ترانسفورماتور

 

اجزا و اصول کار ترانسفورماتور

ترانسفورماتور از دو قسمت اصلی هسته و دو یا چند قسمت سیم پیچ که روی هسته پیچیده می شود تشکیل می شود. این دستگاه 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 و ولتاژ دو سر سیم‌پیچ اولیه دارای یک نسبت با یکدیگرند که به طور آرمانی برابر نسبت تعداد دور سیم پیچ ثانویه به سیم‌پیچ اولیه‌است.

به این ترتیب با اختصاص دادن امکان تنظیم تعداد سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور، می‌توان امکان تغییر ولتاژ در سیم‌پیچ‌ ثانویه ترانس را فراهم کرد.

به طور کلی یک ترانسفورماتور بر دو اصل استوار است:

•  اول اینکه، جریان الکتریکی متناوب می‌تواند یک میدان مغناطیسی متغیر پدید آورد (الکترومغناطیس)
•   و دوم اینکه، یک میدان مغناطیسی متغیر در داخل یک حلقه سیم‌پیچ می‌تواند موجب به وجود آمدن یک جریان الکتریکی متناوب در یک سیم سیم‌پیچ شود.

اگر جریان متناوب برق دارای فرکانس ۵۰هرتز باشد. یعنی در ۰٫۰۱ثانیه نیم‌موج مثبت و در ۰٫۰۱ ثانیه بعدی، نیم‌موج مثبت در هر سر سیم وجود دارد. بنابراین وقتی‌که جریان متناوب را به دوسر سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور می‌دهیم، میدان الکتریکی متغیری در آن ایجاد می‌شود. اگر چهارانگشت دست راست را در جهت جریان لحظه‌ای و متناسب با جهت پیچش سیم‌پیچ به دور هسته بگیرید، انگشت شست دست‌شما جهت لحظه‌ای میدان مغناطیسی را نشان می‌دهد. پس میدان‌مغناطیسی تولیدشده در هر لحظه نیز متناسب با تغییر جهت جریان در سیم‌پیچ، دائما در حال تغییر است. این میدان متغیر، از طریق هسته الکترومغناطیسی مسیر خود را می‌بندد. یعنی خطوط فرضی فوران مغناطیسی که از قطب N سیم‌پیچ خارج می‌شوند، از طریق ورقه‌های هسته که رلوکتانس ( مقاومت مغناطیسی ) کمتری دارند، مسیر خود را بسته و به‌سمت قطب S حرکت می‌کنند. چون جهت این میدان دائما در حال تغییر است ، لذا این میدان متغیر در سیم‌پیچ دیگری که روی این هسته قرار گرفته‌است، جریان الکتریکی دیگری القا می‌کند. این جریان نیز متناسب با زمان تغییر جهت می‌دهد و فرکانس جریان القایی به ثانویه نیز ۵۰هرتز است. به این پدیده، کوپلینگ مغناطیسی می‌گویند.

هسته در ترانس فورماتورها

هسته ترانسفورماتور، معمولا از جنس ورقه‌های دیناموبلش ( فریت – برای صنعت مخابرات و آهن سیلیسیم‌دار – در صنعت برق ) است تا دارای قابلیت نفوذ مغناطیسی خوب و قابلیت هدایت الکتریکی بد باشد. ضخامت هر ورقه حدود ۰٫۵ تا ۰٫۳ میلیمتر است. هرچه ضخامت ورقه کمتر باشد، تلفات ناشی‌از جریان‌های گردابی کمتر می‌شود. یک‌روی ورقه‌های هسته ( و به‌ندرت هر دو روی آن ) با پوشش عایق پوشانده‌شده‌است. زمانی که ورقه‌های هسته روی هم قرار می‌گیرند، نسبت به یکدیگر عایق می‌شوند. استفاده از پیچ یا وسایل نگهدارنده غیر الکتریکی و غیرمغناطیسی، به‌یکدیگر محکم می‌شوند تا لرزش موجب پدیدآمدن صدا نگردد.

انواع هسته

هسته لایه لایه شده

ترانسفورماتورها مورد استفاده در کاربردهای قدرت یا بسامد بالا (رادیویی) معمولاً از هسته با جنس فولاد سیلیکاتی با قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی بالا استفاده می‌کنند .قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی در فولاد بارها بیشتر از نفوذپذیری در خلاء 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 نزدیک 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 معمولاً در بسامدهای بالا استفاده می‌شود. با استفاده از برخی انواع هسته‌های با لایه‌های بسیار نازک امکان ساخت ترانسفورماتورهایی برای کاربرد در مصارف تا ۱۰ 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 عبور 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.

هسته‌های یکپارچه

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

هسته‌های حلقوی

ترانسفورماتورهای حلقوی دور حلقه‌ای ساخته می‌شوند. جنس این هسته بسته به بسامد مورد استفاده ممکن است از نوارهای بلند فولاد سیلیکاتی، پرمالوی پیچیده شده دور یک چنبره، آهن تقویت شده یا فریت باشد. ساختار نواری باعث چینش بهینه مرز_دانه‌ها می‌شود که این امر با کاهش رلوکتانس هسته موجب افزایش بهره‌وری ترانسفورماتور می‌گردد. شکل حلقوی بسته باعث از بین رفتن فاصله هوایی در هسته‌هایی با ساختار E-I می‌شود. سطح مقطع حلقه عموما به صورت مربعی یا مستطیلی می‌باشند، البته هسته‌هایی با سطح مقطع دایروی با قیمت بالا نیز وجود دارند. سیم پیچیهای اولیه و ثانویه به صورت فشرده پیچیده می‌شوند و تمام سطح حلقه را می‌پوشانند. با این کار می‌توان طول سیم مورد نیاز را به حداقل رساند. در توانهای برابر ترانسفورماتورهای حلقوی از انواع E-I -که ارزانتر می‌باشند- بازده بیشتری دارند. دیگر مزایای ترانسفورماتورهای حلقوی به قرار زیرند: اندازه کوچکتر (در حدود نصف)، وزن کمتر (در حدود نصف)، اغتشاش (صدای هوم) پائین (ایده‌آل برای استفاده در تقویت کننده‌های صوتی)، میدان مغناطیسی کمتر (در حدود یک دهم)، تلفات بی باری پائین (مناسب برای مدارها در حالت آماده بکار-standby-). از معایب آنها به قیمت بیشتر و توان نامی محدود می‌توان اشاره کرد. در بسامدهای بالا هسته‌های حلقوی فریت مورد استفاده قرار می‌گیرند. فریت قابلیت کار در بسامدهای چند ده کیلوهرتز تا یک مگا هرتز را دارا می‌باشد. با بکارگیری فریت تلفات، اندازه فیزیکی، و وزن منابع نیروی سوئیچ مد کاهش می‌یابد. ایراد دیگر ترانسفورماتورهای حلقوی هزینه بالای سیم پیچی در آنهاست. در نتیجه آنها در توان‌های نامی بیشتر از چند کیلوولت آمپر کاربرد بسیار کمی دارند.

سیم‌پیچ‌ها

بسته به چگالی جریان گذرنده از سیم‌پیچ‌ها و ابعاد ترانسفورماتور، یا به‌عبارت بهتر، بسته به توان ترانسفورماتور، سطح مقطع سیم‌های ترانس و نیز جنس هادی آن متفاوت است. جنس هادی یا مس و یا آلومینیوم و سطح مقطع آن‌ها نیز یا گرد و یا چندضلعی‌است. برای چگالی جریان‌های بیشتر، به‌جای سیم از هادی نواری‌شکل فلزی با پوشش عایقی مناسب استفاده می‌شود.

معمولا برای نگه‌داشتن سیم‌پیچ‌ها در جای خودشان از قرقره استفاده می‌شود. جنس قرقره از عایق‌الکتریکی است. این عایق می‌تواند فیبرهای مخصوص یا ترموپلاست باشد. در ترانسفورماتورهای با توان کم، از سیم‌های لاکی با سطح مقطع گرد استفاده می‌شود. بر خلاف سیم‌کشی که سیم‌ها را بر حسب سطح مقطع طبقه‌بندی می‌کنند، در اینجا سیم‌ها فقط بر اساس قطر طبقه‌بندی می‌شوند. اما به‌ازای هر سیم دو عدد داریم. یگی قطر سیم بدون در نظرگرفتن پوشش عایقی ( فقط قطر هادی )، و دیگری قطر سیم به‌همراه پوشش عایقی ( قطر هادی و لاک ).

ترانسفورماتور ایده‌آل

ترانسفورماتورها نیز مانند هر ماشین دیگری، دارای تلفات هستند. یعنی توان ورودی به ترانسفورماتور با توان گرفته‌شده از آن برابر نیست. پس می‌توان برای هر ترانسفورماتور نیز یک راندمان در نظر گرفت. اما برای ساده‌تر شدن کار، معمولا آن را به‌صورت ایده‌آل در نظر می‌گیریم و سپس در صورت نیاز اصلاحاتی انجام می‌دهیم تا مدل واقعی ترانسفورماتور نیز بررسی شده‌باشد.

یک ترانسفورماتور ایده‌آل هیچ تلفاتی نخواهد داشت و در واقع بازدهی برابر ۱۰۰٪ دارد. با این حال ترانسفورماتورهای واقعی نیز جزو بهره‌ورترین تجهیزات الکتریکی محسوب می‌شود به طوری که نمونه‌های آزمایشی ترانسفورماتورهایی که با بهره‌گیری از ابر رسانا ساخته شده‌اند به بازدهی برابر ۹۹٫۸۵٪ دست یافته‌اند. به طور کلی ترانسفورماتورهای بزرگتر از بازده بالاتری برخوردارند و ترانسفورماتورهایی که برای مصارف توزیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند از بازدهی در حدود ۹۵٪ برخوردارند در حالی که ترانسفورماتورهای کوچک مانند ترانسفورماتورهای موجود در اداپتورها بازدهی در حدود ۸۵٪ دارند.

انواع ترانسفورماتور

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:

اتوترانسفورماتور

اتوترانسفورماتور به ترانسفورماتوری گفته می‌شود که تنها از یک سیم‌پیچ تشکیل شده‌است. این سیم‌پیچ دارای دو سر ورودی و خروجی و یک سر در میان است. به طوری که می‌توان گفت سیم‌پیچ کوتاه‌تر (که در ترانس 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 هزینه‌تر بودن آن است چرا که به جای استفاده از دو سیم‌پیچ تنها از یک سیم‌پیچ در آنها استفاده می‌شود.

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.