ترانسفورماتور چیست و چه کاربردی دارد ؟

ترانسفورماتور

ترانسفورماتور : یکی از اجزای اصلی در سیستم برق‌رسانی و انتقال انرژی است. امروزه با استفاده از ترانسفورمر می‌توانیم برق را از محل تولید به دورترین نقاط کشور انتقال دهیم و در بعضی از نقاط، مثل روستاها و مناطق کم و پر جمعیت، با استفاده از ترانسهای دیگر برق‌رسانی کنیم.

ترانسفورماتور اکنون در کشور ما ساخته می‌شود و تولیدکنندگان اصلی آن شامل ایران ترانسفو، کارخانجات فاراتل، خزر ترانسفورمر، راسیکو و کالای گنجینه ایران فرد هستند که به طور کلی بیش از ۶۰% تولیدات این محصول را در دست دارند.

علاوه بر تولید داخلی، آمار اداره کل گمرکات نشان می‌دهد که بین سال‌های ۶۳ تا ۶۷ مقادیر زیادی ترانسفورمر از خارج وارد ایران شده است.

کشورهایی مثل شوروی، لهستان، تایوان، آلمان غربی، انگلستان، فنلاند، فرانسه، بلژیک، سوئیس و اسپانیا این محصولات را تولید و به ایران صادر کرده‌اند.

تعریف ترانسفورماتور و کاربرد آن

ترانسفورماتور یا ترانسفورمر دستگاه‌هایی هستند که انرژی الکتریکی را بدون تغییر نوع آن، با مقادیر متفاوت در اختیار مصرف‌کنندگان قرار می‌دهند.

در این فرآیند، ولتاژی که در سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌شود به تعداد دورهای آن‌ها بستگی دارد.

این ویژگی به مهندسان برق این امکان را می‌دهد که وسایل الکتریکی را با جریان‌ها و ولتاژهای مختلف طراحی کنند.

به این ترتیب، در مواقعی که خطر برق‌گرفتگی وجود دارد، وسایلی با ولتاژ کم طراحی می‌کنند که ایمن باشند.

در مواردی مانند «جوشکاری»، که نیاز به جریان زیاد داریم، با تغییر ولتاژ می‌توانیم جریان لازم برای جوشکاری را تأمین کنیم.

اگرچه ترانسفورمرها برای اولین بار در شبکه‌های برق استفاده شدند، ولی با پیشرفت علم الکترونیک، اکنون در بسیاری از دستگاه‌ها مانند شارژرهای کوچک تلفن همراه تا موتورهای بزرگ الکتریکی از آن‌ها استفاده می‌شود.

ساختمان ترانسفورماتور

به طور کلی ترانسفورماتور از دو قسمت تشکیل شده است :

1. هسته آهنی ترانسفورماتور

با توجه به قدرت انتقال، فرکانس و ولتاژ، هسته‌ها در انواع مختلف از نظر جنس، شکل و اندازه تولید می‌شوند.

برای مثال، در فرکانس‌های برق شهری از هسته‌های آهنی و در فرکانس‌های چند ده کیلوهرتز از هسته‌های فریت استفاده می‌شود.

هرچه ابعاد هسته بزرگ‌تر باشد، ترانسفورماتور قادر به انتقال توان الکتریکی بیشتری است.

به همین دلیل، ترانسفورماتور در شارژر موبایل کوچک است، ولی در شبکه‌های قدرت بزرگ‌تر است. همچنین، اندازه ترانسفورماتور به فرکانس کاری آن بستگی دارد.

هسته‌های آهنی معمولاً به شکل‌های UI، EI و EE وجود دارند.

هسته‌های پودر فلزات به شکل حلقوی (ترویید) و هسته‌های فریت شکل‌های متنوع‌تری دارند که شامل EE، UU، RM، ETD، EFD و پلانار می‌شود.

2. سیم پیچ ترانسفورماتور

سیم‌پیچی ترانسفورماتورها به طور ساده به دو دسته تقسیم می‌شود.

به سیم‌پیچی که به ولتاژ ورودی متصل است «سیم‌پیچی اولیه» و به سیم‌پیچی که ولتاژ مورد نظر (پس از تبدیل توسط ترانسفورماتور) را می‌دهد «سیم‌پیچی ثانویه» می‌گویند.

سیم‌پیچ‌ها بسته به نوع کاربرد ترانسفورماتور به شکل‌های مختلفی بر روی هسته پیچیده می‌شوند.

به عنوان مثال، سیم‌پیچ‌ها می‌توانند بر روی ساق‌های جداگانه یا بر روی هم و بر روی یک ساق پیچیده شوند.

سیمی که برای سیم‌پیچ استفاده می‌شود…

“““html
از سیم‌های لاکی با ضخامت بسیار کم گرفته تا کابل‌های ضخیم ولتاژ بالا می‌تواند باشد.

3. قرقره (بوبین) ترانسفورماتور

قرقره ترانس یا همان بوبین ترانس یکی از لوازم ساخت ترانسفورماتور است.

قرقره ترانس یک سازه از جنس پلاستیک، چوب، کائوچو یا هر ماده دیگری که بر اثر سیم‌پیچی تغییر شکل ندهد می‌تواند باشد.

سیم‌پیچ بر روی بوبین پیچیده می‌شود و سپس هسته در داخل بوبین جاسازی می‌شود.

اکثر هسته‌ها همراه با بوبین در بازار موجود هستند، مانند هسته‌های ورق آهن، هسته‌های فریت EE، ETD، ER و … . برخی از هسته‌های کوچک‌تر که قابلیت قرارگیری بر روی برد الکتریکی را دارند، دارای پین‌هایی در پایین خود هستند که اتصال آن‌ها به برد الکتریکی را آسان می‌کند.

بوبین هسته‌های بزرگتر به این دلیل که استحکام لازم برای قرارگیری بر روی برد الکتریکی را ندارند بدون پین هستند.

بوبین هسته‌های ورق آهن معمولاً از این دسته هستند. البته در توان‌های پایین‌تر، ترانس‌های روبردی با بوبین پین دار نیز موجود است. برای این بوبین‌ها باید سازه‌ای مکانیکی برای نصب در کیس مبدل طراحی گردد.

برخی هسته‌ها مانند هسته‌های U شکل به‌دلیل تنوع آرایش سیم‌پیچی برای آن‌ها، بدون بوبین در بازار عرضه می‌گردند.

متناسب با کاربرد این هسته‌ها باید بوبین مناسب طراحی و ساخته شود. باید در نظر داشت که طراحی انجام شده از طرفی موقع جایگذاری هسته به مشکل بر نخورد و از طرفی پنجره هسته را برای قرارگیری سیم‌پیچ محدود نکند.

همچنین استحکام کافی برای پیچیدن سیم‌پیچ را داشته باشد.

هسته‌هایی مانند تروییدها که امکان باز کردن هسته و قرار دادن بوبین در آن‌ها وجود ندارد فاقد بوبین هستند و نمی‌توان برای آن‌ها بوبین طراحی کرد و سیم‌پیچ مستقیماً بر روی هسته پیچیده می‌شود.

در بسیاری از ترانسفورماتورهای خاص مانند ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا از آن‌جا که عایقی بین تمام نقاط هسته و سیم‌پیچ‌ها باید رعایت شود، طراحی بوبین از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

تمامی فواصل باید به‌صورت دقیق با توجه به جنس عایق و ولتاژ شکست آن محاسبه و طراحی گردد.

کاربرد ترانسفورماتور در کجاست؟

کاربرد ترانسفورماتور را می‌توان در سه بخش تقسیم کرد:

1. ترانسفورماتور در شبکه قدرت

امروزه در بسیاری از صنایع مربوط به برق از ترانسفورماتور استفاده می‌شود.

مهم‌ترین کاربرد ترانسفورماتور در شبکه برق است که وظیفه افزایش ولتاژ در سمت تولیدکننده و کاهش ولتاژ در سمت مصرف‌کننده را بر عهده دارد.

این افزایش و کاهش ولتاژ، باعث کاهش تلفات انتقال انرژی الکتریکی از تولیدکننده به مصرف‌کننده می‌شود. در این کاربرد از ترانسفورماتورهای نوع سه فاز استفاده می‌شود.

در تمامی دستگاه‌های مصرف‌کننده انرژی الکتریکی که در آن‌ها نیاز به کاهش یا افزایش ولتاژ است، از ترانسفورماتور استفاده می‌شود.

برای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان شبکه برق در پست‌های الکتریکی از ترانسفورماتورهایی به ترتیب به‌صورت موازی و سری در مدار استفاده می‌گردد.

در کاربردهای حفاظتی نیز ترانسفورماتور برای ایزولاسیون الکتریکی در تجهیزات الکتریکی به کار می‌رود و کاربرد آن به شبکه قدرت محدود نمی‌شود.

• 2. ترانسفورماتور در صنعت

انرژی الکتریکی پس از تولید در نیروگاه و انتقال به مصرف‌کننده، به شکل‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

دستگاه‌های مصرف‌کننده انرژی الکتریکی به نحوی طراحی شده‌اند که از برق تولیدی شبکه قدرت به همان شکل و همان سطح ولتاژ استفاده کنند.

اما در برخی از کاربردها نیاز است تا سطح ولتاژ شبکه تغییر کند و بعد از آن مورد استفاده قرار بگیرد.

به عنوان مثال یک ترانسفورماتور معمولی جوشکاری را در نظر بگیرید که برای ایجاد جریان بالا در خروجی، سطح ولتاژ را کاهش می‌دهد یا یک منبع تغذیه آزمایشگاهی یا صنعتی همین عمل را در سطح ولتاژ دلخواه انجام می‌دهد.

در برخی موارد نیز هدف فقط ایزولاسیون الکتریکی به منظور مسائل حفاظتی است که از ترانسفورماتور یک استفاده می‌شود.

“““html

به یک استفاده می‌شود.

• 3. ترانسفورماتور در الکترونیک قدرت

تمامی کاربردهایی که در بالا عنوان شد کاربردهایی هستند که در آن ها از ترانسفورماتورهایی که در فرکانس برق شهر کار می کنند، استفاده می شود ولی با پیشرفت علم الکترونیک قدرت، استفاده از ترانسفورماتورهای فرکانس بالا نیز رایج شده است.

در تمامی مبدل های الکترونیک قدرت که ولتاژ خروجی آن ها ایزوله است از ترانسفورماتور استفاده شده است.

در این مبدل ها ابتدا برق AC شهر DC می شود و سپس با سوئیچینگ در فرکانس بالا، برق AC با فرکانس بالا تولید می گردد و سپس از یک ترانسفورماتور فرکانس بالا برای کاهش یا افزایش ولتاژ و همچنین ایجاد ایزولاسیون استفاده می گردد.

ترانسفورماتور فرکانس بالا از نظر ابعادی بسیار کوچکتر از ترانسفورماتور با فرکانس برق شهر است و جنس هسته آن نیز به جای آهن از فریت است.

در عمده مدارات الکترونیک قدرت می توان ترانسفورماتورهایی با ابعاد و توان های مختلف پیدا کرد.

انواع ترانسفورماتور

ترانسفورماتورها را بر اساس مولفه گوناگون می توان دسته بندی کرد.

این مولفه ها شامل فرکانس، توان، جنس هسته، ساختار هسته و سیم پیچی، جنس عایق، کاربرد، تک فاز یا سه فاز، افزاینده یا کاهنده، سطح ولتاژ و نوع خنک کنندگی می شوند.

انواع ترانسفورماتور بر اساس این مولفه ها به این گونه است :

1. ترانسفورماتور بر اساس فرکانس

فرکانس یکی از عوامل مهم در تعیین جنس و ابعاد هسته است.

از فرکانس برق شهر که ۵۰ یا ۶۰ هرتز است تا فرکانس های کلیدزنی که تا چندصد کیلو هرتز هم می رسد از ترانسفورماتورها با هسته های متفاوتی استفاده می شود.

در فرکانس برق شهر از هسته های آهنی و ورقه آهن استفاده می شود.

به این ترانسفورماتورها ترانسفورماتور فرکانس پایین (یا برق شهر یا شبکه قدرت) گفته می شود.

در فرکانس های بالاتر از پودر آهن و در فرکانس های سوئیچینگ از فریت استفاده می شود که به آن‌ها ترانسفورماتور فرکانس بالا یا ترانسفورماتور سوئیچینگ می‌گویند.

2. ترانسفورماتور بر اساس توان

توان عبوری از یک ترانسفورماتور می تواند از چند میلی وات تا چند مگاوات باشد.

در نتیجه ترانسفورماتور را براساس حداکثر توان عبوری از آن به ترانسفورماتورهای توان پایین، توان متوسط و توان بالا دسته‌بندی می‌کنند.

3. ترانسفورماتور بر اساس ساختار هسته و سیم پیچی

ساختار هسته و سیم پیچ ها انواع متفاوتی دارد که بسته به نوع کاربرد از ساختارهای متفاوت استفاده می گردد.

هسته ترانسفورماتور می تواند شامل یک یا چند ساق، حلقوی، پلانار و … باشد. سیم پیچ ها ممکن است بر روی یک ساق و در کنار هم یا روی هم، بر روی ساق های جداگانه، در لابه لای یکدیگر (interleaved) در بوبین های دارای چند شیار (slot)، به صورت صفحات PCB و … باشند.

4. ترانسفورماتور بر اساس جنس عایق

در ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا، سیم پیچی که ولتاژ بالایی دارد باید از نقاط دیگر ترانسفورماتور و حتی از نقاط دیگر خود آن سیم پیچ عایق شود.

در ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا از عایق هایی با جنس های متفاوت استفاده می شود.

هوا، گاز SF6، روغن و انواع عایق های جامد نمونه هایی از این عایق ها هستند.

5. ترانسفورماتور بر اساس کاربرد

کاربرد یک ترانسفورماتور مهم ترین مشخصه آن است.

یک ترانسفورماتور را می توان به منظور انتقال انرژی الکتریکی در شبکه قدرت، اندازه گیری ولتاژ، اندازه گیری جریان، ایزولاسیون، تطبیق امپدانس، تنظیم ولتاژ (اتوترانسفورماتور)، منابع تغذیه و … مورد استفاده قرار داد.

6. ترانسفورماتور بر اساس تعداد فاز

در شبکه برق قدرت و در مصرف کننده های سه فاز از ترانسفورماتورهای سه فاز و در مصرف کننده های تک فاز از ترانسفورماتور تک فاز استفاده می شود.

7. بر اساس افزاینده یا کاهنده

ترانسفورماتورها یا از نوع افزاینده ولتاژ و یا از
“`

این نوعی از ترانسفورماتورها هستند که برای کاهش ولتاژ استفاده می‌شوند.

البته ممکن است این دستگاه‌ها همزمان ویژگی‌های متفاوتی مانند کاهش و افزایش ولتاژ را در شرایط مختلف داشته باشند.

ترانسفورماتورهایی که فقط برای ایزولاسیون استفاده می‌شوند، معمولاً تغییراتی در سطح ولتاژ ایجاد نمی‌کنند و نه برای کاهش ولتاژ و نه برای افزایش آن کاربرد دارند.

8. بر اساس سطح ولتاژ

در شبکه‌های برق، ترانسفورماتورها بر اساس سطح ولتاژ به سه دسته تقسیم می‌شوند: فشار ضعیف (کمتر از ۱ کیلو ولت)، فشار متوسط (بین ۱ تا ۳۳ کیلو ولت) و فشار قوی (بیشتر از ۳۳ کیلو ولت). معمولاً ترانسفورماتورهایی که در الکترونیک قدرت استفاده می‌شوند، در دسته فشار ضعیف قرار دارند.

امروز استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ در ولتاژهای بالا نیز در حال افزایش است.

9. بر اساس نوع خنک‌کنندگی

ترانسفورماتورها می‌توانند بسته به نحوه دفع تلفات، به دسته‌های مختلفی تقسیم شوند. این دستگاه‌ها می‌توانند با استفاده از هوا، روغن، فن یا آب خنک شوند.

بیشتر بخوانید :