ترانسفورماتور

ترانسفورماتور:

ترانسفورماتور ماشینی است که انرژی الکتریکی را از یک سطحی به سطح دیگر تبدیل میکند. ترانسفورماتور به منظور کاهش و یا افزایش ولتاژ و یا جریان بکار میرود.

نکته 1: یکی از خواص ترانسفوماتور این است که ولتاز و جریان را تغییر میدهد بدون آنکه حاصل ضرب آن دو را تغییر دهد. یعنی قدرت ورودی و قدرت خروجی تقریبا برابر است.

ساختمان ترانس:

ترانس از یک هسته آهنی و دو عدد سیم پیچ تشکیل یافته است که یکی سیم پیچ اولیه و دیگری سیم پیچ ثانویه میباشد. سیم پیچ اولیه به سیم پیچی اطلاق میشود که به منبع متصل باشد و سیم پیچ ثانویه نیز به سیم پیچی اطلاع میشود که به بار متصل باشد. ترانس ها را در دو گروه افزاینده و کاهنده تقسیم بندی مینمایند. اگر چنانچه ولتاژ ثانویه نسبت به اولیه بیشتر باشد اصطلاحا ترانس را افزاینده گویند و اگر ولتاژ ثانویه کم تر از ولتاژ اولیه باشد ترانس را ترانس کاهنده مینامند. هسته ترانس از ورقه های نازک که نسبت به هم عایق هستند و از جنس آهن مخصوص (دیناموبلش) میباشد و از تلفاتی که جریان فوکو تولید میکند جلوگیری مینماید.

نحوه شناخت جریان ترانس: به عنوان میال جریان A 5/300 ، ترانسی است که جریان 300 آمپر را در اولیه به 5 آمپر ددر ثانویه تبدیل میکند که جریان مناسبی برای تجهیزات انداه گیزی یا حفاظتی میباشد.

نحوه کار ترانسفورماتور:

ترانسفورماتور وسیله ای است که انرژی الکتریکی را به ویسله دو یا چند سیم پیچ و از طریق الفای 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 سیم پیچ اول میشود، این میدان مغناطیسی به نوبه خود موجب به وجود آمدن یک ولتاز در مدار دوم میشود که با اضافه کردن یک بار به مدار دوم این ولتاژ میتوان به ایجاد یک جریان در ثانویه بینجامد. ولتاژ القا شده در ثانویه V_s و  ولتاژ دو سر سیم پیچ اولیه V_p دارای یک نسبت با یکدیگرند که به طور ایده آل برابر نسبت تعداد دور سیم پیچ ثانویه به سیم پیچ اولیه است.

ترانسفورماتور ها یکی از پربازده ترین تجهیزات الکتریکی هستند به طوری که در برخی ترانسفورماتور های بزرگ راندمان به 99.75% نیز میرسد.

اساس کار ترانسفورماتور:

اساس کار ترانسفورماتور بر مبنای اثر میدان های مغناطیسی (القای متقابل) بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه است. هرگاه سیم پیچ اولیه به ترانسفورماتوری را به شکل زیر به یک منبع ولتاژ متناوب با ولتاژ V1 وصل کنیم، جریانی از آن عبور میکند و در قضای اطراف سیم پیچ اولیه تولید میدان مغناطیسی میکند.

این میدان، پس از عبور هسته از ترانس، سیم پیچ های ثانویه را قطع و ولتاژ V2 را در آن القا میکند. اگر در سیم پیچ های ثانویه ترانسفورماتور مصرف کننده (بار) قرار گیرد، چون مسیر آن بسته میشود، جریان I2 از آن جاری میشود.

انواع ترانسفورماتور:

1.       تقسیم بندی اول: انواع ترانسفورماتور از نظر ساختمان(شکل هسته)

الف) ترانسفورماتور جداری (هسته زرهی): در این تراسنفورماتور سیم پیچ اولیه و ثانویه و هر دو روی بازوی وسط هسته سیچ پیچی شده ، در نتیجه در نیمی از فوران ایجاد شده از یک طرف و نیمی دیگر از طرف دیگر سیم پیچ ها را قطع میکند که از این نوع ترانسفورماتور در فشار ضعیف استفاده میشود.

ب) تراسنفورماتور هسته ای (ستونی) : در این ترانسفورماتور بوبین اولیه و ثانویه را به دو قسمت مساوی تقسیم کرده و سپس نیمی از سیمم پیچ اولیه و نیمی از سیم پیچ ثانویه را روی یکی از بازو ها و دو نیمه دیگر سیم پیچ ها را نیز روی بازوی دیگر قرار میدهند. از ای نور ترانسفورماتور در فشار قوی استفاده میشود.

2.       تقسیم بندی تراسنفورماتور از نظر تک فاز و یا سه فاز بودن

الف) ترانس های تک فاز: 1- کاهنده، 2- افزاینده، 3- اتوترانس(ترانس صرفه ای) ، این ترانس خود به دو گروه افزاینده و کاهنده تقسیم میشود، 4- ترانس های اندازه گیری: CT و PT، 5- ترانس های حفاظت (ترانس ایزوله)

ب) ترانس های  سه فاز: 1- کاهنده (فشار قوی)، 2- افزاینده (فشار ضعیف فشار ضعیف-فشار قوی)، 3- اتوترانس(فشار ضعیف) ه خود به دو دسته  افزاینده و کاهنده تقسیم میگردد، 4- ترانس های حفاظت (ترانس ایزوله)

3.       ترانسفورماتور ها را از نقطه نظر مقدار ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی به دو دسته تقسیم میکنند:

الف) ترانسفورماتور کاهنده: در این نوع ترانس، ولتاژ ثانویه آن کم تر از ولتاژ اولیه است و در نتیجه تعداد دور سیم پیچ های ثانویه از سیم پیچ های اولیه کمتر است یعنی:

معمولا از این نوع ترانسفورماتور زمانی استفاده میشود که ولتاژ کار مصرف کننده از ولتاژ منبع تغذیه کننده کمتر باشد. ترانسفورماتویهایی که در دستگاه های جوشکاری و لوازم خانگی مانند رادیو به کار میروند از این نوع هستند. برخی آداپتور ها نیز از این نوع ترانس استفادع میکنند.

ب) ترانسفورماتور افزاینده: در این نوع ترانس ، ولتاژ ثانویه آن بیشتر از ولتاژ اولیه است و در نتیجه تعدا دور سیم پیچ های ثانویه از سیم پیچ های اولیه بیشتر است یعنی:

از این نوع ترانسفورماتور ها در مواردی که مصرف کننده به ولتاژی بیش از ولتاژ منبع تغذیه (شبکه برق) نیاز داشته باشد، استفاده میشود. از جمله این موارد میتوان ترانسفورماتور های انتقال انرژی الکتریکی در شبکه های برق یا ترانسفورماتور جرقه مشعل های گازوئیلی را نام برد. در مشعل گازوئیلی تراس جرقه ولتاز 220 ولت را تا حدود 10000 ولت افزایش میدهد.

ترانس ایده آل:

ترانس ایده آل عبارت است از دستگاهی که متشکل از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه همراه با هسته میباشد که میتوان فرض کرد هیچگونه تلفاتی در آن بوجود نمیآید. امروزه ترانس های واقعی بسیار نزدیک به این فرض هستند به گونه ای که بعضی از آنها دارای راندمانی تا 99% هم هستند. بنابر این فرض ایده آل بودن در مورد اکثر ترانس های امروزی فرض قابل قبولی خواهد بود. یک ترانس ایده آل خواهد بود اگر فرض شود که:

1.       تمامی شار محدود به هسته است و از درون به دو سیم پیچ اولیه و ثانویه به طور کامل عبور میکند.

2.       مقاومت الکتریکی دو سیم پیچ قابل اغماز است.

3.       اتلاف انرژی در هسته ناچیز است.

4.       تراوندگی مغناطیسی آنچنان زیاد است که تنها نیروی محرکه مغناطیسی کمی نیاز است تا شار مورد نظر تولید شود.

در یک ترانس ایده آل رابطه زیر همواره صادق است:

کمیت های بکار رفته در این رابطه عبارتند از:

V1: ولتاز منبع تغذیه

V2: ولتاژ دو سر مصرف کننده

N1: تعداد حلقه های اولیه

N2: تعداد حلقه های ثانویه

I1: جریان سیم پیچ اولیه

I2: جریان سیم پیچ ثانویه

اصطلاحا به a ضریب تبدیل ترانسفورماتور گفته میشود چرا که به کمک آن میتوان تسبت تبدیل ولتاژها، جریان ها و تعداددور سیم پیچی ترانسفورماتور را محاسبه کرد.

ترانسفورماتور واقعی:

در ترانس های واقعی 4 فرض اساسی ترانس های ایده آل ممکن است وود نداشته باشد. لذا در ترانس واقعی برخی آثار جانبی پدیدار میشود که متفاوت از ترانس ایده آل خواهد بود. در ترانس های واقعی به دلیل مقاومت اهمی سیم پیچ های اولیه و ثانویه مقداری تلفات به صورت حرارتی خواهیم داشت. علاوه بر این مقداری تلفات انرژی در اثر جریان های گردابی در هسته و افت مغناطیسی نیز وجود دارد.

اتوترانسفورماتور:

اتو ترانسفورماتور به ترانسفورماتوری گفته میشود که تنها از یک سیم پیچ تشکیل شده است. این سیم پیچ دارای دو سر ورودی و خروجی و یک سر در میان است. به طوری که میتوان گفت سیم پیچ کوتاه تر( که در ترانس کاهنده سیم پیچ ثانویه محسوب میشود) قسمتی از سیم پیچ بلندتر است . در این گونه ترانسفورماتور ها تا زمانی که نسبت ولتاژ دور در دو سیم پیچ برابر باشد ولتاژ خروجی از نسبت سیم پیچ تعداد دور سیم پیچ ها به ولتاژ ورودی به دست می آید. با قرار دادن یک تیغه لغزان به جای سر وسط ترانس ، میتوان نسبت سیم پیچ های اولیه و ثانویه را تا حدودی تغییر داد و به این ترتیب ولتاژ پایانه خروجی ترانسفورماتور را تغییر داد. مزیت استفاده از اتو ترانسفورماتور کم هزینه تر بودن آن است چرا که به جای استفاده از دو سیم پیچ تنها از یک سیم پیچ در آن ها استفاده میشود.

مزایای اتوترانسفورماتور:

1.       به علت کم بودن تعداد دور، مس کمتری در آن مصرف میشود در نتیجه ارزان و کوچکتر است.

2.       راندمان بیشتری دارد.

3.       ولتاژ متغیر میدهد. تلفات آن کم است.

معایب اتوترانسفورماتور:

1.       ایزوله نبودن سیم پیچ اولیه از ثانویه.

2.       به دلیل اتصال الکتریکی اولیه و ثانویه بروز عیب در هر طرف، طرف دیگر را نیز به خطر خواهد انداخت.

3.       به دلیل مجزا نبودن اولیه از ثانویه از آن برای تبدیل ولتاژ های زیاد استفاده نمیشود.

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 مدار های مغناطیسی با هم مرتبط هستند و بنابراین هسته دارای شار مغناطیسی در سه فاز متفاوت است. برای چنین هسته هایی میتوان از چندین شکل مختلف برای هسته استفاده کرد که این شکل های مختلف هر یک دارای مزایا و معایبی هستند و در مواردی خاص کاربرد دارند. در اثران غیر خطی چشم پوشی میکند.

یکی دیگر از کاربرد های ترانس ها در شبکه های فشار قوی میباشد زمانی که میخواهند ولتاژ و یا جریان شبکه های فشار قوی را اندازه گیری نمایند دیگر نمیتوان از تجهیزاتی مانند اهم متر و غیره استفاده کرد چرا که چنین وسایلی دارای محدوده حفاظتی میباشند بنابرایناز گونه هایی از ترانس هایی استفاده میکنند که در زیر به آن ها اشاره شده است.

1.       ترانس ولتاژ (Voltage Transtormator) یا (VT و یا PT)  : این ترانس داری اولیه با تعداد دور بیشتر بوده و در نتیجه اولیه آن به طور موازی به شبکه با ولتاژ بالا وصل شده و ثانویه آن که دارای تهداد دور کمتر میباشد به وسیله اندازه گیری متصل میگردد. نکته حائز اهمیت در ترانس جریان آن است که همیشه ثانویه نمیبایست که اتصال باز باشد. و بایستی دو سر سیم پیچ ثانویه اتصال کوتاه شود پس از قرار گرفتن وسیله سالم میتوان اتصال ثانویه را باز نمود. این ترانس جریان های بالا را به جریان های پایین 5 و 1 آمپر تبدیل میکند.

2.       ترانس جریان (Current Transformator) یا CT : این ترانسفورماتور با اولیه با تعداد دور کم به صورت سری در شبکه فشار قوی قرار گرفته و ثانویه آن به دستگاه اندازه گیری متصل میگردد. نکته حائز اهمیت در ترانس جریان آن است که همیشه ثانویه نمیبایست که اتصال باز باشد. و بایستی دو سر سیم پیچ ثانویه اتصال کوتاه شود پس از قرار گرفتن وسیله سالم میتوان اتصال ثانویه را باز نمود. این ترانس جریان های بالا را به جریان های پایین 5 و 1 آمپر تبدل میکند.

پلاک ترانسفورماتور:

شکل زیر پلاک مشخصات یک ترانسفورماتور را نشان میدهد. ولتاژ خروجی داده شده مقدار موثر ولتاژ در بار نامی است.

شرط موازی بودن دو ترانس تک فاز:

1.       توالی فاز ها برقرار باشد یعنی L1 ترانس اول به ترانس دوم و غیره به همین ترتیب وصل شوند.

2.       توان نامی ترانس ها با هم متناسب باشد.

3.       آمپدانس داخلی ترانس ها با هم متناسب باشد.

4.       اختلاف فاز ترانس ها با هم یکسال باشد.

در ترانس های سه فاز علاوه بر موارد فوق گروه دو ترانس نیز بایستی باهم برابر باشند و همچنین توالی فاز نیز رعایت شود.

منبع: کتاب مرجع کامل سیم کشی درجه 2