ترانسفورماتور چیست

ترانسفورماتورها یکی از مهمترین وسایلی هستند که در صنعت برق استفاده می‌شوند. آن‌ها از تأثیر القای الکترومغناطیسی استفاده می‌کنند تا انرژی الکتریکی را بین دو سیم‌پیچ منتقل کنند. ترانسفورماتورها در انتقال برق، تامین برق، تقویت و تضعیف ولتاژ و جریان، تنظیم تغذیه، جدا سازی سیستم های برقی و سایر کاربردها استفاده می شوند.

ساختار ترانسفورماتور شامل دو سیم‌پیچ است که به طور نرمال به صورت همپوشانی در هم قرار دارند. یک سیم‌پیچ به عنوان سیم‌پیچ اولیه شناخته می‌شود و از آن جریان ولتاژ ورودی تأمین می‌شود. سیم‌پیچ دیگر به عنوان سیم‌پیچ ثانویه شناخته می‌شود و از آن جریان ولتاژ خروجی استخراج می‌شود. بین این دو سیم‌پیچ، یک هسته فلزی وجود دارد که به عنوان مسیر اصلی جریان مغناطیسی عمل می‌کند و میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه را به سیم‌پیچ ثانویه منتقل می‌کند.

ترانسفورماتورها براساس نسبت تعداد لفظ که بین سیم‌پیچ‌های آن وجود دارد، به دو نوع تقسیم می‌شوند: ترانسفورماتورهای ضریب بالا و ترانسفورماتورهای ضریب پایین. ترانسفورماتورهای ضریب بالا باعث افزایش ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی می‌شوند، در حالی که ترانسفورماتورهای ضریب پایین باعث کاهش ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی می‌شوند.

استفاده از ترانسفورماتورها بسیار مهم است به دلایل زیر:
– انتقال برق به صورت بلند مدت: ترانسفورماتورها به صورت فرکانس کمتر از نحوه استفاده عمومی برق (برای انتقال بلند مدت از قدرت برق و نیروی برقی برای فراهم کردن الزامات اقلام برقی) استفاده می شود.
– تبدیل ولتاژ: از ترانسفورماتورها برای تبدیل ولتاژ بین دو سیستم استفاده می‌شود. برای مثال، در شهرها از ترانسفورماتورها برای تبدیل ولتاژ بالا (به شکل یکثاپ) به ولتاژ پایین (برای استفاده در خانه ها و کسب و کارها) استفاده می شود.
– عملیات مداوم: ترانسفورماتورها همچنین استفاده می شوند تا بین حالت های مختلف عملیات مداوم تغییر کنند. برای مثال، برای حفاظت از سیستم های برق و دستگاه های الکتریکی در صورت قطع برق و دیگر مشکلات مربوط به تغییر ولتاژ و جریان.

انواع ترانسفورماتور

1. ترانسفورماتور افزاینده و ترانسفورماتور کاهنده: ترانسفورماتور افزاینده (Step-up transformer) واحدی است که ولتاژ ورودی را به ولتاژ خروجی بالاتر تبدیل میکند. به عبارت دیگر، تعداد لفت‌های پیچ اولیه از تعداد لفت‌های پیچ ثانویه بیشتر است. ترانسفورماتور کاهنده (Step-down transformer) هم عملکرد مشابهی دارد، اما ولتاژ را از ورودی به خروجی کاهش می‌دهد.

2. ترانسفورماتور سه فاز و تک فاز: ترانسفورماتور سه فاز معمولاً برای توزیع برق صنعتی و انتقال برق در سیستم های بزرگ به کار می‌رود، و در آن سه حلقه جداگانه با ولتاژ‌ها و دوره‌های مختلف قرار دارند. ترانسفورماتور تک فاز به عنوان یک واحد مستقل استفاده می‌شود و در تجهیزات کوچکتر مانند مصارف خانگی استفاده می‌شود.

3. ترانسفورماتور قدرت، ترانسفورماتور توزیع و ترانسفورماتور ابزاری یا ابزار دقیق: ترانسفورماتور قدرت برای تغذیه بزرگترین کاربردها مانند صنایع و شبکه‌های توزیع استفاده می‌شود. ترانسفورماتور توزیع به طور کلی در سکونتگاه‌ها و مکان‌هایی استفاده می‌شود که نیاز به تامین برق مستقیم دارند. همچنین ترانسفورماتور ابزاری یا ابزار دقیق برای کاربردهایی مانند ارتباط ایزوله و اندازه‌گیری و کنترل استفاده می‌شود.

4. ترانسفورماتور دو ولتاژه و اتو ترانسفورماتور: ترانسفورماتور دو ولتاژه دارای لولهای جداگانه برای ولتاژ ورودی و خروجی است. این نوع از ترانسفورماتورها در مصارف خاصی مانند تغذیه تجهیزات الکترونیکی زیرساختی استفاده می‌شوند. اتو ترانسفورماتور به عنوان یک نوع خاص از ترانسفورماتور دو ولتاژه استفاده می‌شود که معمولاً برای تنظیم ولتاژ و رگولاسیون استفاده می‌شود.

5. ترانسفورماتور درونی و بیرونی: ترانسفورماتور درونی، در ساختمان یک ماشین یا تجهیز قرار دارد و معمولاً برای تغذیه دستگاه‌های الکترونیکی کوچک مانند رادیوها و تلویزیون‌ها استفاده می‌شود. ترانسفورماتور بیرونی (برخلاف درونی) به صورت جداگانه برق را تأمین می‌کند و می‌تواند به طور همزمان برای چند نوع تجهیز مورد استفاده قرار گیرد.

6. ترانسفورماتور روغنی و ترانسفورماتور خشک: ترانسفورماتور روغنی دارای روغن عایقی است که برای انتقال گرمای تولید شده توسط ویژگی‌های الکتریکی استفاده می‌شود. این نوع ترانسفورماتورها در مصارفی مانند انتقال و توزیع برق، صنعت، معادن و خودرو استفاده می‌شوند. ترانسفورماتور خشک برخلاف ترانسفورماتور روغنی، بدون استفاده از روغن عایقی عمل می‌کند و در محدوده‌هایی که آتش‌سوزی یا نشت روغن باید جلوگیری شود، استفاده می‌شود.

مزایا استفاده از ترانسفورماتور

ترانسفورماتور یکی از دستگاه های بسیار کاربردی در سیستم های برق است که برای تغییر ولتاژ بین دو مدار استفاده می شود. این دستگاه با استفاده از اصل الکترومغناطیسی و نسبت دوریهای جریان و ولتاژ، انرژی الکتریکی را از یک مدار به مدار دیگر منتقل می کند.

از مزایای استفاده از ترانسفورماتور می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. کنترل و تثبیت ولتاژ انتقالی: ترانسفورماتور به عنوان یک دستگاه تنظیم ولتاژ بکار می رود. این دستگاه قادر است ولتاژ را به صورت مستقیم کنترل کند و در نتیجه دقت ولتاژ و تثبیت آن را بالا ببرد.

2. عدم نیاز به زمان آماده سازی برای شروع به کار: ترانسفورماتور در مقایسه با دیگر دستگاه های الکتریکی نیازی به زمان آماده سازی برای شروع به کار ندارد. این به معنای سرعت بالای برقراری اتصال و تأمین انتقال انرژی الکتریکی است.

3. دارای کارایی بالا و نیاز به نگهداری کم: به دلیل نداشتن قطعات متحرک و موتورها، ترانسفورماتور های استاتیک به وسیله جریان مستقیم عبوری توانایی انتقال بالایی دارند و به شدت نیاز به نگهداری و تعمیرات کمتری نسبت به سایر دستگاه ها دارند.

4. هزینه های کم: ترانسفورماتور ها با هزینه تولید کمتری نسبت به سایر دستگاه های الکتریکی قابل تولید و استفاده هستند. این به علت نداشتن قطعات حرکتی و ابعاد کمتر برای ساخت و نصب است.

5. قابلیت برقراری ایزولاسیون با اتصال به زمین: توانایی ایزوله کردن مدارها با استفاده از ترانسفورماتور، یکی از مزایای این دستگاه است. با اتصال یک سیم به زمین، می توان بخش اولیه و ثانویه ترانسفورماتور را از یکدیگر جدا کرد و از انتقال جریان الکتریکی بین آنها به عنوان سیم‌های صفر، جلوگیری کرد.

معایب استفاده از ترانسفورماتور

1. هدر رفت جریان به دلیل استفاده از هسته آهنی: هنگام انتقال انرژی الکتریکی از یک مدار به مدار دیگر، بخشی از جریان به دلیل خاصیت هسته آهنی ترانسفورماتور، هدر می رود و برای بهره برداری بهینه انرژی نیاز به طراحی و استفاده از هسته های با کیفیت دارند.

2. نیاز به خنک سازی: وقتی ترانسفورماتور فعالیت خود را بر اساس تغییرات جریان و ولتاژ انجام می دهد، حرارت زیادی تولید می کند که نیاز به سیستم خنک کننده دارد. در صورت عدم خنک کردن مناسب، عملکرد ترانسفورماتور قابل تحمل نخواهد بود و در نهایت ممکن است به توقف جریان منجر شود.

با وجود معایب فوق، ترانسفورماتور ها به دلیل عملکرد قوی و کارایی بالا، در بسیاری از صنایع و سیستم های برق استفاده می شوند. امروزه، با توجه به پیشرفت تکنولوژی و بهینه سازی در طراحی و ساخت ترانسفورماتور ها، معایب آنها به حداقل می رسد و مزایای آنها در جهت استفاده بهینه از انرژی الکتریکی برتری دارند.

تفاوت ترانسفورماتور خشک و روغنی

ترانسفورماتورهای خشک و روغنی دو نوع ترانسفورماتور متفاوت هستند که در سیستم خنک کنندگی خود تفاوت دارند. در اینجا ما به بررسی تفاوت بین این دو نوع ترانسفورماتور می‌پردازیم.

ترانسفورماتورهای خشک یا ترانسفورماتورهای تقویتی هوا سبک، در ساختار خود از ماده خنک‌کننده شامل ورق‌های سیلیکونی استفاده می‌کنند. این ورق‌ها با استفاده از روش فشارگذاری متقابل به هم چسبانده می‌شوند. در نتیجه، هیچ روغنی درون ترانسفورماتور قرار ندارد و کاملاً خشک است. این نوع ترانسفورماتورها از یک یا چند پنل خنک کننده شامل توربین بادی یا فن جریان محوری برای تخلیه گرما استفاده می‌کنند. علاوه بر این، تمام اجزای الکتریکی در داخل ترانسفورماتور در یک مواد عایق خشک فیبری قرار دارند. این مواد عایق به عنوان عایق برای ترانسفورماتور استفاده می‌شوند.

از طرفی، ترانسفورماتورهای روغنی از روغن سیلیکونی یا روغن ترانسفورماتور سنتتیک استفاده می‌کنند تا لوله‌ها و همچنین اجزای دیگر در داخل ترانسفورماتور را خنک نگه دارند. روغن درون ترانسفورماتور به منظور انتقال حرارت و خنک سازی از لوله‌ها استفاده می‌شود. در این نوع ترانسفورماتورها، روغن با استفاده از یک سیستم خنک کننده مانند ترمومتر اصلی یا رادیاتور خنک می‌شود.

بنابراین، تفاوت اصلی بین ترانسفورماتور خشک و روغنی در سیستم خنک کننده آنها است. در ترانسفورماتور خشک، هوا برای خنک سازی استفاده می‌شود، در حالی که ترانسفورماتور روغنی از روغن مخصوص برای خنک سازی استفاده می‌کند. همچنین، ترانسفورماتورهای خشک اغلب به عنوان جایگزین برای ترانسفورماتورهای روغنی استفاده می‌شوند زیرا آن‌ها بیشترین ایمنی و استحکام را در اپلیکیشن‌هایی که خطر آتش سوزی وجود دارد، فراهم می‌کنند.

مشخصات فنی ترانسفورماتور ها

ترانسفورماتورها دستگاه‌های الکتریکی هستند که برای انتقال انرژی الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر استفاده می‌شوند. آن‌ها از اصول الکترومغناطیسی و انتقال انرژی از طریق نامی تبدیل اندازه طبقه‌بندی می‌شوند. مشخصات فنی ترانسفورماتورها در هنگام طراحی و ساخت به خوبی تعیین می‌شوند تا به صورت احسن عمل کنند. در ادامه به برخی از مشخصات فنی ترانسفورماتورها می‌پردازیم:

1. توان خروجی: این مشخصه نشان دهنده حداکثر توانی است که ترانسفورماتور می‌تواند انتقال دهد. زمانی که توان بیش از ظرفیت ترانسفورماتور استفاده می‌شود، عوارضی مانند افت ولتاژ و افزایش دما رخ می‌دهد.

2. نسبت تبدیل: هر ترانسفورماتوری یک نسبت تبدیل خاص دارد که نشان دهنده نسبت ولتاژ و جریان ورودی و خروجی است. برای مثال، ترانسفورماتوری با نسبت تبدیل 1:10، ولتاژ ورودی را یک برابر می‌کند و ولتاژ خروجی را ده برابر می‌کند.

3. جریان هدایت: جریان هدایت ترانسفورماتور نشان دهنده‌ی مقدار انرژی الکتریکی است که در آن به شکل حرارت از دست می‌رود. این جریان اغلب به عنوان رنگ الکتریکی نیز شناخته می‌شود و نیاز به خنک کننده و منابع تغذیه جداگانه دارد.

4. میزان افت ولتاژ: مشخصات فنی ترانسفورماتور به طور معمول شامل افت ولتاژ نیز است. این مقدار بیانگر دقت ترانسفورماتور در حفظ ولتاژ در طول انتقال است و معمولاً به صورت درصدی از ولتاژ ورودی مشخص می‌شود.

5. نوع خنک‌کننده: ترانسفورماتورها می‌توانند با استفاده از روش‌های مختلفی مانند هوا، روغن و آب سرد شوند. نوع خنک‌کننده می‌تواند تاثیری در کارایی و بهره‌وری ترانسفورماتور داشته باشد.

مشخصات و ویژگی‌های فنی ترانسفورماتورها در طراحی، نصب و عملیات آن‌ها بسیار مهم هستند. این مشخصات به طور خاص بر اساس نیازهای مشتری و نوع کاربرد ترانسفورماتور تعیین می‌شوند و بهبود کارایی و عملکرد ترانسفورماتور را تضمین می‌کنند.