ترانس/ ترانسفورماتور/ ترانسفورمر

ترانس/ترانسفورماتور/ترانسفورمر چیست؟!

ترانسفورماتور (به آلمانی transformator) یا ترانسفورمر (به انگلیسی transformer) وسیله ای است که انرژی الکتریکی را بین دو یا چند سیم ‌پیچ و از طریق القای الکترومغناطیسی منتقل می‌کند. به این صورت که یک جریان متغیر در سیم ‌پیچ اولیه ترانسفورمر، موجب تولید میدان مغناطیسی متغیر می‌شود که این میدان ولتاژی را در سیم پیچ ثانویه القا میکند. قدرت را می‌توان بین دو سیم‌پیچ (کویل یا کوئل) بدون اتصال فلزی بین دو مدار از طریق میدان مغناطیسی منتقل کرد. قانون القای فاراده در سال ۱۸۳۱ این اثر را توصیف کرد. ترانسفورمرها، برای افزایش یا کاهش ولتاژ متناوب در پروژه‌ های برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.

از زمان اختراع اولین ترانسفورماتور پایدارِ ثابت در سال ۱۸۸۵، ترانسفورماتورها برای انتقال، توزیع و بهره‌  برداری از انرژی الکتریکی جریان متناوب مورد استفاده قرار می‌گیرند. طیف ترانسفورمرها از نظر اندازه از ترانسفورماتورهای کمتر از یک سانتیمتر مکعب تا واحدهای اتصال شبکه برق که صدها تن وزن دارند گسترش یافته ‌است.

یکی از کاربردهای بسیار مهم ترانسفورماتورها کاهش جریان در خطوط انتقال انرژی الکتریکی است. دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه هادی ‌های 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 بنابراین 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 وجود ندارد.

ترانسفورماتورها یکی از پربازده ‌ترین تجهیزات الکتریکی هستند به ‌طوری‌که در برخی ترانسفورماتورهای بزرگ بازده به ۹۹٫۷۵٪ نیز می‌رسد. امروزه از ترانسفورماتورها در اندازه‌ها و توان‌های مختلفی استفاده می‌شود از یک ترانسفورماتور بند انگشتی که در یک میکروفون قرار دارد تا ترانسفورماتورهای غول‌پیکر چند گیگا ولت-آمپری. همه این ترانسفورماتورها اصول کار یکسانی دارند اما در طراحی و ساخت متفاوت هستند.

ساختمان ترانس ها:

بطور کلی یک ترانس از دو قسمت اصلی تشکیل شده است

1- هسته

هسته ترانسفورماتور از ورقه های مغناطیسی (دیناموبلش) یا فریت تشکیل میشود که برای هدایت فوران و نگه داشتن سیم پیچ ها مورد استفاده قرار میگیرد. هسته ترانسوفرماتور باید دارای هدایت مغناطیسیخوب و هدایت الکتریکی ضعیف باشد. به منظور کاهش تلفات هیسترزیس به هسته ترانس مقداری سیلیسیم اضافه میکنند و به منظور کاهش تلفات فوکو هسته ترانس را بصورت ورقه ای میسازند.

2- سیم پیچ

در ترانس تکفاز دو سیم پیچ از جنس مس یا آلومینیوم به صورت لاکی وجود دارد که سیم پیچ اولیه و ثانویه نامیده میشوند. سیم پیچی که به ولتاژ بیشتر وصل میشود را سیم پیچ فشار قوی و سیم پیچی کهه ولتاژ کمتری دارد را سیم پبچ فشار ضعیف نامیده میشود که برروی هسته پیچیده میشوند. سیم پیچ ترانس های کوچک را برروی قرقره میپیچند که جنس هسته در این موارد ترموپلاست یا پلاستیک خشک است. در ترانسفورماتورهای قدرت، سه نوع سیم پیچی مورد استفاده قرار میگیرد: لایه ای، حلزونی و دیسکی.

کاربردهای ترانس

ترانسفورماتورها در شبکه قدرت:

امروزه در بسیاری از صنایع مربوط به برق از ترانسفورماتور استفاده می شود. مهم ترین کاربرد ترانسفورماتور در شبکه برق است که وظیفه افزایش ولتاژ در سمت تولیدکننده و کاهش ولتاژ در سمت مصرف کننده است. این افزایش و کاهش ولتاژ، باعث کاهش تلفات انتقال انرژی الکتریکی از تولیدکننده به مصرف کننده می شود. در این کاربرد از ترانسفورماتورهای نوع سه فاز استفاده می شود. در تمامی دستگاه های مصرف کننده انرژی الکتریکی که در آن ها نیاز به کاهش یا افزایش ولتاژ است، از ترانسفورماتور استفاده می شود. برای اندازه گیری ولتاژ و جریان شبکه برق در پست های الکتریکی از ترانسفورماتورهایی به ترتیب به صورت موازی و سری در مدار استفاده می گردد. در کاربردهای حفاظتی نیز ترانسفورماتور جهت ایزولاسیون الکتریکی در تجهیزات الکتریکی نیز از ترانسفورماتورهای ایزولاسیون کاربرد دارد. کاربرد ترانسفورماتور به شبکه قدرت محدود نمی شود.

ترانسفورماتورها در صنعت:

انرژی الکتریکی پس از تولید در نیروگاه و انتقال به مصرف کننده، به شکل‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. دستگاه‌ های مصرف کننده 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 درنظر 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 به یک استفاده می‌شود.

ترانسفورماتورها 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.