بررسی انواع ترانسفورماتور ها و انواع کاربرد های ترانسفورماتور

ترانسفرماتور را می توان یکی از کلیدی ترین عناصر قدرت و شبکۀ انتقال دانست، امروزه به لطف ترانسفورمر می توانیم برق را از محل تولید به دور ترین نقاط کشور با کم ترین تلفات انتقال دهیم و حتی در مسیر این انتقال به روستا ها و مناطق کم جمعیت و پر جمعیت با ترانس دیگری برق رسانی نماییم.

در این آموزش برق در کالنجی، موضوع آموزش ما بررسی انواع ترانسفورماتور ها و انواع کاربرد های ترانسفورماتور است؛ در آموزش های گذشته در مورد اتوترانسفورماتور و کاربرد آن توضیح دادایم که اگر مطالعه نکرده اید، پیشنهاد میکنم مقاله اتوترانسفورماتور را نیز مطالعه کنید.

ترانسفرماتور در حال حاضر در داخل کشور تولید می گردد و تولید کنندگان عمدۀ این محصول ایران ترانسفو، کارخانجات فاراتل، خزر ترانسفورمر، راسیکو و کالای گنجینۀ ایران فرد می باشد که مجموعاً بیش از 60% تولیدات کشور را در دست دارند. علاوه بر تولید محصول فوق در داخل کشور آمار ادارۀ کل گمرکات کشور حاکی از آن است که طی سال های 63 تا 67 مقادیر زیادی ترانسفورمر تقویت وارد بازار ایران گردیده است.

این کالا عمدتاً توسط کشورهای شوروی، لهستان، تایوان، آلمان غربی، انگلستان، فنلاند، فرانسه، بلژیک، سوئیس، اسپانیا ساخته و وارد بازار ایران گردیده است.

ترانسفورماتور چیست و چه کاری انجام می دهد؟

ترانسفورماتور یا ترانسفورمر مبدل هایی هستند، که انرژی الکتریکی را بدون تغییر نوع انرژی، با مقادیر مختلف در اختیار مصرف کننده قرار می دهند. در این انتقال، سطح ولتاژی که در سیم پیچ ها القا می شود متناسب با تعداد دور آن ها می باشد. این خصوصیت به مهندسین برق این امکان را می دهد تا وسایل الکتریکی را در انواع مختلف با جریان ها و ولتاژهای گوناگون طراحی کنند. بدین طریق در مواقعی که احتمال خطر برق گرفتگی وجود داشته باشد وسایلی را با ولتاژ کم طراحی کنند که خطر برق گرفتگی نداشته باشد. در مواقعی مانند «جوشکاری» که نیاز به جریان زیاد است، با تغییر در مقدار ولتاژ، می توان جریان زیادی برای جوشکاری فراهم کرد.

گرچه استفاده از ترانسفورمرها برای نخستین مرتبه در شبکه های قدرت رواج یافت ولی با ظهور و گسترش علم الکترونیک قدرت، امروزه در بسیاری از دستگاه ها شاهد حضور این عنصر حیاتی هستیم. از یک شارژر بسیار کوچک تلفن همراه گرفته تا محرک های موتورهای غول پیکر الکتریکی از انواع مختلف ترانسفورماتور استفاده شده است.

ساختمان ترانسفورماتور چگونه است؟

به طور کلی ترانسفورماتور از دو قسمت تشکیل شده است. 1- هستۀ آهنی 2- سیم پیچی

1- هستۀ آهنی:

با توجه به مقدار توان انتقالی، فرکانس و ولتاژ مورد استفاده، هسته‌ها در انواع مختلفی از نظر جنس، شکل و ابعاد ساخته می‌شوند. به عنوان مثال در فرکانس برق شهر از هسته های آهنی استفاده و در فرکانس های چند ده کیلو هرتز از هسته هایی از جنس فریت استفاده می گردد. هرچه ابعاد هسته بزرگتر باشد، ترانسفورماتور قابلیت انتقال توان الکتریکی بیشتری را دارا است. به همین دلیل است که ترانسفورماتور استفاده شده در یک شارژر موبایل ابعاد بسیار کوچک و در شبکه انتقال قدرت ابعاد بسیار غول پیکری دارد. البته ابعاد یک ترانسفورماتور به فرکانس کاری آن نیز بستگی دارد.

هسته‌های از جنس ورقۀ آهن معمولاً به شکل UI، EI و EE موجود هستند. هسته‌های پودر فلزات به شکل ترویید (حلقوی) یافت می‌شوند. هسته‌های فریت اشکال متنوع‌تری دارند که شامل EE، UU، RM، ETD، EFD، پلانار و … می‌شوند.

2- سیم پیچ ترانسفورماتور:

سیم پیچی ترانسفورماتورها در ساده ترین حالت به دو دسته تقسیم می شوند. به سیم پیچی که به ولتاژ ورودی متصل می شود اصطلاحاً «سیم پیچی اولیه» و به سیم پیچی که از آن ولتاژ مورد نظر (پس از عمل تبدیل ترانسفورماتور) به دست می آید «سیم پیچی ثانویه» گفته می شود.

سیم پیچ ها بسته به نوع کاربرد ترانسفورماتور با توپولوژی های مختلفی بر روی هسته پیچیده می شوند. به عنوان مثال سیم پیچ ها می توانند بر روی ساق های جداگانه پیچیده شوند یا بر روی همدیگر و بر روی یک ساق باشند. سیم استفاده شده برای سیم پیچ از سیم های لاکی با ضخامت بسیار کم گرفته تا کابل های ضخیم ولتاژ بالا می تواند باشد.

3- قرقره (بوبین) ترانسفورماتور:

قرقرۀ ترانس یا همان بوبین ترانس یکی از لوازم ساخت ترانسفورماتور است. قرقرۀ ترانس یک سازه از جنس پلاستیک، چوب، کائوچو یا هر مادۀ دیگری که بر اثر سیم‌پیچی تغییر شکل ندهد می‌تواند باشد. سیم‌پیچ بر روی بوبین پیچیده می‌شود و سپس هسته در داخل بوبین جاسازی می‌شود.

اغلب هسته‌ها همراه با بوبین در بازار موجود هستند مانند هسته‌های ورق آهن، هسته‌های فریت EE, ETD, ER و … . برخی از هسته‌های کوچک‌تر که قابلیت قرارگیری بر روی برد الکتریکی را دارند، دارای پین‌هایی در پایین خود هستند که اتصال آن‌ها به برد الکتریکی را آسان می‌کند.

بوبین هسته‌های بزرگتر از آن جهت که استحکام لازم برای قرارگیری بر روی برد الکتریکی را ندارند بدون پین هستند. بوبین هسته‌های ورق آهن عموماً از این دست هستند. البته در توان‌های پایین ترانس‌های روبردی با بوبین پین دار موجود است. برای این بوبین‌ها باید سازه‌ای مکانیکی برای نصب در کیس مبدل طراحی گردد.

برخی هسته‌ها مانند هسته‌های U شکل به‌دلیل تنوع آرایش سیم‌پیچی برای آن‌ها، بدون بوبین در بازار عرضه می‌گردند. متناسب با کاربرد این هسته‌ها باید بوبین مناسب طراحی و ساخته شود. باید درنظر داشت که طراحی انجام شده از طرفی موقع جایگذاری هسته به مشکل بر نخورد و از طرفی پنجره هسته را برای قرارگیری سیم‌پیچ محدود نکند. هم چنین استحکام کافی برای پیچیدن سیم‌پیچ را داشته باشد.

هسته‌هایی مانند تروییدها که امکان باز کردن هسته و قرار دادن بوبین در آن‌ها وجود ندارد فاقد بوبین هستند و نمی‌توان برای آن‌ها بوبین طراحی کرد و سیم‌پیچ مستقیماً بر روی هسته پیچیده می‌شود.

در بسیاری از ترانسفورماتورهای خاص مانند ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا از آن‌جایی که عایقی بین تمام نقاط هسته و سیم‌پیچ‌ها باید رعایت شود، طراحی بوبین از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. تمامی فواصل باید به صورت دقیق با توجه به جنس عایق و ولتاژ شکست آن باید محاسبه و طراحی گردد.

کاربرد ترانسفورماتور در کجاست؟

کاربرد ترانسفورماتور را می توان در سه بخش تقسیم کرد:

1- ترانسفورماتور در شبکۀ قدرت:

امروزه در بسیاری از صنایع مربوط به برق از ترانسفورماتور استفاده می شود. مهم ترین کاربرد ترانسفورماتور در شبکۀ برق است که وظیفۀ افزایش ولتاژ در سمت تولیدکننده و کاهش ولتاژ در سمت مصرف کننده است. این افزایش و کاهش ولتاژ، باعث کاهش تلفات انتقال انرژی الکتریکی از تولیدکننده به مصرف کننده می شود. در این کاربرد از ترانسفورماتورهای نوع سه فاز استفاده می شود.

در تمامی دستگاه های مصرف کننده انرژی الکتریکی که در آن ها نیاز به کاهش یا افزایش ولتاژ است، از ترانسفورماتور استفاده می شود. برای اندازه گیری ولتاژ و جریان شبکه برق در پست های الکتریکی از ترانسفورماتورهایی به ترتیب به صورت موازی و سری در مدار استفاده می گردد. در کاربردهای حفاظتی نیز ترانسفورماتور جهت ایزولاسیون الکتریکی در تجهیزات الکتریکی نیز از ترانسفورماتورهای ایزولاسیون کاربرد دارد. و کاربرد به شبکۀ قدرت محدود نمی شود.

2- ترانسفورماتور در صنعت:

انرژی الکتریکی پس از تولید در نیروگاه و انتقال به مصرف کننده، به شکل‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. دستگاه‌های مصرف کننده انرژی الکتریکی به نحوی طراحی شده‌اند که از برق تولیذی شبکه قدرت به همان شکل و همان سطح ولتاژ استفاده کنند. اما در برخی از کاربردها نیاز است تا سطح ولتاژ شبکه تغییر کند و بعد از آن مورد استفاده قرار بگیرد. به عنوان مثال یک ترانسفورماتور معمولی جوشکاری را درنظر بگیرید که برای ایجاد جریان بالا در خروجی، سطح ولتاژ را کاهش می‌دهد یا یک منبع تغذیه آزمایشگاهی یا صنعتی همین عمل را در سطح ولتاژ دلخواه انجام می‌دهد. در برخی موارد نیز هدف فقط ایزولاسیون الکتریکی به منظور مسائل حفاظتی است که از ترانسفورماتور یک به یک استفاده می‌شود.

3- ترانسفورماتور در الکترونیک قدرت:

تمامی کاربردهایی که در بالا عنوان شد کاربردهایی هستند که در آن ها از ترانسفورماتورهایی که در فرکانس برق شهر کار می کنند، استفاده می شود ولی با پیشرفت علم الکترونیک قدرت، استفاده از ترانسفورماتورهای فرکانس بالا نیز رایج شده است. در تمامی مبدل های الکترونیک قدرت که ولتاژ خروجی آن ها ایزوله است از ترانسفورماتور استفاده شده است.

در این مبدل ها ابتدا برق AC شهر DC می شود و سپس با سوئیچینگ در فرکانس بالا، برق AC با فرکانس بالا تولید می گردد و سپس از یک ترانسفورماتور فرکانس بالا برای کاهش یا افزایش ولتاژ و همچنین ایجاد ایزولاسیون استفاده می گردد. ترانسفورماتور فرکانس بالا از نظر ابعادی بسیار کوچکتر از ترانسفورماتور با فرکانس برق شهر است و جنس هستۀ آن نیز به جای آهن از فریت است. در عمده مدارات الکترونیک قدرت می توان ترانسفورماتورهایی با ابعاد و توان های مختلف پیدا کرد.

انواع ترانسفورماتور

ترانسفورماتورها را بر اساس مولفۀ گوناگون می توان دسته بندی کرد. این مولفه ها شامل فرکانس، توان، جنس هسته، ساختار هسته و سیم پیچی، جنس عایق، کاربرد، تک فاز یا سه فاز، افزاینده یا کاهنده، سطح ولتاژ و نوع خنک کنندگی می شوند. انواع ترانسفورماتور بر اساس این مولفه ها به این گونه است:

1- ترانسفورماتور بر اساس فرکانس:

فرکانس یکی از عوامل مهم در تعیین جنس و ابعاد هسته است. از فرکانس برق شهر که 50 یا 60 هرتز است تا فرکانس های کلیدزنی که تا چندصد کیلو هرتز هم می رسد از ترانسفورماتورها با هسته های متفاوتی استفاده می شود. در فرکانس برق شهر از هسته های آهنی و ورقۀ آهن استفاده می شود. به این ترانسفورماتورها ترانسفورماتور فرکانس پایین (یا برق شهر یا شبکۀ قدرت) گفته می شود. در فرکانس های بالاتر از پودر آهن و در فرکانس های سوئیچینگ از فریت استفاده می شود که به آن‌ها ترانسفورماتور فرکانس بالا یا ترانسفورماتور سوئیچینگ می‌گویند.

2- ترانسفورماتور بر اساس توان:

توان عبوری از یک ترانسفورماتور می تواند از چند میلی وات تا چند مگاوات باشد. در نتیجه ترانسفورماتور را براساس حداکثر توان عبوری از آن به ترانسفورماتورهای توان پایین، توان متوسط و توان بالا دسته‌بندی می‌کنند.

3- ترانسفورماتور بر اساس ساختار هسته و سیم پیچی:

ساختار هسته و سیم پیچ ها انواع متفاوتی دارد که بسته به نوع کاربرد از ساختارهای متفاوت استفاده می گردد. هستۀ ترانسفورماتور می تواند شامل یک یا چند ساق، حلقوی، پلانار و … باشد. سیم پیچ ها ممکن است بر روی یک ساق و در کنار هم یا روی هم، بر روی ساق های جداگانه، در لابه لای یکدیگر (interleaved) در بوبین های دارای چند شیار (slot)، به صورت صفحات PCB و … باشند.

4- ترانسفورماتور بر اساس جنس عایق:

در ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا، سیم پیچی که ولتاژ بالایی دارد باید از نقاط دیگر ترانسفورماتور و حتی از نقاط دیگر خود آن سیم پیچ عایق شود. در ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا از عایق هایی با جنس های متفاوت استفاده می شود. هوا، گاز SF6، روغن و انواع عایق های جامد نمونه هایی از این عایق ها هستند.

5- ترانسفورماتور بر اساس کاربرد:

کاربرد یک ترانسفورماتور مهم ترین مشخصۀ آن است. یک ترانسفورماتور را می توان به منظور انتقال انرژی الکتریکی در شبکۀ قدرت، اندازه گیری ولتاژ، اندازه گیری جریان، ایزولاسیون، تطبیق امپدانس، تنظیم ولتاژ (اتوترانسفورماتور)، منابع تغذیه و … مورد استفاده قرار داد.

6- ترانسفورماتور بر اساس تعداد فاز:

در شبکۀ برق قدرت و در مصرف کننده های سه فاز از ترانسفورماتورهای سه فاز و در مصرف کننده های تک فاز از ترانسفورماتور تک فاز استفاده می شود.

7- بر اساس افزاینده یا کاهنده:

ترانسفورماتورها یا از نوع افزاینده ولتاژ و یا از نوع کاهنده ولتاژ هستند. البته می تواند هر دو خاصیت را همزمان و در تنظیمات مختلف داشته باشد. ترانسفورماتورهایی که فقط کاربرد ایزولاسیون دارند، معمولاً تغییری در سطح ولتاژ ایجاد نمی کنند و نه کاهنده هستند و نه افزاینده.

8- بر اساس سطح ولتاز:

در شبکۀ قدرت  بر اساس سطح ولتاژ به ترانسفورماتورهای فشار ضعیف (کمتر از 1kv)، فشار متوسط (1kv تا 33kv) و فشار قوی (بالاتر از 33kv) تقسیم می کنند. ترانسفورماتورهای استفاده شده در الکترونیک قدرت معمولاً در دسته فشار ضعیف قرار می گیرند. البته امروزه استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ در ولتاژ های بالا در حال رایج شدن هست.

9- بر اساس نوع خنک کنندگی:

بر حسب این که تلفات چگونه از آن دفع می شود نیز ترانسفورماتورها را می توان دسته بندی کرد. ترانسفورماتورها می توانند با هوا، روغن، فن و یا آب خنک شوند.