ترانسفورماتور چیست؟

مقدمه‌ای بر ترانسفورماتور‌های الکتریکی

ترانسفورماتور دستگاهی‌است که:

1. انتقال توان الکتریکی از یک مدار الکتریکی به یک مدار الکتریکی دیگر را انجام می‌دهد.
2. بدون تغییر فرکانس کار‌می‌کند.
3. از طریق القای الکتریکی کار می‌کند.
4. که در آن هر دو مدار، تأثیرات القای متقابل را دریافت می‌کنند و اولیه و ثانویه روی هم دیگر تاثیر القایی دارند.
5. نمی‌تواند سطح ولتاژ DC یا جریان DC را بالا ببرد یا پایین بیاورد.
6. می‌تواند‌سطح ولتاژ AC یا جریان AC را بالا‌برده یا پایین‌بیاورد.

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

ترانسفورماتور‌های الکتریکی

—————————————————————-

  ترانسفورماتور زیمنس 1500 کیلوولت آمپر / تکنولوژی الکتریکی

بدون ترانسفورماتور، انرژی الکتریکی تولید شده در ایستگاه‌های 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؟ می‌دانید که ساختن یک نیروگاه آسان نیست. و بسیار هزینه بردار می‌باشد.

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

هنگامی که تعداد دور‌های سیم‌پیچ ثانویه بیشتر از سیم‌پیچ اولیه‌است، چنین ترانسفورماتوری به عنوان ترانسفورماتور افزاینده (Step up) شناخته‌می‌شود.به همین ترتیب، هنگامی که تعداد دورهای سیم‌پیچ   اولیه بیشتر از ترانسفورماتور ثانویه باشد، چنین ترانسفورماتوری به عنوان ترانسفورماتور کاهنده شناخته‌می‌شود.

ساختار ترانسفورماتور/ بخش های یک ترانسفورماتور

—————————————————————-

اجزای یک ترانسفورماتور

ترانسفورماتور‌های الکتریکی

دسته اصلی ترانسفورماتورها

ترانسفورماتور‌ها به دو دسته اصلی تقسیم‌بندی‌می‌شود.

• 1- ترانسفورماتور تک فاز
• 2- ترانسفورماتور سه فاز

در ادامه انواع بیشتری از ترانسفورماتورها آورده‌شده‌است که بر اساس عملکردهای متفاوت آنها تقسیم‌بندی شده‌است.

انواع ترانسفورماتورها بر اساس هسته

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

دسته بندی ترانسفورماتور بر اساس‌استفاده

• 1- ترانسفورماتور توان بالا (Large Power Transformer)
• 2- ترانسفورماتور توزیع (Distribution Transformer)
• 3- ترانسفورماتور توان پایین (Small Power Transformer)
• 4- ترانسفورماتور روشنایی (Sign Lighting Transformer)
• 5- ترانسفورماتور کنترل و سیگنالینگ (Control & Signalling Transformer)
• 6- ترانسفورماتور لامپ دشارژ گازسوز (Gaseous Discharge Lamp Transformer)
• 7- ترانسفورماتور زنگ‌ها و بیزر‌ها (Bell Ringing Transformer)
• 8- ترانسفورماتور ابزار‌های اندازه‌گیری (Instrument Transformer)
• 9- ترانسفورماتور جریان ثابت (Constant Current Transformer)
• 10- ترانسفورماتور سری برای چرا‌غ‌های خیابان (Series Transformer for Street Lighting)

انواع ترانسفورماتور بر حسب خنک‌سازی

—————————————————————-

انواع ترانسفورماتور ابزاری

1.  جریان
2.  پتانسیل
3. جریان ثابت
4. هسته چرخان یا رگولاتور القایی
5. اتوترانسفورماتور

اصول عملکرد یک ترانسفورماتور

ترانسفورماتور یک دستگاه استاتیک‌است (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 می‌دهد. این دستگاه سطح ولتاژ و جریان AC را بالا می برد (یا پایین می‌آورد).

ترانسفورماتور بر اساس القاء متقابل دو سیم‌پیچ یا قانون فارادی  القای الکترومغناطیسی کار می‌کند. هنگامی که جریان در سیم‌پیچ اولیه تغییر می‌کند، شار وصل‌شده به سیم‌پیچ ثانویه نیز تغییر می‌کند. در نتیجه EMF که در سیم‌پیچی ثانویه القا‌می‌شود ناشی از قانون فارادی  القای الکترومغناطیسی‌است.

عملکرد ترانسفورماتور مبتنی بر دو اصل‌است: اول اینکه جریان الکتریکی می‌تواند یک میدان مغناطیسی (الکترومغناطیسی) ایجاد کند و دوم اینکه میدان مغناطیسی در حال تغییر، در یک سیم‌پیچ باعث ایجاد ولتاژ در انتهای سیم‌پیچ (القای الکترومغناطیسی) می‌شود. تغییر جریان در سیم‌پیچ اولیه باعث تغییر شار مغناطیسی شده‌است. تغییر شار مغناطیسی موجب ایجاد ولتاژی در سیم‌پیچ ثانویه‌می‌شود.

در ادامه

یک ترانسفورماتور ساده دارای یک آهن نرم یا هسته فولادی سیلیکونی و سیم‌پیچی روی آن (هسته آهن)‌است. هر دو هسته و سیم‌پیچ‌ها از یکدیگر جدا شده اند. سیم‌پیچ متصل به منبع اصلی  اولیه نامیده می‌شود و سیم‌پیچ متصل به مدار بار ثانویه نامیده‌می‌شود.

سیم بندی (سیم‌پیچی) متصل به ولتاژ بالاتر به عنوان سیم‌پیچ ولتاژ بالا شناخته‌می‌شود در حالی که سیم‌پیچ متصل به ولتاژ پایین به عنوان سیم‌پیچی ولتاژ پایین شناخته‌می‌شود. در مورد ترانسفورماتور افزاینده ، سیم‌پیچ اولیه (سیم بندی)  سیم بندی ولتاژ پایین‌است، تعداد دور های سیم‌پیچ ثانویه بیشتر از سیم‌پیچ اولیه‌است. برای ترانسفورماتور کاهنده برعکس‌است.

خوب‌است بدانید که مقدار نامی ترانسفورماتور به جای کیلو ولت همواره بر حسب کیلوولت آمپر محاسبه‌می‌شود. همان طور که پیش تر بحث شد؛ EMF تنها با تغییر اندازه شار القا می‌شود. هنگامی که سیم‌پیچ اولیه به منبع تغذیه برق متصل می‌شود؛ جریان از آن عبور می‌کند. از آنجایی که سیم‌پیچ با هسته ارتباط دارد، جریان عبوری از طریق سیم‌پیچی یک جریان متناوب در هسته تولید می‌کند. EMF در سیم‌پیچی ثانویه القا‌می‌شود؛ چرا که شار متناوب دو سیم‌پیچ را مرتبط می‌کند. فرکانس EMF القا شده همانند شار یا ولتاژ منبع تغذیه می‌باشد.

با انجام این کار (تغییر شار) انرژی،  از سیم‌پیچ اولیه  با استفاده از القای الکترومغناطیسی بدون تغییر در فرکانس ولتاژ ارائه شده به ترانسفورماتور؛ به ثانویه منتقل‌می‌شود. در طول فرآیند، یک EMF خود القا‌شده در سیم‌پیچ اولیه تولید می‌شود که مخالف ولتاژ اعمال شده‌است. EMF ناشی از خود به عنوان EMF برگشتی شناخته شده‌است.

ترانسفورماتور‌های الکتریکی

—————————————————————-

محدودیت‌های 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 AC‌است که  ولتاژ یا جریان متناوب را بالا‌برده یا کاهش می‌دهد. ترانسفورماتور یک دستگاه AC است اما نمیتواند ولتاژ یا جریان DC را به سمت بالا یا پایین ببرد.  ممکن‌است فکر کنید “بنابراین آیا ترانسفورماتور DC وجود ندارد؟”

برای پاسخ‌دادن به این سوال که آیا ترانسفورماتورهای DC وجود‌دارند یا خیر و این سؤال که  “چرا ترانسفورماتور نمی‌تواند ولتاژ DC را افزایش یا کاهش‌دهد” لازم‌است بدانید که چگونه جریان برق و میدان مغناطیسی در عملکرد ترانسفورماتور با یکدیگر همکاری‌می‌کنند.

الکترومغناطیس

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

 همچنین EMF که در دو سر هادی ایجاد شده می‌تواند به شکل انرژی شیمیایی یا میدان مغناطیسی ذخیره‌شده باشد. هادی های حامل جریان؛ که در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، نیروی مکانیکی را تجربه می‌کنند در حالی که یک هادی که در میدان مغناطیسی قرار می گیرد، الکترون های آن رانده می‌شوند و به ایجاد جریان الکتریکی منجر می‌شود.

شار مغناطیسی

دو قطب مخالف آهنربا  یکدیگر را جذب می‌کنند در حالی که  قطبهای همنام همدیگر را جذب می‌کنند . هر آهنربا توسط یک میدان  احاطه شده‌است که با خطوط فرضی  نمایش داده‌می‌شود که از قطب شمال یک آهنربا خارج‌شده و  به قطب جنوب همان آهنربا وارد‌می‌شود، نشان داده‌می‌شود. خطوط اتصال قطب شمال و جنوب یک آهنربا که نشان دهنده نیروی میدان مغناطیسی آن است که که یک سیم‌پیچ را در ترانسفورماتور در بر می گیرد شار مغناطیسی نامیده‌می‌شود

القای مغناطیسی

القای الکترومغناطیسی پدیده‌ای‌است که زمانی که یک سیم‌پیچ و یک میدان مغناطیسی در تعامل هستند چگونگی القای EMF و جریان را در یک سیم‌پیچی توضیح می‌دهد. این پدیده “القای الکترومغناطیسی” توسط قوانین فارادی القای الکترومغناطیسی توضیح داده‌شده‌است. جهت EMF القا‌شده در یک سیم‌پیچ توسط قانون لنز و قانون دست راست فلمینگ توضیح داده‌شده‌است.

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 کشف‌‌کرد زمانی که در یک میدان مغناطیسی که  یک سیم‌پیچ در آن قرار‌دارد تغییری ایجاد‌شود، EMF در سیم‌پیچ قرار‌گرفته در میدان القا‌می‌شود.

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

قانون اول فارادی

اولین قانون فارادی القایی الکترومغناطیسی بیان‌می‌کند که “EMF زمانی در یک سیم‌پیچ  القا‌می‌شود که تغییری در جریان متصل به سیم‌پیچ وجود داشته‌باشد”.

قانون دوم فارادی

دومین قانون القای الکترومغناطیسی فارادی بیان می‌کند که “مقدار EMF القا‌شده در یک سیم‌پیچ به طور مستقیم با نرخ تغییر شار مربوط به سیم‌پیچ در ارتباط‌است.”

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 سیم‌پیچی را تعیین . بنابراین، این قانون بیان می‌کند که جهت EMF القا شده، با تغییراتی که باعث ایجاد آن می‌شود؛ مخالف و برعکس آن است. به عبارت دیگر، هنگامی که یک E.M.F در یک مدار القا می‌شود، جریان ایجاد‌شده همیشه با حرکت یا تغییر در جریانی که آن را تولید می‌کند؛ مخالف‌است. یا یک EMF القا شده باعث ایجاد جریانی در مدار‌می‌شود که اثر مغناطیسی جهت آن جریان با تغییراتی که تولید می‌کند مخالف‌است.

با توجه به این قانون (که توسط لنز در سال 1835 معرفی شده‌است)، جهت جریان را می‌توان پیدا کرد. هنگامی که جریان عبوری از یک سیم‌پیچ؛ میدان مغناطیسی را تغییر می‌دهد، ولتاژ در نتیجه تغییر میدان مغناطیسی ایجاد‌می‌شود، جهت ولتاژ القایی چنین‌است که همیشه با تغییر در جریان مخالف‌است. به عبارت ساده، قانون لنز بیان‌می‌کند که اثر القا‌شده همیشه در مخالفت با علت ایجاد‌شده آن‌است.

ترانسفورماتور‌های الکتریکی

—————————————————————-

قانون دست راست فلمینگ

این قانون بیان می‌کند که “اگر انگشت شست، انگشت اشاره و انگشت میانی را به طوری بگیریم که آنها متقابلاً عمود بر یکدیگر باشند (زاویه 90 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 می‌دهد.

قانون دست راست فلمینگ

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

ترانسفورماتور نمیتواند ولتاژ DC را افزایش یا کاهش بدهد؛ توصیه نمی‌شود که یک منبع تغذیه DC را به یک ترانسفورماتور وصل کنید زیرا اگر یک ولتاژ نامی DC بر روی سیم‌پیچ (اولیه) ترانسفورماتور اعمال‌شود، اندازه شار تولید‌شده در ترانسفورماتور تغییر نخواهد کرد، بلکه به همان صورت باقی می‌ماند و در نتیجه EMF در سیم‌پیچی ثانویه ایجاد نخواهد‌شد. بنابراین ترانسفورماتور ممکن‌است شروع به سوختن و دود کردن بنماید.

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

اگر ما فرکانس را مساوی صفر  بگذاریم، کل X_l (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 ممکن‌است شروع به سوختن و دود کردن بکند. در نتیجه، ترانسفورماتور قادر به افزایش یا کاهش ولتاژ DC نیست.

—————————————————————-

مقالات مرتبط :

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

مواد عایق ترانسفورمرها در نوع روغنی و خشک

Download teransformator.zip

ترانسفورماتور‌های الکتریکی