آشنایی با انواع ترانسفورمرها و کاربرد آن ها

ترانسفورماتور الکتریکی، ماشینی است که بدون تغییر فرکانس مدار قدرت، سطح ولتاژ را بالا می برد یا پایین می آورد. انواع مختلفی از ترانسفورماتورها از جمله ترانسفورماتورهای قدرت، ترانسفورماتورهای توزیع، ترانسفورماتورهای خودکار، ترانسفورماتورهای ابزار (ترانسفورماتورهای جریان و ترانسفورماتورهای ولتاژ) و ترانسفورماتورهای ایزوله و غیره وجود دارند که برای کاربردهای مختلف در محیط های صنعتی و مسکونی استفاده می شوند. در ادامه به تفصیل در مورد هر نوع صحبت خواهیم کرد.

به طور کلی، ترانسفورماتورها از اصل القای الکترومغناطیسی فارادی برای تولید توان استفاده می‌کنند. این اصل مبتنی بر نرخ تغییر شار مغناطیسی درون یک سیم پیچ یا هادی است که باعث ایجاد نیروی الکتروموتوری (EMF) می‌شود.

قانون فارادی می‌گوید: "نرخ تغییر شار با توجه به زمان، به EMF القایی که در یک سیم پیچ یا هادی ایجاد می‌شود، رابطه دارد."

این قانون با فرمول زیر بیان می‌شود:

\[E = \frac{N dφ}{dt}\]

در این فرمول:

\(E\) = EMF القایی

\(N\) = تعداد دورها

\(dφ\) = تغییر در شار

\(dt\) = تغییر در زمان

انواع مختلفی از ترانسفورماتورها بر اساس کاربرد، طراحی، ساخت و غیره وجود دارد که در این مقاله به معرفی برخی از پر استفاده‌ترین انواع خواهیم پرداخت.

این نوع متداول ترین انواع ترانسفورماتور برای کلیه کاربردها است. بسته به نسبت ولتاژ از سیم پیچ اولیه به ثانویه، ترانسفورماتورها به عنوان ترانسفورماتورهای استپ آپ و استپ داون طبقه‌بندی می‌شوند.

ترانسفورماتور استپ آپ و داون

این نوع ترانسفورماتور بر اساس تعدادی چرخش در سیم پیچ های اولیه و ثانویه و emf القایی دسته بندی می شود.

ترانسفورماتور استپ آپ یک AC ولتاژ پایین و جریان بالا را به یک سیستم AC با ولتاژ بالا و جریان کم تبدیل می‌کند در این نوع ترانسفورماتور تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه بیشتر از تعداد دور سیم‌پیچ اولیه است. اگر (V2 > V1) ولتاژ در سمت خروجی افزایش یافته و به عنوان ترانسفورماتور استپ آپ یا افزاینده شناخته می شود.

ترانسفورماتور استپ داون یک ولتاژ اولیه بالا مرتبط با جریان کم را به یک ولتاژ پایین و جریان بالا تبدیل می کند. در این نوع ترانسفورماتور تعداد دور سیم پیچ اولیه بیشتر از تعداد دور سیم پیچ ثانویه است. اگر (V2 < V1) سطح ولتاژ در سمت خروجی کاهش یابد و به عنوان ترانسفورماتور استپ داون شناخته شود.

 ترانسفورماتور هسته هوا

در این نوع، هر دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه بر روی یک نوار غیر مغناطیسی قرار می‌گیرند و اتصال شار بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه از طریق هوا انجام می‌شود. این نوع ترانسفورماتورها اندوکتانس متقابل کمتری نسبت به هسته آهنی دارند، به عبارت دیگر، تمایل کمتری به پیوند شار در محیط هوا دارند. همچنین، ترانسفورماتورهای هسته هوا تلفات هیسترزیس و جریان‌های گردابی را کاملاً حذف می‌کنند.

 ترانسفورماتور هسته آهنی

در این نوع ترانسفورماتور، هر دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه بر روی صفحات آهنی پیچیده می‌شوند که یک مسیر اتصال کامل برای شار تولیدی فراهم می‌کنند. به دلیل ویژگی‌های رسانایی و مغناطیسی آهن، این نوع ترانسفورماتورها کمترین تمایل به پیوند شار دارند. آنها اغلب در مقایسه با ترانسفورماتورهای هسته هوا برای کاربردهای مختلف پرکاربرد هستند و راندمان بالاتری دارند.

ترانسفورماتور دو سیم‌پیچ

این نوع شامل دو سیم‌پیچ جداگانه برای هر فاز (اولیه و ثانویه) است. این دو سیم‌پیچ الکتریکی جدا از یکدیگر هستند اما در مغناطیسی به هم متصلند.

اتوترانسفورماتور

در این نوع، سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به صورت سری هم قرار می‌گیرند و روی یک سیم‌پیچ مشترک، که هر دو را تشکیل می‌دهد، ولتاژ بر اساس موقعیت ضربه ثانویه تغییر می‌کند.

در مورد ترانسفورماتورها بر اساس استفاده، ترانسفورماتورهای قدرت برای انتقال برق با ولتاژ بالا به کار می‌روند. ترانسفورماتورهای توزیع مخصوص توزیع برق برای مصارف صنعتی و خانگی هستند که ولتاژ آنها کمتر از ۳۳ کیلوولت است. هرکدام از این دسته‌بندی‌ها ویژگی‌های مختلفی دارند که بر اساس نیازهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترانسفورماتور جریان

ترانسفورماتور جریان (CT) عمدتاً برای اندازه‌گیری و همچنین برای ایمنی استفاده می‌شود. زمانی که جریان در مدار بسیار زیاد است و نمی‌توان آن را به طور مستقیم به ابزار اندازه‌گیری وصل کرد، این ترانسفورماتور به طور عمده برای تبدیل جریان بالا به مقدار جریان مورد نیاز در مدار استفاده می‌شود.

سیم پیچ اصلی این ترانسفورماتور به صورت سری به منبع تغذیه اصلی و همچنین به ابزارهای مختلف اندازه‌گیری مثل ولت‌متر، آمپرمتر، سیم‌پیچ رله حفاظتی یا وات‌متر وصل می‌شود. این ترانسفورماتورها دارای نسبت جریان، رابطه فاز و دقت هستند که اندازه‌گیری را به دقت در سمت کوچک قرار می‌دهند. مفهوم نسبت در این ترانسفورماتورها بسیار مهم است.

ترانسفورماتور جریان زخمی

سیم پیچ اصلی ترانسفورماتور با استفاده از هادی به صورت سری فیزیکی به یکدیگر متصل می‌شود. در این روش، این هادی جریان اندازه‌گیری شده را در مدار حمل می‌کند. اندازه جریان ثانویه اصلیاً به نسبت چرخش ترانسفورماتور وابسته است.

ترانسفورماتور جریان حلقوی

این ترانسفورماتور شامل سیم پیچ اصلی نیست. به جای آن، خطی که جریان جریان را در مدار نگه می‌دارد از طریق یک سوراخ یا پنجره در داخل این ترانسفورماتور حفظ می‌شود. برخی از ترانسفورماتورهای جریان شامل یک هسته تقسیم شده هستند که برای بازکردن، بستن و نصب و بدون جدا کردن شبکه‌ای که به آن متصل هستند، استفاده می‌شود.

ترانسفورماتور جریان نوع میله‌ای

این ترانسفورماتور از کابل واقعی و در غیر این صورت باس بار شبکه اصلی مانند سیم‌پیچ اولیه استفاده می‌کند که برابر با یک پیچش است. آنها کاملاً از ولتاژهای بالای سیستم محافظت می‌شوند و به طور کلی به دستگاهی که جریان را حمل می‌کند پیچ می‌شوند.

ترانسفورماتورهای حفاظتی

این نوع ترانسفورماتور برای حفاظت قطعات استفاده می‌شود. تفاوت اصلی بین ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری و ترانسفورماتورهای حفاظتی در دقت است، به این معنی که ترانسفورماتورهای حفاظتی باید دقیق‌تر از ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری باشند.

ترانسفورماتور ابزار

ترانسفورماتور ابزار یا ترانسفورماتور ایزوله یا اندازه‌گیری، وسیله‌ای الکتریکی است که به طور اساسی برای تغییر سطح ولتاژ و جریان استفاده می‌شود. هدف اصلی این ترانسفورماتور، جداسازی ایمن سیم‌پیچ ثانویه زمانی است که سیم‌پیچ اولیه دارای ولتاژ و جریان بالا باشد تا انرژی سنج‌ها، رله‌ها یا ابزارهای اندازه‌گیری به سمت سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور متصل شوند و هیچ آسیبی به آنها وارد نشود.

در اینجا، ترانسفورماتورهای مبتنی بر فاز مورد بحث قرار می‌گیرند.

ترانسفورماتور تک‌فاز

این نوع یک ترانسفورماتور ثابت است و اصل کار آن به قانون القای متقابل فارادی بستگی دارد. این نوع ترانسفورماتور برق متناوب را با استفاده از یک مدار به مدار دیگر منتقل می‌کند، در سطح ثابت فرکانس و سطح اختلاف ولتاژ. این ترانسفورماتور دارای دو نوع سیم‌پیچ اولیه و ثانویه است. منبع AC به سیم‌پیچ اولیه تغذیه می‌شود و بار به سیم‌پیچ ثانویه متصل می‌شود.

ترانسفورماتور سه‌فاز

وقتی سه ترانسفورماتور یک‌فازی با استفاده از تمام سیم‌پیچ‌های ۳ اولیه که به یکدیگر کوپل شده‌اند، به هم متصل و کوپل می‌شوند، تمام سیم‌پیچ‌های ۳-ثانویه مانند یک سیم‌پیچ ثانویه به یکدیگر متصل می‌شوند. به این ترانسفورماتور ترانسفورماتور سه‌فاز گفته می‌شود. این نوع منابع تغذیه ۳ فاز برای تولید، انتقال و توزیع برق در صنایع استفاده می‌شود. اتصال این ترانسفورماتورها از طریق اتصالات نوع Star & Delta قابل انجام است و مونتاژ آنها هزینه بالایی ندارد.

ترانسفورماتور نوع پوسته

ساختار این نوع ترانسفورماتور به شکل مستطیل است و هسته‌ آن که سهم قابل توجهی از دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه را در بر می‌گیرد، درون یک بدنه قرار دارد. چیدمان سیم‌پیچ‌ها می‌تواند با زخم زدن به شکل دیسک‌های چند لایه که از طریق کاغذ از یکدیگر عایق شده‌اند، صورت بگیرد.

ترانسفورماتور نوع بری

این نوع ترانسفورماتور به شکلی مشابه به ترانسفورماتور پوسته‌ای است و به عنوان ترانسفورماتور پوسته‌ای توزیع شده است. بنابراین، ساختار این ترانسفورماتور به شکل پره‌های چرخ است، زیرا هسته مغناطیسی شبیه به پره‌های چرخ است. چینش این پره‌ها به شکل مستطیل است و تعداد خطوط مغناطیسی بالای دو است که مستقل هستند زیرا شامل خطوط مغناطیسی توزیع شده است.

برای پوشش ترانسفورماتور می‌توان ساختار کامل آن را در داخل روغن ترانسفورماتور غوطه ور کرد و همچنین از ورق‌های فلزی که به هم متصل شده‌اند استفاده کرد. طراحی مخازن فلزی را می‌توان به ویژه با یک صف

ترانسفورماتورهای الکترونیک

در زمینه الکترونیک از ترانسفورماتورهای مختلفی استفاده می‌شود که می‌توانند بر روی PCB نصب شوند یا در منطقه کوچک محصول قرار گیرند.

ترانسفورماتور پالس

این ترانسفورماتور برای تولید سیگنال‌های الکتریکی در دامنه پایدار استفاده می‌شود. در مدارهای دیجیتالی که نیاز به تولید پالس در محیط ایزوله است، این ترانسفورماتورها استفاده می‌شوند.

ترانسفورماتور خروجی صدا

این نوع ترانسفورماتور در برنامه‌های صوتی برای تطبیق امپدانس و کنترل مدار تقویت‌کننده استفاده می‌شود.

ترانسفورماتورهای داخلی برای صنایع و فرآیندهای خاص پوشانده می‌شوند، در حالی که ترانسفورماتورهای خارجی در فضای باز، مانند ترانسفورماتورهای توزیع، استفاده می‌شوند.