در این مقاله، به بررسی تفاوت‌های مختلف بین انواع ترانسفورماتور و مدارهای معادل آن می‌پردازیم. ترانسفورماتورها به عنوان ابزارهای اساسی در زمینه برق شناخته می‌شوند که انرژی الکتریکی را از یک مدار به مدار دیگر منتقل می‌کنند. این ابزارهای الکترومغناطیسی بر مبنای اصول تغییر میدان مغناطیسی بر روی یک هسته، جریان الکتریکی را تبدیل می‌کنند. ما در این مقاله به تفصیل به انواع مختلف ترانسفورماتورها، شامل ترانسفورماتورهای قدرت، ترانسفورماتورهای جریان، و ترانسفورماتورهای مخابراتی می‌پردازیم و همچنین مدارهای معادل آنها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
ترانسفورماتور یک وسیله الکتریکی است که انرژی الکتریکی را از یک نقطه به نقطه دیگر انتقال می‌دهد. این وسیله در شبکه‌های برق و صنایع برای کاهش و افزایش ولتاژ، جریان، و توان الکتریکی استفاده می‌شود.
عملکرد ترانسفورماتور بر مبنای القای مغناطیسی بین سیم‌پیچ‌ها است، که باعث انتقال انرژی از سیم‌پیچ اولیه به سیم‌پیچ ثانویه می‌شود. در این فرآیند، نوع و مقدار انرژی تغییر نمی‌کند، اما ولتاژ و جریان متغیر می‌شوند. اصول عملکرد ترانسفورماتور بر مبنای القای متقابل در سیم‌پیچ‌ها می‌باشد.
ساختار ترانسفورماتور از دو سیم پیچ و یک هسته مغناطیسی تشکیل شده است: سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه. سیم پیچ اولیه توسط سیم‌پیچ میدان مغناطیسی را به هسته انتقال می‌دهد و در نتیجه، جریان مغناطیسی در سیم پیچ ثانویه ایجاد می‌شود. سیم پیچ ثانویه نیز یک نوع سیم‌پیچ است که تغییرات جریان مغناطیسی را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند.
هسته ترانسفورماتور به عنوان یک مدار مغناطیسی با حداقل فاصله هوایی و مقاومت مغناطیسی کم، برای فلوی آسان مغناطیسی طراحی شده است. ساختار هسته ترانسفورماتور به صورت ورقه به ورقه با ضخامت تقریبی ۳/۰ میلی‌متر انجام می‌شود. در کل، هسته ترانسفورماتور باعث انتقال ولتاژ از سیم پیچ اولیه به سیم پیچ ثانویه می‌شود. در صورت عدم وجود هسته، به دلیل پراکندگی مغناطیسی، عمل القای ولتاژ امکان‌پذیر نخواهد بود.
ترانسفورماتورها را می‌توان به دو دسته اصلی افزاینده و کاهنده تقسیم کرد. در صورتی که تعداد دورهای سیم پیچ چندین برابر باشد، به عنوان ترانسفورماتور افزاینده شناخته می‌شود؛ در حالی که اگر ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی باشد، به عنوان ترانسفورماتور کاهنده شناخته می‌شود.
1. هسته: به عنوان قلب ترانسفورماتور، هسته مسئولیت انتقال میدان مغناطیسی و تبدیل انرژی را برعهده دارد.
2. سیم پیچ‌ها: سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه، به ترتیب، جریان مغناطیسی را از منبع به هسته و از هسته به بار انتقال می‌دهند.
3. مخزن روغن: برای خنک‌کنندگی و عایق‌بندی، مخزن روغن به عنوان یک عنصر اساسی در ترانسفورماتور وجود دارد.
4. رادیاتور: جهت افزایش انتقال حرارت و خنک‌کنندگی مخزن روغن، رادیاتور به کار می‌رود.
5. بوشینگ‌های فشار قوی و ضعیف: برای اتصال سیم پیچ‌ها به خطوط انتقال و انجام عملیات الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
6. تپ چنجر و تابلوی مکانیزم آن: برای تنظیم ولتاژ و جریان و ایجاد تغییرات در محدوده مشخص مورد استفاده قرار می‌گیرند.
7. تابلوی فرمان: جهت کنترل و مدیریت عملیات ترانسفورماتور و ارتباط با سیستم برق به کار می‌رود.
8. وسایل اندازه‌گیری و حفاظتی: شامل سنسورها و وسایل موردنیاز برای اندازه‌گیری و مانیتورینگ پارامترهای ترانسفورماتور است.
9. شیرها و لوله‌های ارتباطی: برای اتصال و ارتباط بین اجزا مختلف ترانسفورماتور استفاده می‌شوند.
10. وسایل خنک‌کننده: شامل پمپ‌ها و سیستم‌های خنک‌کننده جهت حفظ دمای مطلوب در داخل ترانسفورماتور.
11. ترانس جریان: برای انتقال جریان بدون تغییر ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد.
12. شاسی و چرخ: اجزای ساختاری جهت نصب و حمل و نقل ترانسفورماتور.
1. الکترومغناطیس: جریان الکتریکی متناوب توانایی ایجاد یک میدان مغناطیسی متغیر را در هسته ترانسفورماتور دارد. این میدان مغناطیسی در داخل یک حلقه سیم پیچ قرار گرفته، باعث تولید یک جریان الکتریکی متناوب در سیم پیچ ثانویه می‌شود.
2. ترانسفورماتور وسیله‌ای انرژی‌برانگیز: این دستگاه انرژی الکتریکی را از یک مدار به مدار دیگر منتقل می‌کند. در حالت کلی، دو سیم پیچ اولیه و ثانویه با دو ولتاژ متفاوت به وسیلهٔ هسته وصل شده‌اند. اگر ولتاژ سیم پیچ اولیه افزایش یابد، این تغییر به سیم پیچ ثانویه نیز منتقل شده و جریان در آن ایجاد می‌شود.
ترانسفورماتور ایده‌آل یک دستگاه مهم در توزیع و انتقال انرژی الکتریکی است که به طور موثر و کارآمد انرژی را از یک سطح به سطح دیگر منتقل می‌کند. در این ترانسفورماتور، شار مغناطیسی از سیم پیچ اولیه به سیم پیچ دوم با ایجاد جریان الکتریکی در هر دو سیم منتقل می‌شود.
این عملکرد ترانسفورماتور با استفاده از اجزا اصلی از جمله هسته، سیم پیچ‌ها، مخزن روغن، رادیاتور، بوشینگ‌های فشار قوی و ضعیف، تپ چنجر و تابلوی مکانیزم، تابلوی فرمان، وسایل اندازه‌گیری و حفاظتی، شیرها و لوله‌های ارتباطی، وسایل خنک‌کننده، ترانس جریان، و شاسی و چرخ بهبود می‌یابد. این اجزا با همکاری و هماهنگی، عملکرد ترانسفورماتور را فراهم می‌کنند و انتقال انرژی الکتریکی را ممکن می‌سازند.
ویژگی اصلی ترانسفورماتور ایده‌آل، استفاده از یک هسته فراکتور به شکل فراکتورهای پراکندگی مغناطیسی است. این فراکتورها باعث افزایش کارایی انتقال انرژی و کاهش تلفات در اثر پراکندگی مغناطیسی می‌شوند.
با استفاده از این تکنولوژی، ترانسفورماتور ایده‌آل به عنوان یک منبع پایدار انرژی برای سیستم‌های مختلف استفاده می‌شود. این ترانسفورماتورها از نظر اقتصادی و عملکردی بسیار بهینه بوده و در انتقال انرژی به صورت کارآمد و کم تلفات نقش بسزایی ایفا می‌کنند.
برای جلوگیری از افت توان در ترانسفورماتور ایده‌آل، توجه به تنظیم ولتاژ و اختلاف فاز ضروری است. همچنین، استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته در طراحی و ساخت این دستگاهها، به بهبود عملکرد و کاهش تلفات کمک می‌کند.
در کاربردهای مختلف، ترانسفورماتورهای ایده‌آل از روش‌های هویت محور، مانند استفاده از روش‌های های فراکتورهای مغناطیسی متغیر، برای انتقال انرژی با کمترین میزان تلفات استفاده می‌شوند. این ترانسفورماتورها به عنوان یکی از اجزاء اصلی در تجهیزات جوش، لامپ‌های بخار جیوه و تابلوهای نئون برای ایجاد ایمنی در بارهایی که احتمال بروز اتصال کوتاه در آنها زیاد است، به کار می‌روند.
مدار معادل ترانسفورماتور یکی از عناصر اساسی در حوزه الکتریسیته است که به بررسی و تفکیک عملکرد ترانسفورماتور کمک می‌کند. این مدار، با استفاده از مدارهای الکتریکی ساده، تأثیر شار مغناطیسی در هسته ترانسفورماتور را نمایش می‌دهد و به ما در انجام محاسبات دقیق مرتبط با آن کمک می‌کند.
ویژگی‌های این مدار شامل مقاومت‌های RS و RP است که نمایانگر مقاومت‌های سری و موازی در سیم‌های ترانسفورماتور هستند و نقش اساسی در تغییر ولتاژ و جریان ایفا می‌کنند.
با تحلیل خواص شار پراکندگی، این مدار به تفکیک خود القاهای XP و XS را نمایش می‌دهد که به صورت سری با سیم پیچ‌ها قرار می‌گیرند و در تعیین خصوصیات الکتریکی ترانسفورماتور تأثیرگذارند.
در مدار معادل، تلفات آهنی به دو دسته تلفات گردابی (فوکو) و پسماند (هیسترزیس) تقسیم می‌شوند که در درک عملکرد ترانسفورماتور و بهبود کارایی آن دخالت دارند. تحلیل دقیق این مدارها ابزاری اساسی برای مهندسان و تخصص‌مندان الکتریکی است تا عملکرد ترانسفورماتور را بهبود بخشند و از تلفات کاسته شود.
در ترانسفورماتور، تلفات مستقیماً با مجذور شار هسته در ارتباط است، به طوری که این تلفات به نسبت مستقیم با ولتاژ ورودی نیز متغیر هستند. می‌توان این تلفات را به عنوان مقاومتی موازی با مدار ترانسفورماتور مدل کرد؛ این مقاومت مشهور به RC است.
در حالت فرکانس ثابت، هسته‌ای با نفوذپذیری محدود به جریان نیاز دارد تا شار مغناطیسی را حفظ کند. تغییرات در شار مغناطیسی فاز هم‌فاز با تغییرات در جریان‌های هسته خواهند بود. این شاخه‌ها، با وجود اشباع پذیری هسته، نقش جداگانه‌ای دارند و مقاومت‌های RS و RP به تغییرات شار مغناطیسی همراه می‌شوند.
در منابع سینوسی، شار مغناطیسی ۹۰ درجه از ولتاژ القایی عقب‌تر خواهد بود، که می‌تواند با القاگر XM به صورت موازی با تلفات آهنی هسته در نظر گرفته شود و این شاخه مغناطیسی را شاخه مغناطیس کننده نامید.
هنگام بازکردن سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور، جریان بی باری که از شاخه مغناطیس کننده عبور می‌کند، به نام جریان I معروف است.
مقاومت‌های RS و XS در طرف ثانویه باید به طرف اولیه منتقل شوند. این مقاومت‌ها، معادل تلفات مسی و پراکندگی در طرف ثانویه هستند و به صورت سری با سیم پیچ ثانویه قرار می‌گیرند. این مدار معادل، در تحلیل دقیق ترانسفورماتورها در برخی از کاربردها به کار می‌رود.
ترانسفورماتورها به تفکیک هسته‌ها و نوع کاربری‌شان، انواع مختلفی دارند. از نظر نوع هسته، دو نوع اصلی ترانسفورماتور وجود دارد:
1. ترانسفورماتورهای هوا: این نوع از ترانسفورماتورها هسته‌ای دارند که از موادی مانند پلاستیک یا چوب ساخته می‌شود. این ترانسفورماتورها به عنوان راهکارهای ساده و قابل استفاده در محیط‌هایی که نیاز به عایق‌بندی بیشتری دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
2. ترانسفورماتورهای روغنی: در این نوع ترانسفورماتورها، هسته از فلزهای آهنی یا فولادی ساخته شده و داخلی آنها با روغن خاصی پر می‌شود. این ترانسفورماتورها به دلیل استحکام و پایداری بالاتر در برابر شرایط مختلف، به عنوان گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای صنعتی و نیروگاهی محسوب می‌شوند.
همچنین، بر اساس کاربرد، ترانسفورماتورها به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. به عنوان مثال:
- ترانسفورماتورهای قدرت: این نوع ترانسفورماتورها برای تبدیل سطح ولتاژ در نیروگاه‌ها و پست‌های فشار قوی مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها در کاربردهایی مانند فرایند ذوب آلومینیوم در کوره‌ها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ترانس توزیع داخلی یکی از ابزارهای اساسی در شبکه‌های توزیع برق است که برای توزیع انرژی الکتریکی در شهرها و کارخانه‌ها استفاده می‌شود. این ترانسفورماتورها معمولاً در پست‌های زمینی و هوایی نصب می‌شوند و وظیفه ایجاد نقطه نول را بر عهده دارند تا خطای اتصال به زمین و نامتعادلی در مصرف بارهای فازها را تشخیص دهند.
ترانس جریان یک قسمت حیاتی دیگر از شبکه برق است که برای اندازه‌گیری جریان و حفاظت از مدار در برابر افزایش جریان یا اتصال کوتاه به کار می‌رود. این ترانسفورماتورها با ایجاد سیگنال‌هایی قابل اندازه‌گیری و قابل تحلیل، کمک می‌کنند تا سیستم برق در مقابل خطرات مختلف حفاظت شود.
ترانس ولتاژ (PT) نیز یک قسمت مهم در سیستم برق است که برای اندازه‌گیری ولتاژ و حفاظت از ولتاژ استفاده می‌شود. این ترانسفورماتورها امکان ایجاد سیگنال‌هایی با ولتاژ قابل مشاهده را فراهم می‌کنند که برای کنترل و مانیتورینگ ولتاژ در سیستم‌های برقی بسیار حیاتی هستند.
ترانس ولتاژ CVT یا ترانسفورماتور ولتاژ خازنی نیز برای اندازه‌گیری و حفاظت از ولتاژ استفاده می‌شود و بر اساس تقسیم ولتاژ خازنی عمل می‌کند. این ترانسفورماتورها معمولاً در خطوط فشار قوی برای تبادل سیگنال‌های مخابراتی به کار می‌روند و در محافظت و کنترل سیستم‌های برقی نقش مهمی دارند.
ترانس تطبیق یا ترانس Maching نیز برای حفاظت دیفرانسیل با مبدل و متعادل کردن جریان اولیه و ثانویه ترانس استفاده می‌شود. این نوع ترانسفورماتور با دقت در مدارات حفاظتی برای حفاظت از تجهیزات و افزایش کارایی سیستم برقی استفاده می‌شود.
ترانسفورماتورهای روغنی، به عنوان یکی از نوع‌ترین ترانسفورماتورها، از روغن به عنوان ماده عایق و خنک‌کننده استفاده می‌کنند. این ترانسفورماتورها به دلیل خواص حرارتی و عایقی بالای روغن، معمولاً در نیروگاه‌ها و شبکه‌های بزرگ برق بکار می‌روند.
ترانسفورماتورهای خشک، با استفاده از مواد عایق جامد، به جای روغن برای جلوگیری از نیاز به عایق‌گذاری با روغن، استفاده می‌شوند. این نوع ترانسفورماتورها به دلیل عدم وجود روغن، برای محیط‌هایی که نگهداری روغن ممکن نیست، مناسب هستند.
ترانسفورماتورهای با عایق گازی SF6 از گاز SF6 به عنوان ماده عایق استفاده می‌کنند. این گاز خنک‌کننده و عایق بسیار خوبی است و معمولاً در تجهیزات با ولتاژ بالا و نیاز به عایق‌های کم حجم استفاده می‌شود.
در زمینه سیم‌بندی، ترانسفورماتورهای تک فاز از یک سیم فاز و یک سیم زمین برای انتقال انرژی استفاده می‌کنند. در حالی که ترانسفورماتورهای دو فاز از دو سیم فاز و یک سیم زمین استفاده می‌کنند. ترانسفورماتورهای سه فاز با سیم‌بندی سه فازه، به دلیل کارایی بالا و موثر بودن در انتقال انرژی در مقیاس بزرگ، در شبکه‌های قدرت و نیروگاه‌ها به کار می‌روند.
تنوع اتصال سیم پیچ‌ها در ترانسفورماتورها یکی از مسائل اساسی در طراحی و استفاده از این دستگاه‌های مهم برق است. از جمله اتصال‌های پرکاربرد، اتصال ستاره-ستاره (Yy) است که برای انتقال توان در دو جهت و مصرف‌هایی با نیاز به افزایش ولتاژ کاربرد دارد. اتصال ستاره-مثلث (Yd) نیز برای افزایش ولتاژ و کاهش جریان در سیستم‌های توزیع استفاده می‌شود.
همچنین، اتصال مثلث-مثلث (Dd) برای انتقال توانایی بالا و جریان‌های بالا مناسب است و اتصال مثلث-ستاره (Dy) برای کاهش ولتاژ و افزایش جریان در سیستم‌های توزیع استفاده می‌شود. اتصال ستاره-ستاره با پیچک متعادل کننده (Yy(dt)) همچنین برای حفظ توازن ولتاژ در سیستم‌هایی با اختلاف بار متغیر مناسب است.
بهینه‌سازی توان و افزایش عملکرد ترانسفورماتورها از طریق موازی‌سازی آنها در ایستگاه‌های توزیع انرژی انجام می‌شود. این روش، با ترکیب چندین ترانسفورماتور به صورت موازی، به منظور افزایش توان و بهره‌وری بالاتر استفاده می‌شود. این ارتباط موازی باید با دقت و با رعایت شرایط مشخصی ایجاد شود تا عملکرد بهینه و پایداری سیستم تضمین شود.
شرایط ضروری برای موازی کردن ترانسفورماتورها برای ایجاد یک سیستم پایدار و با کارایی بالا بسیار حیاتی است. این شرایط شامل برخی موارد اساسی می‌شود که به طور مفصل باید رعایت شوند.
اولین شرط برای موازی کردن ترانسفورماتورها، برابر بودن ولتاژ نامی آنها است. ولتاژ نامی هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه باید یکسان باشد تا توزیع جریان‌ها به طور یکنواخت صورت گیرد.
در ادامه، هم‌گروه بودن ترانسفورماتورها از نظر نوع و مدل آنها ضروری است تا تطابق در عملکرد ولتاژی و جریانی آنها حاصل شود. همچنین، برابری امپدانس اتصال کوتاه برای حفظ توازن در جریان‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
متصل شدن فازها نیز یکی دیگر از شرایط اساسی است. فازهای هم‌نام ترانسفورماتورها باید به یکدیگر متصل شوند تا هماهنگی در جریان‌ها به دست آید و هیچ اختلالی در عملکرد ایجاد نشود.
برابر بودن نسبت تبدیل، درصد ولتاژ امپدانس و نسبت مقاومت به راکتانس نیز از دیگر شرایط لازم برای موازی‌سازی ترانسفورماتورها است. این شرایط باعث حفظ توازن و استحکام در سیستم می‌شوند و عملکرد بهینه آن را تضمین می‌کنند.
استفاده صحیح از ترانسفورماتورها در موازی، یکی از بهترین راهکارهای افزایش بهره‌وری و بهینه‌سازی توزیع انرژی می‌باشد. این شرایط و اصول به عنوان راهنمایی برای اجرای موفقیت‌آمیز یک سیستم توزیع قدرت از اهمیت بسزایی برخوردارند.
جریان گردابی یک پدیده مهم در مواد فرامغناطیس است که به وجود آمدن جریان الکتریکی در هسته‌های ذوب‌شده که حاوی مخلوطه‌های فلزات فرامغناطیس می‌باشند را توصیف می‌کند. در این پدیده، جریان الکتریکی به صورت گرداب‌های مغناطیسی حول نقاط مختلف در هسته جریان پیدا می‌کند. جریان گردابی به عنوان یک اثر جانبی از مواد دارای خواص مغناطیسی متغیر زیر تأثیر میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد.
هسته‌های گردابی معمولاً در تجهیزات الکتریکی و موتورهایی که از مواد فرامغناطیس استفاده می‌کنند، اهمیت دارد. این پدیده می‌تواند تلفات انرژی و افت ولتاژ را ایجاد کند و نیازمند به طراحی دقیق و حفاظت موثر در سیستم‌های الکتریکی می‌شود.
در نهایت، در این مقاله، انواع مختلف ترانسفورماتورها از نظر ساختار، کاربرد، و ویژگی‌های فنی بررسی شده‌اند. از ترانسفورماتورهای قدرت در نیروگاه‌ها و ایستگاه‌های فشار قوی تا ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ برای اندازه‌گیری و حفاظت، مختصراً به انواع مختلف اشاره شده است.
همچنین، مواردی مانند اتصال سیم پیچ‌ها، موازی کردن ترانسفورماتورها، و اهمیت شرایط تطابق در این اتصالات نیز بحث شده است. این مقاله می‌تواند به فهم بهتر این دستگاه‌های کلیدی در سیستم‌های برقی کمک کند و به خواننده اطلاعات گسترده‌ای در زمینه ترانسفورماتورها ارائه دهد.
