آموزش های پایه ای برقتجهیزات، ادوات و دستگاه های اندازه گیری برقترانسفورماتور قدرت

ترانسفورماتور؛ ساختار؛ عملکرد؛ انواع کاربردها و محدودیت ها

ترانسفورماتور چیست؛ ساختار آن چگونه است و چطور کار می کند.

مقدمه ای بر ترانسفورماتورهای الکتریکی

ترانسفورماتور چیست؟ 

به زبان ساده:

ترانسفورماتور دستگاهی است که:

  1. انتقال توان الکتریکی از یک مدار الکتریکی به یک مدار الکتریکی دیگر را انجام می دهد.
  2. بدون تغییر فرکانس کار می کند.
  3. از طریق القای الکتریکی کار می کند.
  4. که در آن هر دو مدار، تأثیرات القای متقابل را دریافت می کنند و اولیه و ثانویه روی هم دیگر تاثیر القایی دارند.
  5. نمی تواند سطح ولتاژ DC یا جریان DC را بالا ببرد یا پایین بیاورد.
  6. می تواند سطح ولتاژ AC یا جریان AC را بالا برده یا پایین بیاورد.

مقالات مرتبط و پیشنهادی برای مطالعه :

نگه داری ترانسفورماتور

حفاظت ترانسفورماتور قدرت و خطاهای آن

ترانسفورماتورهای جریان (سی تی CT) – انواع، ویژگی  و کاربردهایشان

علمکرد ترانسفورماتورها و محاسبه پارامترهای الکتریکی

ترانسفورماتور زیمنس 1500 کیلوولت آمپر تکنولوژی الکتریکی
ترانسفورماتور زیمنس ۱۵۰۰ کیلوولت آمپر تکنولوژی الکتریکی

  ترانسفورماتور زیمنس ۱۵۰۰ کیلوولت آمپر / تکنولوژی الکتریکی

بدون ترانسفورماتور، انرژی الکتریکی تولید شده در ایستگاه های تولید، احتمالا برای تغذیه یک شهر به اندازه کافی قوی نخواهد بود. فقط تصور کنید که هیچ ترانسفورماتوری وجود ندارد. فکر می کنید چه تعداد   نیروگاه ها باید به منظور تقویت برق شهری راه اندازی شوند؟ می دانید که ساختن یک نیروگاه آسان نیست. و بسیار هزینه بردار می باشد.

چندین نیروگاه قدرت باید به منظور ایجاد قدرت کافی تولید شوند. ترانسفورماتور با تقویت خروجی ترانسفورماتور (افزایش یا کاهش سطح ولتاژ یا جریان) می تواند کمک رسان باشد.

هنگامی که تعداد دور های سیم پیچ ثانویه بیشتر از سیم پیچ اولیه است، چنین ترانسفورماتوری به عنوان ترانسفورماتور افزاینده (Step up) شناخته می شود.به همین ترتیب، هنگامی که تعداد دورهای سیم پیچ   اولیه بیشتر از ترانسفورماتور ثانویه باشد، چنین ترانسفورماتوری به عنوان ترانسفورماتور کاهنده شناخته می شود.

ساختار ترانسفورماتور/ بخش های یک ترانسفورماتور

ساختار ترانسفورماتور و اجزای آن
ساختار ترانسفورماتور و اجزای آن

اجزای یک ترانسفورماتور

۱ Oil filter valve شیر فیلتر روغن
۲ Conservator کنسرواتور (محفظه روغن)
۳ Buchholz relay رله ی بوخهلتس
۴ Oil filter valve شیر فیلتر روغن
۵ Pressure-relief vent دریچه تخلیه فشار
۶ High-voltage bushing بوشینگ ولتاژ بالا
۷ Low-voltage bushing بوشینگ ولتاژ پایین
۸ Suspension lug پایه معلق
۹ B C T Terminal ترمینال BCT
۱۰ Tank تانک
۱۱ De-energized tap changer تپ چنجر
۱۲ Tap changer handle دسته تپ چنجر
۱۳ Fastener for core and coil بست هسته و سیم پیچی
۱۴ Lifting hook for core and coil قلاب برای هسته و سیم پیچی
۱۵ End frame قاب نهایی
۱۶ Coil pressure bolt پیچ فشار سیم پیچی
۱۷ Oil drain valve شیر تخلیه روغن
۱۸ Jacking boss دسته جک زنی
۱۹ Stopper استپر
۲۰ Foundation bolt میله پایه
۲۱ Grounding terminal ترمینال زمین
۲۲ Skid base  پایه شاسی
۲۳ Coil سیم پیچی
۲۴ Coil pressure plate صفحه فشار سیم پیچ
۲۵ Core هسته
۲۶ Terminal box for protective devices جعبه ترمینال برای دستگاه های محافظ
۲۷ Rating plate ۲۷٫ پلاک
۲۸ Dial thermometer دماسنج
۲۹ Radiator رادیاتور
۳۰ Manhole درپوش
۳۱ Lifting hook گوشواره برای بلند کردن
۳۲ Dial type oil level gauge گیج نمایش سطح روغن

انواع ترانسفورماتورها

ترانسفورماتور ها به دو دسته اصلی تقسیم بندی می شود.

  1. ترانسفورماتور تک فاز
  2. ترانسفورماتور سه فاز

در ادامه انواع بیشتری از ترانسفورماتورها آورده شده است که بر اساس عملکردهای متفاوت آنها تقسیم بندی شده است.

انواع ترانسفورماتورها بر اساس هسته

  • ترانسفورماتور نوع هسته ای (ستونی) (Core Type Transformer)
  • ترانسفورماتور نوع زرهی (پوسته ای) (Shell Type Transformer)
  • ترانسفورماتور نوع دانه ای (Berry Type Transformer)

انواع ترانسفورماتور بر اساس استفاده

  • ترانسفورماتور توان بالا (Large Power Transformer)
  • ترانسفورماتور توزیع (Distribution Transformer)
  • ترانسفورماتور توان پایین (Small Power Transformer)
  • ترانسفورماتور روشنایی (Sign Lighting Transformer)
  • ترانسفورماتور کنترل و سیگنالینگ (Control & Signalling Transformer)
  • ترانسفورماتور لامپ دشارژ گازسوز (Gaseous Discharge Lamp Transformer)
  • ترانسفورماتور زنگ ها و بیزر ها (Bell Ringing Transformer)
  • ترانسفورماتور ابزار های اندازه گیری (Instrument Transformer)
  • ترانسفورماتور جریان ثابت (Constant Current Transformer)
  • ترانسفورماتور سری برای چراغ های خیابان (Series Transformer for Street Lighting)

انواع ترانسفورماتور بر حسب خنک سازی

ترانسفورماتور خنک شده با هوا یا ترانسفورماتور نوع خشک Self-Air Cooled or Dry Type Transformer
نوع خشک خنک شده با فشار هوا Air Blast-Cooled Dry Type
سیستم خنک سازی خود به خودی غوطه ور در روغن (OISC) یا سیستم ONAN (روغن طبیعی؛ هوای طبیعی) Oil Immersed, Self-Cooled (OISC) or ONAN (Oil natural, Air natural)
سیستم خنک کنندگی ترکیبی از خود به خودی و فشار هوا: غوطه ور در روغن(ONAN) Oil Immersed, Combination of Self Cooled and Air blast (ONAN)
سیستم خنک شده با آب؛ غوطه ور در روغن (OW) Oil Immersed, Water Cooled (OW)

 

سیستم روغن با فشار؛ غوطه ور در روغن Oil Immersed, Forced Oil Cooled
سیستم ترکیب خنک سازی خود به خودی با خنک سازی با آب؛ غوطه ور در روغن (ONAN+OW) Oil Immersed, Combination of Self Cooled and Water Cooled (ONAN+OW)
سیستم خنک سازی هوا با فشار، روغن با فشار (OFAC) Oil Forced, Air forced Cooled (OFAC)
سیستم خنک سازی با آب؛ روغن با فشار (FOWC) Forced Oil, Water Cooled (FOWC)
سیستم خنک سازی خود به خودی؛ روغن با فشار (OFAN) Forced Oil, Self-Cooled (OFAN)

انواع ترانسفورماتور ابزاری

  • ترانسفورماتور جریان
  • ترانسفورماتور پتانسیل
  • ترانسفورماتور جریان ثابت
  • ترانسفورماتور هسته چرخان یا رگولاتور القایی
  • اتوترانسفورماتور

اصول عملکرد یک ترانسفورماتور

ترانسفورماتور یک دستگاه استاتیک است (و شامل قطعات چرخشی نیست، از این رو هیچ تلفات اصطحکاکی ندارد)، که توان الکتریکی را از یک مدار  بدون تغییر فرکانس آن به مدار دیگر انتقال می دهد. این دستگاه سطح ولتاژ و جریان AC را بالا می برد (یا پایین می آورد).

ترانسفورماتور بر اساس القاء متقابل دو سیم پیچ یا قانون فارادی  القای الکترومغناطیسی کار می کند. هنگامی که جریان در سیم پیچ اولیه تغییر می کند، شار وصل شده به سیم پیچ ثانویه نیز تغییر می کند. در نتیجه EMF که در سیم پیچی ثانویه القا می شود ناشی از قانون فارادی  القای الکترومغناطیسی است.

عملکرد ترانسفورماتور مبتنی بر دو اصل است: اول اینکه جریان الکتریکی می تواند یک میدان مغناطیسی (الکترومغناطیسی) ایجاد کند و دوم اینکه میدان مغناطیسی در حال تغییر، در یک سیم پیچ باعث ایجاد ولتاژ در انتهای سیم پیچ (القای الکترومغناطیسی) می شود. تغییر جریان در سیم پیچ اولیه باعث تغییر شار مغناطیسی شده است. تغییر شار مغناطیسی موجب ایجاد ولتاژی در سیم پیچ ثانویه می شود.

اصول کار ترانسفورماتور
اصول کار ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور ساده دارای یک آهن نرم یا هسته فولادی سیلیکونی و سیم پیچی روی آن (هسته آهن) است. هر دو هسته و سیم پیچ ها از یکدیگر جدا شده اند. سیم پیچ متصل به منبع اصلی  اولیه نامیده می شود و سیم پیچ متصل به مدار بار ثانویه نامیده می شود.

سیم بندی (سیم پیچی) متصل به ولتاژ بالاتر به عنوان سیم پیچ ولتاژ بالا شناخته می شود در حالی که سیم پیچ متصل به ولتاژ پایین به عنوان سیم پیچی ولتاژ پایین شناخته می شود. در مورد ترانسفورماتور افزاینده ، سیم پیچ اولیه (سیم بندی)  سیم بندی ولتاژ پایین است، تعداد دور های سیم پیچ ثانویه بیشتر از سیم پیچ اولیه است. برای ترانسفورماتور کاهنده برعکس است.

خوب است بدانید که مقدار نامی ترانسفورماتور به جای کیلو ولت همواره بر حسب کیلوولت آمپر محاسبه می شود.

همان طور که پیش تر بحث شد؛ EMF تنها با تغییر اندازه شار القا می شود.

هنگامی که سیم پیچ اولیه به منبع تغذیه برق متصل می شود؛ جریان از آن عبور می کند. از آنجایی که سیم پیچ با هسته ارتباط دارد، جریان عبوری از طریق سیم پیچی یک جریان متناوب در هسته تولید می کند. EMF در سیم پیچی ثانویه القا می شود؛ چرا که شار متناوب دو سیم پیچ را مرتبط می کند. فرکانس EMF القا شده همانند شار یا ولتاژ منبع تغذیه می باشد.

روابط ترانسفورماتور
روابط ترانسفورماتور

با انجام این کار (تغییر شار) انرژی،  از سیم پیچ اولیه  با استفاده از القای الکترومغناطیسی بدون تغییر در فرکانس ولتاژ ارائه شده به ترانسفورماتور؛ به ثانویه منتقل می شود. در طول فرآیند، یک EMF خود القا شده در سیم پیچ اولیه تولید می شود که مخالف ولتاژ اعمال شده است. EMF ناشی از خود به عنوان EMF برگشتی شناخته شده است.

محدودیت های ترانسفورماتور

برای درک نکات اصلی، ما باید برخی از اصطلاحات پایه مربوط به عملیات ترانسفورماتور را مورد بحث قرار دهیم. بنابراین برای مدتی به مفاهیم پایه برمی گردیم.

یک ترانسفورماتور؛ یک ماشین AC است که  ولتاژ یا جریان متناوب را بالا برده یا کاهش می دهد. ترانسفورماتور یک دستگاه AC است اما نمیتواند ولتاژ یا جریان DC را به سمت بالا یا پایین ببرد.  ممکن است فکر کنید “بنابراین آیا ترانسفورماتور DC وجود ندارد؟”

برای پاسخ دادن به این سوال که آیا ترانسفورماتورهای DC وجود دارند یا خیر و این سؤال که  “چرا ترانسفورماتور نمی تواند ولتاژ DC را افزایش یا کاهش دهد” لازم است بدانید که چگونه جریان برق و میدان مغناطیسی در عملکرد ترانسفورماتور با یکدیگر همکاری می کنند.

الکترومغناطیس

تعامل بین میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی با نام الکترومغناطیس شناخته می شود. هادی های حامل جریان؛ در زمانی که جریان از آن عبور می کند، میدان مغناطیسی  تولید می نماید. حرکت الکترون ها در یک هادی به ایجاد جریان الکتریکی ( حرکت الکترون ها ) منجر می شود که در نتیجه EMF در سراسر هادی ایجاد می شود.

 همچنین EMF که در دو سر هادی ایجاد شده می تواند به شکل انرژی شیمیایی یا میدان مغناطیسی ذخیره شده باشد. هادی های حامل جریان؛ که در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، نیروی مکانیکی را تجربه می کنند در حالی که یک هادی که در میدان مغناطیسی قرار می گیرد، الکترون های آن رانده می شوند و به ایجاد جریان الکتریکی منجر می شود.

شار مغناطیسی

دو قطب مخالف آهنربا  یکدیگر را جذب می کنند در حالی که  قطبهای همنام همدیگر را جذب می کنند . هر آهنربا توسط یک میدان  احاطه شده است که با خطوط فرضی  نمایش داده می شود که از قطب شمال یک آهنربا خارج شده و  به قطب جنوب همان آهنربا وارد  می شود، نشان داده می شود. خطوط اتصال قطب شمال و جنوب یک آهنربا که نشان دهنده نیروی میدان مغناطیسی آن است که که یک سیم پیچ را در ترانسفورماتور در بر می گیرد شار مغناطیسی نامیده می شود

القای مغناطیسی

القای الکترومغناطیسی پدیده ای است که زمانی که یک سیم پیچ و یک میدان مغناطیسی در تعامل هستند چگونگی القای EMF و جریان را در یک سیم پیچی توضیح می دهد. این پدیده “القای الکترومغناطیسی” توسط قوانین فارادی القای الکترومغناطیسی توضیح داده شده است. جهت EMF القا شده در یک سیم پیچ توسط قانون لنز و قانون  دست  راست فلمینگ توضیح داده شده است.

قانون فارادی  القای الکترومغناطیسی

پس از آنکه آمپر و دیگر دانشمندان اثر مغناطیسی جریان را بررسی کردند؛ مایکل فارادی سعی کرد اثر جریان میدان مغناطیسی را بررسی کند. وی در طول کار خود کشف کرد زمانی که در یک میدان مغناطیسی که  یک سیم پیچ در آن قرار دارد تغییری ایجاد شود، EMF در سیم پیچ قرار گرفته در میدان القا می شود.

این اتفاق تنها زمانی اتفاق می افتد که  یا سیم پیچ را حرکت بدهیم یا آهنربایی که در آزمایش استفاده می شود حرکت کند. EMF تنها زمانی ایجاد می شود که تغییر در شار میدان وجود داشته باشد (در صورتی که سیم پیچی ثابت باشد، حرکت آهنربا به طرف سیم پیچی یا دور از سیم پیچ موجب ایجاد EMF می شود). بدین ترتیب قوانین فارادی القایی الکترومغناطیسی به شرح زیر است:

قانون اول فارادی

اولین قانون فارادی القایی الکترومغناطیسی بیان می کند که “EMF زمانی در یک سیم پیچ  القا می شود که تغییری در جریان متصل به سیم پیچ وجود داشته باشد”.

قانون دوم فارادی

دومین قانون القای الکترومغناطیسی فارادی بیان می کند که “مقدار EMF القا شده در یک سیم پیچ به طور مستقیم با نرخ تغییر شار مربوط به سیم پیچ در ارتباط است.”

که در آن

e: EMF القایی

N: تعداد دورها

d : تغییر در شار

dt: تغییر در زمان

قانون لنز

قانون لنز چگ جهت EMF القا شده در یک سیم پیچی را تعیین . بنابراین، این قانون بیان می کند که جهت EMF القا شده، با تغییراتی که باعث ایجاد آن می شود؛ مخالف و برعکس آن است.

به عبارت دیگر، هنگامی که یک E.M.F در یک مدار القا می شود، جریان ایجاد شده همیشه با حرکت یا تغییر در جریانی که آن را تولید می کند؛ مخالف است. یا یک EMF القا شده باعث ایجاد جریانی در مدار می شود که اثر مغناطیسی جهت آن جریان با تغییراتی که تولید می کند مخالف است.

با توجه به این قانون (که توسط لنز در سال ۱۸۳۵ معرفی شده است)، جهت جریان را می توان پیدا کرد. هنگامی که جریان عبوری از یک سیم پیچ؛ میدان مغناطیسی را تغییر می دهد، ولتاژ در نتیجه تغییر میدان مغناطیسی ایجاد می شود، جهت ولتاژ القایی چنین است که همیشه با تغییر در جریان مخالف است.

به عبارت ساده، قانون لنز بیان می کند که اثر القا شده همیشه در مخالفت با علت ایجاد شده آن است.

قانون لنز
قانون لنز

قانون دست راست فلمینگ

این قانون بیان می کند که “اگر انگشت شست، انگشت اشاره و انگشت میانی را به طوری بگیریم که آنها متقابلاً عمود بر یکدیگر باشند (زاویه ۹۰ درجه داشته باشند)، سپس انگشت اشاره در جهت میدان، انگشت شست در جهت حرکت هادی و انگشت میانی جهت جریان القایی (از EMF) را نشان می دهد.

قانون دست راست فلمینگ

قانون دست راست
قانون دست راست

چرا ترانسفورماتور نمی تواند ولتاژ یا جریان DC  را به افزایش یا کاهش بدهد ؟

ترانسفورماتور نمیتواند ولتاژ DC را افزایش یا کاهش بدهد؛ توصیه نمی شود که یک منبع تغذیه DC را به یک ترانسفورماتور وصل کنید زیرا اگر یک ولتاژ نامی DC بر روی سیم پیچ (اولیه) ترانسفورماتور اعمال شود، اندازه شار تولید شده در ترانسفورماتور تغییر نخواهد کرد، بلکه به همان صورت باقی می ماند و در نتیجه EMF در سیم پیچی ثانویه ایجاد نخواهد شد. بنابراین ترانسفورماتور ممکن است شروع به سوختن و دود کردن بنماید.

در مورد منبع تغذیه DC، فرکانس صفر است. هنگامی که ولتاژ را دو سر یک مدار الکتریکی اعمال می کنید،  سپس با توجه به فرمول Xl = 2π f L

اگر ما فرکانس را مساوی صفر  بگذاریم، کل Xl (راکتانس القایی) نیز صفر خواهد بود. در مورد جریان، I = V / R (و در مورد مدار القایی، I = V /Xl)  براساس قانون اصلی اهم اگر راکتانس القایی را روی صفر قرار بدهیم، جریان فعلی بی نهایت خواهد بود (اتصال کوتاه) …

بنابراین، اگر ما ولتاژ DC را به یک مدار القایی خالص اعمال کنیم، مدار ممکن است شروع به سوختن و دود کردن بکند.

بنابراین ترانسفورماتور قادر به افزایش یا کاهش ولتاژ DC نیست. همچنین در چنین مواردی در سیم پیچ اولیه EMF خود القایی وجود نخواهد داشت چرا که این EMF تنها در صورتی که شار متفاوت داشته باشیم ایجاد می شود و با ولتاژ اعمال شده مخالفت می کند. مقاومت سیم پیچ اولیه کم است و به همین دلیل جریان عبوری از آن باعث می شود که سیم پیچی اولیه به دلیل گرمای بیش از حد ایجاد شده توسط جریان بسوزد و از بین برود.

ویدیو آموزشی راجع به ترانسفورماتور:

 

مقالات مرتبط :

رآکتور موازی یا شانت (Shunt Reactors) چیست؟ انواع آن، ساختار و کاربرد ها

مواد عایق ترانسفورمرها در نوع روغنی و خشک

محسن ترابی

مهندس برق قدرت، فوق لیسانس برق قدرت از دانشگاه سراسری یزد، موسس ماه صنعت، متخصص در ژنراتور، دیزل، طراحی و ساخت موتورهای الکتریکی، سنکرون و سیستم های حفاظت الکتریکی به خصوص حفاظت ژنراتور. دارای گواهی ثبت اختراع ساخت موتور PMSM‌ معکوس گرد. هدف از ایجاد این وبسایت و مقالات آن آموزش در راستای توسعه ی صنعت برق کشور عزیزمان ایران می باشد و سعی می کنم مقالات کاربردی در راستای این هدف در وبسایت انتشار بدهم

نوشته های مشابه

‫4 نظرها

  1. سلام .
    ولتاژ ورودی: ۲۲۰V AC
    فرکانس ترانسفورماتور: ۵۰Hz
    ولتاژ خروجی: ۱۲V AC تک خروجی
    مشخصات یک ترانسفرماتور
    اگه من برعکس استفاده کنم مشکلی پیش میاد ؟
    یعنی ترانسفرماتور کاهنده رو بر عکس کنی افزاینده نمیشه ؟ یعنی خروجی رو به عنوان ورودی استفاده کنم جواب میده ؟
    ولتاژ ۱۲ ولت به خروجی بدم ۲۲۰ تحویل بگیرم

  2. باسلام
    در طراحی ترانس با سیستم روغن بدون فشار، چگالی جریان سیم پیچ ها به ازا هر میلیمتر مربع چند آمپر میشه انتخاب کرد؟ در حالت بدون سیستم خنک کنندگی تقریبا ۴ آمپر هست که در فضای آزاد زیر نور آفتاب ۳ آمپر انتخاب میشه. میخواستم ببینم استفاده از روغن تا چه اندازه کمک میکنه

    1. سلام. من تخصص طراحی ترانس رو ندارم که بتونم راهنمایی تون کنم. فکر کنم زبان اصلی سرچ کنید منابع مرتبط پیدا می کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن