انواع ترانسفورماتور و مدار معادل آن
در این مقاله، قصد داریم به بررسی انواع ترانسفورماتور و مدارهای معادل آن بپردازیم. ترانسفورماتورها به عنوان ابزارهای اساسی در حوزه برق شناخته می‌شوند که انرژی الکتریکی را از یک مدار به مدار دیگر انتقال می‌دهند. این دستگاه‌های الکترومغناطیسی بر اساس اصول تغییر میدان مغناطیسی بر روی یک هسته، جریان الکتریکی را تبدیل می‌کنند.
در این بحث، به تفصیل به انواع مختلف ترانسفورماتورها، از جمله ترانسفورماتورهای قدرت، ترانسفورماتورهای جریان، و ترانسفورماتورهای مخابراتی خواهیم پرداخت و همچنین مدارهای معادل آنها را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
ترانسفورماتور چیست؟
ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی است که انرژی الکتریکی را از یک سطح به سطح دیگر منتقل می‌کند. این دستگاه جهت کاهش و افزایش ولتاژ، جریان، و توان الکتریکی در شبکه‌های برق و صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.
عملکرد ترانسفورماتور بر اساس 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 پایه‌ی القای متقابل در سیم‌پیچ‌ها مبتنی است.
ساختار ترانسفورماتور
ساختار ترانسفورماتور از دو سیم پیچ و یک هسته مغناطیسی تشکیل شده است: سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه. سیم پیچ اولیه به وسیلهٔ سیم پیچ انتقال میدان مغناطیسی به هسته و در نتیجه ایجاد جریان مغناطیسی در سیم پیچ ثانویه می‌شود. سیم پیچ ثانویه نیز نوعی از سیم پیچ میباشد 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، جهت فلوی آسان مغناطیسی، طراحی شده است. ساختار هسته ترانس 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 گروه افزاینده و کاهنده تقسیم کرد. اگر تعداد دورهای سیم پیچ چندین برابر باشد، به طور فنی ترانسفورماتور به عنوان افزاینده شناخته می‌شود، در حالی که اگر ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی باشد، به عنوان ترانسفورماتور کاهنده شناخته می‌شود.
اجزای سازنده ترانسفورماتور
ترانسفورماتور به عنوان یک دستگاه پیچیده در سیستم‌های برقی از اجزای چندگانه تشکیل شده است که هرکدام وظایف خاص خود را دارند. این اجزا عبارتند از:
- هسته:
– به عنوان قلب ترانسفورماتور، هسته مسئولیت انتقال میدان مغناطیسی و تبدیل انرژی را برعهده دارد.
- سیم پیچ‌ها:
– سیم پیچ اولیه و ثانویه، به ترتیب، جریان مغناطیسی را از منبع به هسته و از هسته به بار انتقال می‌دهند.
- مخزن روغن:
– برای خنک‌کنندگی و عایق‌بندی، مخزن روغن به عنوان یک عنصر اساسی در ترانسفورماتور وجود دارد.
- رادیاتور:
– جهت افزایش انتقال حرارت و خنک‌کنندگی مخزن روغن، رادیاتور به کار می‌رود.
- بوشینگ‌های فشار قوی و ضعیف:
– برای اتصال سیم پیچ‌ها به خطوط انتقال و انجام عملیات الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- تپ چنجر و تابلوی مکانیزم آن:
– برای تنظیم ولتاژ و جریان و ایجاد تغییرات در محدوده مشخص مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- تابلوی فرمان:
– جهت کنترل و مدیریت عملیات ترانسفورماتور و ارتباط با سیستم برق به کار می‌رود.
- وسایل اندازه‌گیری و حفاظتی:
– از جمله سنسورها و وسایل موردنیاز برای اندازه‌گیری و مانیتورینگ پارامترهای ترانسفورماتور.
- شیرها و لوله‌های ارتباطی:
– جهت اتصال و ارتباط بین اجزا مختلف ترانسفورماتور استفاده می‌شوند.
- وسایل خنک‌کننده:
– اجزایی همچون پمپ‌ها و سیستم‌های خنک‌کننده جهت حفظ دمای مطلوب در داخل ترانسفورماتور.
- ترانس جریان:
– برای انتقال جریان بدون تغییر ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- شاسی و چرخ:
– اجزای ساختاری جهت نصب و حمل و نقل ترانسفورماتور.
نحوه کار ترانسفورماتور
روش عملکرد ترانسفورماتور بر دو اصل اساسی تنظیم شده است:
- 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.
- 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.
به طور خاص، ترانسفورماتور با استفاده از 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 ساخته شده است. این اجزا با همکاری و هماهنگی، عملکرد ترانسفورماتور را فراهم می‌کنند و انتقال انرژی الکتریکی را ممکن می‌سازند.
ترانسفورماتور ایده‌آل:
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.
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.
با این حال، 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:
در دنیای الکتریکی، مدار معادل ترانسفورماتور یک جزء حیاتی برای فهم عملکرد ترانسفورماتور و انجام محاسبات دقیق مرتبط با آن است. این مدار، تأثیر مخلوط شار مغناطیسی در هسته ترانسفورماتور را با مدارهای الکتریکی ساده‌تری نمایش می‌دهد.
در این مدار، مدار معادل ترانسفورماتور به عنوان نماینده‌ای از رفتار ترانسفورماتور عمل می‌کند. این مدار اطلاعات مربوط به ولتاژ و جریان در سیم‌های ترانسفورماتور را با استفاده از روابط معادله‌گذاری نشان می‌دهد.
ویژگی‌های این مدار شامل مقاومت‌های RS و RP است که به ترتیب نمایانگر مقاومت‌های سری و موازی در سیم پیچ‌های ترانسفورماتور هستند. این مقاومت‌ها نقش اصلی در تغییر ولتاژ و جریان ایفا می‌کنند.
با تحلیل خواص شار پراکندگی، مدار معادل به تفکیک خود القاهای XP و XS را نمایش می‌دهد. این خود القاها به صورت سری با سیم پیچ‌ها قرار می‌گیرند و در تعیین خصوصیات الکتریکی ترانسفورماتور تأثیرگذارند.
در این مدار، 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.
تلفات در ترانسفورماتور و مدار معادل:
در فرکانس ثابت، تلفات در ترانسفورماتور مستقیماً با مجذور شار هسته در ارتباط است. این تلفات، که به نسبت مستقیم با ولتاژ ورودی نیز هستند، می‌توانند به عنوان یک مقاومت موازی با مدار ترانسفورماتور مدل شوند؛ این مقاومت مشهور به RC است.
هسته‌ای با نفوذپذیری محدود، برای حفظ شار مغناطیسی، به جریان نیاز دارد. تغییرات شار مغناطیسی در جریانهای هسته هم‌فاز با تغییرات در شار مغناطیسی فاز خواهند داشت. با وجود اشباع پذیری هسته، دو شاخه نقش جداگانه ایفا می‌کنند 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 RC و XM 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.
انواع ترانسفورماتور از نظر نوع هسته
نوع اول: ترانسفورماتورهای هوا با هسته‌ای ساخته شده از لوازم غیرفلزی مانند پلاستیک یا چوب.
نوع دوم: ترانسفورماتورهای روغنی با هسته‌ای که از فلزهای آهنی یا فولادی تشکیل شده‌اند و داخلی آنها با روغن خاصی پر شده است.
اتوترانسفماتور:
اتوترانسفماتور یک نوع ترانسفورماتور خاص است که سیم‌پیچ اولیه و ثانویه به‌طور جزئی در هم تعبیه شده‌اند. به عبارت دیگر، بخشی از سیم‌پیچ اولیه به عنوان سیم‌پیچ ثانویه نیز استفاده می‌شود. این نوع ترانسفورماتور به دلیل ساختار خاص خود معمولاً در اندازه کوچکتر و با وزن کمتری نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی اجازه می‌دهد.
اتصال اسکات یا T:
اتصال اسکات یا T یک نوع اتصال ترانسفورماتور است که برای کاربردهای خاص مانند اتصال موتورها به شبکه برق استفاده می‌شود. در این نوع اتصال، سه سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور به صورت یک T یا اسکات متصل می‌شوند. این نوع اتصال به تنظیم ولتاژ و جریان برای موتورها کمک می‌کند و به عنوان یک روش کارآمد برای انتقال انرژی به موتورها در صنایع مختلف شناخته می‌شود.
انواع ترانسفورماتور از نظر کاربرد
ترانس قدرت:
ترانس قدرت به منظور تبدیل سطح ولتاژ در نیروگاه‌ها و پست‌های فشار قوی استفاده می‌شود. این نوع ترانسفورماتور برای کاربردهایی همچون فرایند ذوب آلومینیوم در کوره‌ها به کار می‌رود.
ترانس توزیع داخلی:
ترانس توزیع داخلی برای ایجاد نقطه نول جهت تشخیص خطای اتصال به زمین و نامتعادلی در مصرف بارهای فازها در پست‌های زمینی و هوایی به منظور توزیع انرژی در سطوح شهری و کارخانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ترانس جریان (CT):
ترانس جریان برای اندازه‌گیری جریان و حفاظت از مدار در برابر افزایش جریان یا اتصال کوتاه به کار می‌رود.
ترانس ولتاژ (PT):
اندازه‌گیری ولتاژ و حفاظت از ولتاژ با استفاده از ترانس ولتاژ انجام می‌شود.
ترانس ولتاژ (CVT):
ترانس ولتاژ CVT برای اندازه‌گیری و حفاظت از ولتاژ استفاده می‌شود و بر اساس تقسیم ولتاژ خازنی عمل می‌کند. این نوع ترانسفورماتور برای تبادل سیگنال‌های مخابراتی در خطوط فشار قوی به کار می‌رود.
ترانس تطبیق (Maching):
ترانس تطبیق یا ترانس Maching برای حفاظت دیفرانسیل با مبدل و متعادل کردن جریان اولیه و ثانویه ترانس بهره می‌برد. این نوع ترانسفورماتور با دقت در مدارات حفاظتی به کار می‌رود تا جریانهای اولیه و ثانویه ترانس را به صورت متعادل و تطابقی با یکدیگر قرار دهد، این اقدام باعث افزایش کارایی و دقت در تشخیص اختلالات و حفاظت از تجهیزات می‌شود.
انواع ترانسفورماتور از نظر ماده عایق و خنک کننده:
- ترانسفورماتورهای روغنی:
ترانسفورماتورهای روغنی از روغن به عنوان ماده عایق و خنک کننده استفاده می‌کنند. این نوع ترانسفورماتورها معمولاً در نیروگاه‌ها و شبکه‌های بزرگ به کار می‌روند و از خواص حرارتی و عایقی بالای روغن برای انتقال و توزیع انرژی بهره می‌برند.
- ترانسفورماتورهای خشک:
ترانسفورماتورهای خشک از مواد عایق جامد برای جلوگیری از نیاز به روغن به عنوان ماده عایق استفاده می‌کنند. این نوع ترانسفورماتورها به دلیل عدم وجود روغن، مناسب برای محیط‌هایی که نگهداری روغن ممکن نیست، مناسب هستند.
- ترانسفورماتورهای با عایق گازی SF6:
ترانسفورماتورهای با عایق گازی SF6 از گاز SF6 به عنوان ماده عایق استفاده می‌کنند. این گاز خنک کننده و عایق بسیار خوبی است و معمولاً در تجهیزات با ولتاژ بالا و نیاز به عایق‌های کم حجم استفاده می‌شود.
انواع ترانسفورماتور از نظر سیم‌بندی:
- ترانسفورماتور تک فاز:
در ترانسفورماتور تک فاز، از یک سیم فاز و یک سیم زمین برای انتقال انرژی استفاده می‌شود. سیم پیچ‌ها به صورت تک فازهای جداگانه پیچیده می‌شوند. این نوع ترانسفورماتور معمولاً در کاربردهای کم حجم و کم توان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- ترانسفورماتور دو فاز:
در ترانسفورماتور دو فاز، دو سیم فاز و یک سیم زمین برای انتقال انرژی استفاده می‌شود. این نوع ترانسفورماتور معمولاً در کاربردهای متوسط تا بزرگتر، مانند صنعت و توزیع انرژی، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- ترانسفورماتور سه فاز:
سیم بندی ترانسفورماتورهای سه فاز به صورتی است که سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه به صورت سه فاز پیچیده می‌شوند. این نوع ترانسفورماتور معمولاً در شبکه‌های قدرت و نیروگاه‌ها به منظور انتقال و توزیع بارهای بزرگ به کار می‌رود. از ترانسفورماتورهای سه فاز به دلیل کارایی بالا و موثر بودن در انتقال انرژی در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود.
انواع اتصال سیم پیچ‌ها در ترانسفورماتور:
- اتصال ستاره-ستاره (Yy):
در این نوع اتصال، سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه به صورت ستاره متصل می‌شوند. این نوع اتصال برای توانایی انتقال توان در دو جهت و مصرف‌هایی که نیاز به افزایش ولتاژ دارند، مناسب است.
- اتصال ستاره-مثلث (Yd):
در اتصال ستاره-مثلث، سیم پیچ اولیه به صورت ستاره و سیم پیچ ثانویه به صورت مثلث متصل می‌شوند. این اتصال برای افزایش ولتاژ و کاهش جریان در سیستم‌های توزیع مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- اتصال مثلث-مثلث (Dd):
در اتصال مثلث-مثلث، هر دو سیم پیچ به صورت مثلث متصل می‌شوند. این نوع اتصال برای انتقال توانایی بالا و جریانهای بالا مناسب است.
- اتصال مثلث-ستاره (Dy):
اتصال مثلث-ستاره به این معناست که سیم پیچ اولیه به صورت مثلث و سیم پیچ ثانویه به صورت ستاره متصل می‌شوند. این نوع اتصال برای کاهش ولتاژ و افزایش جریان در سیستم‌های توزیع مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- اتصال ستاره-ستاره با پیچک متعادل کننده (Yy(dt)):
این نوع اتصال ستاره-ستاره با وجود پیچک متعادل کننده برای حفظ توازن ولتاژ در سیستم‌هایی با اختلاف بار متغیر مناسب است.
موازی کردن ترانسفورماتور: بهینه‌سازی توان و افزایش عملکرد
در ایستگاه‌های توزیع انرژی، برای افزایش توان و بهره‌وری بالاتر، از ترکیب چندین ترانسفورماتور به صورت موازی بهره می‌گیرند. این ارتباط موازی باید با دقت و با رعایت شرایط مشخصی ایجاد شود تا عملکرد بهینه و پایداری سیستم تضمین شود.
شرایط مهم برای موازی کردن ترانسفورماتورها:
- برابر بودن ولتاژ نامی:
ولتاژ نامی هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتورها باید یکسان باشد تا جریان‌ها به طور یکنواخت توزیع شود.
- هم گروه بودن:
ترانسفورماتورها باید از همان نوع و مدل باشند تا تطابق در عملکرد ولتاژی و جریانی داشته باشند.
- برابر بودن امپدانس:
امپدانس اتصال کوتاه ترانسفورماتورها باید با یکدیگر همخوانی داشته باشد تا توازن در جریان‌ها حاصل شود.
- متصل شدن فازها:
فازهای هم‌نام ترانسفورماتورها باید به یکدیگر متصل شوند تا هماهنگی در جریان‌ها به دست آید.
- برابر بودن نسبت تبدیل:
نسبت تبدیل سیم پیچ‌های ترانسفورماتورها باید یکسان باشد تا ولتاژ خروجی همگن باشد.
- برابر بودن درصد ولتاژ امپدانس:
درصد ولتاژ امپدانس هر دو ترانسفورماتور باید یکسان باشد تا توازن در نقطه‌های مختلف حفظ شود.
- برابر بودن نسبت مقاومت به راکتانس:
نسبت مقاومت به راکتانس در هر دو ترانسفورماتور باید یکسان باشد تا اتزان در سیستم حاکم باقی بماند.
استفاده صحیح از ترانسفورماتورها در موازی، یکی از راهکارهای افزایش بهره‌وری و بهینه‌سازی توزیع انرژی است.
جریان گردابی
جریان گردابی به پدیده‌ای در مواد فرامغناطیس اطلاق می‌شود که به وجود آمدن جریان الکتریکی در هسته‌های ذوب‌شده که حاوی مخلوطه‌های فلزات فرامغناطیس می‌باشند را توصیف می‌کند. در این سیاق، هسته‌ها دارای خواص مغناطیسی کم و یا ندارند. جریان در این هسته‌ها به صورت گرداب‌های مغناطیسی حول نقاط مختلف در هسته جریان پیدا می‌کند.
به عبارت دیگر، در موادی که دارای خواص مغناطیسی متغیر هستند و همچنین تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار گرفته‌اند، جریان الکتریکی در داخل آنها به صورت گردابی و به اطراف هسته‌ها جریان می‌یابد. این پدیده می‌تواند تأثیرات جانبی مختلفی بر مواد داشته باشد از جمله تلفات الکتریکی، افت ولتاژ، گرما و حرارت در هسته. در جریان گردابی، جریان الکتریکی در هسته از یک قطر به دیگر قطر حرکت کرده و این پدیده ممکن است به خاطر تغییر میدان مغناطیسی در زمان و یا دما ایجاد شود.
هسته‌های گردابی عمدتاً در تجهیزات الکتریکی و موتورهایی که از مواد فرامغناطیس استفاده می‌کنند، اهمیت دارد. این پدیده می‌تواند باعث تلفات انرژی و افت ولتاژ شود و نیازمند به طراحی دقیق و حفاظت موثر در سیستم‌های الکتریکی می‌شود.
سخن آخر
در مقاله حاضر، انواع مختلف ترانسفورماتورها از نظر ساختار، کاربرد، و ویژگی‌های فنی بررسی شدند. از ترانسفورماتورهای قدرت در نیروگاه‌ها و ایستگاه‌های فشار قوی تا ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ برای اندازه‌گیری و حفاظت، مختصراً به انواع مختلف اشاره شد.
همچنین، نکات مهمی مانند اتصال سیم پیچ‌ها، نحوه موازی کردن ترانسفورماتورها، و اهمیت شرایط تطابق در این اتصالات مورد بحث قرار گرفتند. این مقاله به خواننده اطلاعات گسترده‌ای در زمینه ترانسفورماتورها ارائه داده و به فهم بهتر این دستگاه‌های کلیدی در سیستم‌های برقی کمک کرده است.
