آشنایی با   ترانسفورماتور

ترانسفورماتور وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را بین دو یا چند سیم‌پیچ و از طریق القای الکترومغناطیسی منتقل می‌کند. به این صورت، یک جریان متغیر در سیم‌پیچ اولیه ترانسفورمر موجب تولید میدان مغناطیسی متغیر در هسته ترانسفورماتور گردیده و تاثیر میدان متغیر مغناطیسی منجر به ایجاد ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه می‌شود.

انرژی الکتریکی را می‌توان بین دو سیم‌پیچ (کویل) بدون اتّصال فلزی بین دو مدار از طریق میدان مغناطیسی منتقل کرد. در سال ۱۸۳۱، قانون القای فارادی این اثر را توصیف کرد. ترانسفورمرها برای افزایش یا کاهش ولتاژ متناوب در پروژه‌های برق استفاده می‌شود.

در سال ۱۸۸۵، از زمان اختراع اولین ترانسفورماتور پایدارِ ثابت از ترانسفورماتورها برای انتقال، توزیع و بهره‌برداری از انرژی الکتریکی جریان متناوب استفاده می‌شد.[۱] طیف ترانسفورمرها از نظر اندازه از ترانسفورماتورهای کم‌تر از یک سانتیمتر مکعب تا واحدهای اتصال شبکهٔ برقی گسترش یافته‌است که صدها تُن وزن دارد.

انواع ترانسفورماتور بر اساس جنس هسته

به طور کلی، ترانسفورماتورها بر اساس جنس هسته به دو نوع با هسته هوایی و با هسته آهنی تقسیم می‌شوند.

ترانسفورماتور با هسته هوایی

در این نوع ترانسفورماتور از پلاستیک یا هوا به عنوان هسته اصلی استفاده می‌شود. سیم‌پیچ‌ها یا در اطراف هسته پلاستیکی پیچیده ‌شده‌اند یا هسته فیزیکی وجود ندارد و به عبارت دیگر هواست. هوا از نفوذپذیری مغناطیسی بسیار کمی برخوردار است. بنابراین، شار پیوندی بین سیم‌پیچ‌ها وجود ندارد، زیرا مسیر شار از طریق هوا برقرار است.

عدم وجود هسته مغناطیسی (مانند هسته آهنی) باعث کاهش تلفات هسته می‌شود، زیرا این تلفات با افزایش فرکانس زیاد می‌شود. ماده فرومغناطیس همچنین باعث ایجاد اعوجاج در سیگنال با فرکانس بالا می‌شود. بنابراین ترانسفورماتور با هسته هوایی برای جریان فرکانس رادیویی مناسب است. نکته مثبت دیگر ترانسفورماتور هسته هوایی این است که جرم سبکی داشته و برای دستگاه‌های الکترونیکی سیار مانند فرستنده رادیویی و غیره مناسب است.

ترانسفورماتور هسته هوایی و آهنی

ترانسفورماتور با هسته فرومغناطیس/آهنی

همان‌طور که از نام آن پیداست، این هسته ترانسفورماتور از مواد فرومغناطیسی ساخته شده است. یک هسته فرومغناطیسی در ترانسفورماتور برای افزایش میدان مغناطیسی آن استفاده می‌شود. شدت میدان مغناطیسی به نفوذپذیری مغناطیسی ماده مورد استفاده بستگی دارد. ماده فرومغناطیس رایج آهن است که در چنین ترانسفورماتورهایی استفاده می‌شود.

ترانسفورماتورهای هسته آهنی در کاربردهایی با بار سنگین و فرکانس پایین مانند منبع تغذیه استفاده می‌شوند. هسته آهنی شامل تلفات هسته وابسته به فرکانس از قبیل جریان گردابی و تلفات هیسترزیس است.

از ترانسفورماتورهای با هسته فرومغناطیس برای افزایش یا کاهش سطح ولتاژ AC استفاده می‌شود.

انواع ترانسفورماتور بر اساس تبدیل ولتاژ

نیز به دو دسته افزاینده و کاهنده طبقه‌بندی می‌شوند.

ترانسفورماتور افزاینده

در چنین نوع ترانسفورماتورهایی، ولتاژ سیم‌پیچ ثانویه بزرگ‌تر از سطح ولتاژ‌ سیم‌پیچ اولیه است. این امر به این دلیل است که تعداد دور در سیم‌پیچ اولیه از تعداد دور در سیم‌پیچ ثانویه کمتر است.

ولتاژ خروجی ترانسفورماتور به نسبت تبدیل (نسبت تعداد دور سیم‌پیچ ثانویه به سیم‌پیچ اولیه) آن بستگی دارد. نسبت تبدیل ترانسفورماتور افزاینده بزرگ‌تر از یک است.

همان‌طور که می‌دانیم، توان ورودی و خروجی ترانسفورماتور یکسان است. این بدین معنی است که ترانسفورماتور افزاینده ولتاژ را افزایش می‌دهد، اما به همان اندازه جریان سیم‌پیچ ثانویه آن از جریان سیم‌پیچ اولیه‌اش کمتر است. بنابراین توان تغییر نمی‌کند.

ترانسفورماتور افزاینده عمدتاً در انتقال توان برای مسافت طولانی به منظور کاهش تلفات خط به کار می‌رود. تلفات خط به جریان آن بستگی دارد، بنابراین کاهش جریان (همزمان با افزایش ولتاژ) با استفاده از ترانسفورماتور افزاینده انجام می‌شود و تلفات را کاهش داده و سبب انتقال مؤثر توان خواهد شد.

ترانسفورماتور کاهنده

ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ AC را کاهش می‌دهد، یعنی ولتاژ خروجی آن پایین‌تر از ولتاژ ورودی است. تعداد دور در سیم‌پیچ اولیه این نوع ترانسفورماتور از تعداد دور سیم‌پیچ ثانویه آن بیشتر است.

نسبت تبدیل ترانسفورماتور کاهنده کمتر از یک است.

رایج‌ترین ترانسفورماتورهای کاهنده ولتاژ را از خطوط برق ۱۱، ۲۰ و ۳۳ کیلوولت به ولتاژ استاندارد مصرف‌کننده برای لوازم خانگی تبدیل می‌کنند.

هر شارژر تلفن همراه از ترانسفورماتور کاهنده برای کاهش ولتاژ داخلی برای یکسوسازی استفاده می‌کند.

انواع ترانسفورماتور بر اساس کاربرد

بر اساس کاربرد، چهار نوع ترانسفورماتور وجود دارد.

ترانسفورماتور قدرت

این ترانسفورماتورها برای افزایش و کاهش ولتاژهای موجود در نیروگاه برای انتقال کارآمد برق به کار می‌روند.

همان‌طور که می‌دانیم، تلفات خط به جریان بستگی دارد. برای کاهش جریان خط، ولتاژ خط را با استفاده از ترانسفورماتور قدرت افزاینده زیاد می‌کنیم.

ولتاژ عملیاتی ترانسفورماتورهای قدرت بسیار بالا و اندازه آن‌ها نیز بسیار بزرگ است و در بار کامل با بازدهی نزدیک ۱۰۰ درصد کار می‌کنند.

ترانسفورماتور توزیع

از این ترانسفورماتورها برای توزیع برق به مصارف خانگی یا تجاری استفاده می‌شود. ترانس‌های توزیع ولتاژهای خط را به ولتاژ خانگی استاندارد پایین می‌آورند.

در مقایسه با ترانسفورماتور قدرت، ترانسفورماتورهای توزیع از نظر اندازه کوچک‌تر هستند و نصب آن‌ها نیز آسان است. این ترانسفورماتورها ولتاژ و توان کمتری دارند که معمولاً زیر    ترانسفورماتورهای توزیع زیر ۷۰ درصد باقی مانده است، زیرا هرگز در بار کامل کار نمی‌کنند.

ترانسفورماتور ایزولاسیون

از این نوع ترانسفورماتورها برای ایزوله‌سازی الکتریکی وسایل به منظور جلوگیری از برق‌گرفتگی استفاده می‌شود.

یک سر اولیه ترانسفورماتور ایزولاسیون زمین شده است. در این صورت، اگر کسی یک سیم یا هادی لخت را در سمت ثانویه لمس کند، گذر جریان وجود نخواهد داشت و مدار ناقص است زیرا پتانسیل زمین برابر با پتانسیل شخص خواهد بود.

ترانسفورماتورهایی با نسبت تبدیل ۱:۱ عمدتاً به عنوان ترانسفورماتور ایزولاسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما می‌توان آن‌ها را به صورت ترانسفورماتور کاهنده نیز طراحی کرد.

این ترانسفورماتورها با یک ماده عایق مخصوص بین سیم‌پیچ ساخته شده‌اند که می‌تواند ولتاژهای بالای AC را پشتیبانی کند و به دلیل تزویج خازنی آن، اجزای DC را کاملاً مسدود می‌کنند. یک سپر فارادی زمین شده بین سیم‌پیچ‌ها وجود دارد که هرگونه نویز یا تداخل را سرکوب می‌کند.

ترانس‌های ایزولاسیون برای اندازه‌گیری ایمن به منظور جلوگیری از ایجاد شوک الکتریکی یا اتصال دو مدار که نباید به صورت الکتریکی متصل شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترانسفورماتور ابزار دقیق

از این نوع ترانسفورماتور در اندازه‌گیری ولتاژ و جریان بالا استفاده می‌شود.

این ترانسفورماتورها ولتاژ و جریان را پایین می‌آورند و به یک محدوده ایمن می‌رسانند که به راحتی از طریق ابزارهای اندازه‌گیری معمولی اندازه‌گیری می‌شود.

دو نوع ترانسفورماتور ابزار دقیق (اندازه‌گیری) وجود دارد. ترانسفورماتور جریان و ترانسفورماتور ولتاژ.

ترانسفورماتور جریان

در اندازه‌گیری جریان‌های بسیار بزرگ استفاده می‌شود.

ترانسفورماتور ولتاژ

ترانسفورماتور ولتاژ‌ برای اندازه‌گیری ولتاژهای بالا استفاده می‌شود. برای انجام این کار، سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور در روی خطوط ولتاژ بالا متصل می‌شود. در طرف ثانویه نیز، تمام ابزارهای اندازه‌گیری مانند کنتور برای اندازه‌گیری و تحلیل سطح ولتاژ به متصل می‌شوند.

انواع مختلف ترانسفورماتورهای ولتاژ  به صورت زیر است:

    الکترومغناطیسی: سیم‌پیچی شده است.

    ترانسفورماتور ولتاژ خازنی (CVT): از مدار تقسیم ولتاژ خازن استفاده می‌کند.

    ترانسفورماتور نوری: بر اساس خاصیت الکتریکی مواد اپتیکی کار می‌کند. ترانسفورماتور ابزار دقیق مدار اندازه‌گیری را از مدار توان بالا جدا می‌کند تا خطر شوک الکتریکی را کاهش دهد