
بسته به عملکرد و نوع استفاده از رله منحنی های استانداردی برای این رله ها تعریف می گردد که بشرح زیر است :

Standard Inverse Curve (SIT)
Very Inverse Curve (VIT)
Extremely Inverse Curve (EIT)
Ultra Inverse Curve (UIT)

حفاظت سیستم های الکتریکی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است و امروزه کمپانی های متعددی در حال طراحی و ساخت رله های حفاظتی می باشند . برخی از کمپانی های معتبر که در این زمینه مشغول به فعالیت می باشند را معرفی می کنیم.
Siemens , Alstom , ABB , GE Power , Schneider , CEE , Reyroll

به طور کلی رله های حفاظتی باید دارای مشخصات زیر باشند :
þسرعت عملکرد : این پارامتر در رله های حفاظتی بسیار حائز اهمیت است چون رله های حفاظتی هنگام خطا موظفند با سرعت هرچه تمامتر بخش های معیوب را از قسمت های سالم جدا نمایند .
þحساسیت : این پارامتر به حداقل جریانی که سبب قطع رله می گردد بر میگردد .
þتشخیص و انتخاب در شرایط خطا : این پارامتر نیز بسیار مهم است زیرا در شبکه هایی که دارای چند باس بار و رله حفاظتی هستند هنگام وقوع خطا می باید قسمت معیوب به درستی تشخیص داده شده و از شبکه جدا گردد و قسمتهای سالم به کار خود ادامه دهد.
þپایداری : این پارامتر به این باز میگردد که یک رله حفاظتی به تمامی خطاهایی که در محدوده حفاظتی خود به درستی عکس العمل نشان دهد و در مقابل خطاهای این محدوده عکس العملی نشان ندهد .

دسته بندی رله های حفاظتی بر اساس پارامترهای اندازه گیری :
الف) رله های جریانی : این رله ها بر اساس میزان جریان ورودی به رله عمل می کند . حال این جریان می تواند جریان فازها , جریان سیم نول , مجموع جبری جریانهای فازها باشد (رله های جریان زیاد – رله های ارت فالت و .... ) و جریان ورودی رله می تواند تفاضل دو یا چند جریان باشد ( رله های دیفرانسیل و رستریکت ارت فالت )
ب) رله های ولتاژی : این رله ها بر اساس ولتاژ ورودی به رله عمل میکند این ولتاژ می تواند ولتاژ فازها باشد (رله های اضافه یا کمبود ولتاژ و ....) و یا میتواند مجموع جبری چند ولتاژ باشد ( رله تغییر مکان نقطه تلاقی بردارهای سه فاز)
ج) رله های فرکانسی : این رله ها بر اساس فرکانس ولتاژ ورودی عمل میکند ( رله های افزایش و کمبود فرکانس)
د) رله های توانی : این رله ها بر اساس توان عمل می کنند به عنوان مثال رله هایی که جهت توان را اندازه گیری می کنند یا رله هایی که توان اکتیو و راکتیو را اندازه گیری می کنند .
ه) رله های جهتی : این رله ها از جنس رله های توانی هستند که بر اساس زاویه بین بردارهای ولتاژ و جریان عمل میکنند مانند رله های اضافه جریان جهتی که در خطوط چند سو تغذیه رینگ و پارالل بکار می روند و یا رله های جهت توان که جهت پرهیز از موتوری شدن ژنراتور هنگام قطع کوپلینگ آن بکار میرود .
و) رله های امپدانسی : مانند رله های دیستانس که در خطوط انتقال کاربرد فراوانی دارند .
ز) رله های وابسته به کمیت های فیزیکی : مانند حرارت – فشار – سطح مایعات و .... مانند رله بوخ هلتس ترانسفورمرها
ح) رله های خاص : رله هایی هستند که برای منظورهای خاص به کار میروند مثلا رله تشخیص خطای بریکر – رله مونیتورینگ مدار تریپ بریکر – رله لاک اوت و .....