ترانسفورماتور افزاینده

ترانسفورماتورها یک دستگاه الکتریکی ایستا هستند که قادرند انرژی الکتریکی را از یک مدار به مدار یا مدارهای دیگر انتقال دهند. در واقع به عبارت دقیق تر می بایست اینطور بیان کرد که جریان متفاوت در هر یک سیم پیچ می تواند شار مغناطیسی متغیری را در هسته یک ترانسفورماتور ایجاد کند که شامل نیروی محرکه الکتریکی متغیری است که در راستای هر سیم پیج به دور یک هسته مشترک می شود. سپس انرژی الکتریکی می تواند بین سیم پیچ های جدا بدون استفاده از رابط فلزی و تنها با استفاده از قانون القای فارادی دو مدار را به یکدیگر وصل نماید؛ به عبارت بهتر این قانون تاثیر ولتاژ القایی بر روی هر سیم پیچ بسته به تغییر شار مغناطیسی که در اطراف سیم پیچ در جریان است، را توضیح می دهد.

ترانسفورماتورها انواع مختلفی دارند اگر بخواهیم آن ها را بر اساس کارکردشان دسته بندی کنیم این دستگاه در دو دسته ترانسفورماتور کاهنده و افزاینده قرار می گیرند؛ شامل ترانسفورماتور افزاینده به عنوان ترانس افزایش ولتاژ زمانی استفاده می شود که ولتاژ جریان متناوب پایین در سطح جریان بالا افزایش یابد و ترانسفورماتور کاهنده زمانی به کار می رود که ولتاژ جریان متناوب بالا در جریان پایین کاهش می یابد، می شود. آنچه در اینجا موضوع بحث ما قرار گرفته است، ترانسفورماتور فزاینده یا افزاینده است که در ادامه بیشتر درباره آن توضیح خواهیم داد؛

ترانسفورماتور افزاینده چیست

همانطور که از نام این دستگاه پیداست، ترانس افزاینده دستگاهی است که ولتاژ خروجی را کنترل یا بالا می برد، در واقع در طی این فرآیند ولتاژ خروجی یا ثانویه از ولتاژ اولیه بالاتر است که در واقع همین اختلاف منجر به ایجاد جریان الکتریکی با ثبات بدون هیچ گونه نوسانی در خطوط می گردد. به طور معمول از ترانس افزاینده در ایستگاه های تولید و توزیع برق استفاده می شود. در ترانس افزاینده جریان/ترانس افزاینده ولتاژ سیم پیچ در قسمت سیم پیچ خروجی دارای تعداد سیم های پیچیده بیشتری نسبت به سیم پیچ اولیه می باشد. همچنین جریانی که سیم پیچ اولیه جریان دارد در مقایسه با سیم پیچ ثانویه بزرگتر است و به صورت کلی این ترانسفورماتور ولتاژ پایین با جریان زیاد را به ولتاژ بالا و جریان کم تبدیل می نماید، به همین خاطر به آن ترانسفورماتور افزاینده گفته می شود. این ترانسفورماتور ها می توانند به عنوان ترانسفورماتور توزیع در خطوط برق جریان و ولتاژ را در این خطوط تغییر دهند و در واقع به کمک فرآیند انتقال انرژی در خطوط بیاییند. برای ساخت ترانسفورماتور افزاینده نیاز است ابتدا سیم پیچ ها ساخته شوند و سپس ضمائم و تجهیزات جانبی در راستای هسته ترانسفورماتور ساخته و در نظر گرفته شوند. برای توضیح بیشتر به مراحل زیر توجه نمایید؛

هسته ترانسفورماتور افزاینده

برای ساختن هسته ترانسفورماتور می بایست از مواد قابل نفوذ استفاده کرد. علاوه بر این برای شکل دادن هسته نیاز است ورقهای نازک فولاد سیلیکونی سر هم شوند و محکم بر روی هم لمینیت یا فشرده گردند. مواد اولیه که نیاز برای شکل دهی به هسته ترانسفورماتور به گونه ای طراحی شده اند که شار مغناطیسی با کمترین مقدار تلفات جریان یابد. در واقع مشخصه هسته ترانسفورماتور خطوط میدان مغناطیسی را در هوا محدود می نماید که در نهایت منجر به افزایش کارایی ترانسفورماتور می شود. هر چقدر متریال استفاده شده در ساخت هسته از وادارندگی کمتری برخوردار باشد در ساخت هسته بیشتر قابل استفاده هستند، به همین خاطر از فولاد سیلیکونی برای ساخت آن استفاده می شود. اگر هسته ترانسفورماتور با مواد فرومغناطیس ساخته شوند ممکن است منجر به تلفات هیترزیس و تلفات جریان گردابی شود.

سیم پیچ ترانسفورماتور فزاینده

سیم پیچ ها به انتقال جریان در ترانسفورماتور کمک می نماید. در واقع سیم پیچ ها به گونه ای طراحی می شوند که بتوانند ترانسفورماتور را خنک نمایند و از پس هر گونه آزمون و عملکردی بر آید. سیم های موجود در سیم پیچ اولیه از ضخامت بیشتری بر خوردار است که البته سیم ها در دور کمتر پیچیده شده اند و در قسمت سیم پیچ ثانویه با اینکه سیم ها نازک تر هستند دور پیچش سیم ها نسبت به سیم پیچ اولیه بیشتر است. دلیل ه کار بردن این طراحی ها این است که سیم پیچ اولیه می تواند ولتاژ برق کمتری را نسبت به سیم پیچ ثانویه که ولتاژ بالاتری دارد، حمل کنند. موادی که در تولید سیم پیچ ها به کار می روند شامل مس و آلومینیوم می شود. از آنجایی که مس بسیار گرانبهاست می تواند عمر ترانسفورماتور افزاینده را در مقایسه با آلومینیوم که ارزش کمتری دارد، افزایش دهد. دلیل لایه لایه بودن هسته ترانسفورماتور این است که می تواند جریان گردابی را کاهش می دهد. البته این لایه سازی انواع مختلفی دارد. اکثرا به شکل E-E و E-I برای سیم پیچ های اولیه و ثانویه به صورت لایه سازی محکم با حداقل شکاف هوا روی هم فیکس و محکم می شوند.

طرز کار ترانسفورماتور افزاینده

ولتاژ ورودی و خروجی با نام V1 و V2 نام گذاری می شوند و تعداد پیچیدن سیم ها برای ساخت سیم پیچ ها برای سیم پیچ اولیه T1 و برای سیم پیچ ثانویه T2 می باشد. سیم پیچ اولیه جایی است که ولتاژ اولیه به آن وارد می شود و سیم پیچ ثانویه نیز جایی است که ولتاژ خروجی از آن نشئت می گیرد. اگر میزان پیچیدن سیم ها در سیم پیچ دوم بیشتر از سیم پیچ اول باشد، ولتاژ خروجی نیز بیشتر از ولتاژ ورودی خواهد بود. با توجه به این مساله که جریان موجود در ترانسفورماتور از نوع جریان متناوب است، در یک جهت جریان می یابد و سپس متوقف شده و جهت جریان عوض می گردد و دوباره به شارش خود ادامه می دهد. جریان الکتریکی یک میدان مغناطیسی دور سیم پیچ ها ایجاد می نماید. قطب شمال و قطب جنوبی در میدان مغناطیسی در هر بازگشت و تغییر جهت جریان جا به جا می شوند و همین مساله منجر به تغییر ولتاژ می گردد. میدان مغناطیسی همانطور که پیداست ولتاژ را در سیم القا خواهد کرد. به همین ترتیب در سیم پیچ دوم نیز ولتاژ در اثر حرکت میدان مغناطیسی القا می گردد. این پدیده القاء متقابل نامیده می شود. به عبارت دیگر جریان متناوب در سیم پیچ اولیه منجر به حرکت و چرخش میدان مغناطیسی شده و می تواند ولتاژ را در سیم پیچ ثانویه به وجود آورد.

کاربرد ترانسفورماتور افزاینده

استفاده از ترانسفورماتور افزاینده کوچک به طور معمول شامل دستگاه های الکترونیکی می شوند که در واقع اینورتر و متعادل کننده هستند که به ترانسفورماتور کمک می نمایند تا یک ولتاژ پایین را به صورت با ثبات به ولتاژ بالا تبدیل نماید. علاوه بر این کاربرد دیگر آن توزیع جریان برق در خطوط می باشد.

مزایا و معایب استفاده از ترانسفورماتور فزاینده

به طور کلی از ترانسفورماتور افزاینده در اکثر ساختمان های تبلیغاتی و مسکونی استفاده می شود و مزایا و معایبی در خرید ترانسفورماتور افزاینده و استفاده از این دستگاه وجود دارد که در زیر به آن اشاره کرده ایم؛

• انتقال برق: در واقع ترانسفورماتورهای فزاینده می توانند الکتریسیته را با هزینه کمتر و در مسافت طولانی تر منتقل نمایند. ولتاژ جریان افزایش یافته که البته می بایست در خطوط فرستاده شده و به همین خاطر سعی شده است که مقاومت الکتریکی در خطوط کاهش یابد. این فرایند به کاهش تلفات در هنگام کارکرد کمک کرده و کارایی انتقال برق را توسط ترانسفورماتور افزایش می دهد.
• عملکرد متوالی: این ترانسفورماتورها که به صورت سه فاز و یا تک فاز تهیه می شوند قابلیت این را دارند که به صورت شبانه روزی بدون هیچ وقفه ای بر خلاف سایر تجهیزات الکتریکی کار کنند. این مساله مزیت قابل توجهی است که می تواند به توزیع برق در سیستم برق رسانی کمک نماید.
• نگهداری: بر خلاف اینکه این دستگاه بی وقفه و به صورت شبانه روزی کار می کند، ترانسفورماتور فزاینده نیاز به نگه داری بسیار کمی دارد. این نگهداری در حداقل حالت شامل بررسی و بازرسی روغن در مخزن، تعویض و تعمیر قطعات آسیب دیده می باشد.
• عملکرد اولیه سریع: زمانی که ترانسفورماتور سه فاز نصب می شود به راحتی و سریع شروع به کار کرده و نیاز به طی کردن فرآیند فعالسازی و آمادگی برای کار نداشته و تاخیر زمانی ندارد.
• کارایی: با توجه به اینکه فن آوری و تکنولوژی در طی این سالها پیشرفت زیادی کرده است، میزان کارایی ترانسفورماتور ها افزایش یافته است. این دستگاه ها میزان تلفات و هدر رفتن انرژی کمتری دارند و همین مساله منجر می شود که این ترانسفورماتور کم تلفات از کارایی بالاتر از 95 درصد برخوردار باشد.

از معایب این دستگاه نیز می توان به این مساله اشاره کرد که همانطور که گفته شد میزان کارایی این ترانسفورماتور 100 درصد نیست و علاوه بر این موارد زیر را نیز می توان در نظر گرفت؛

• سیستم خنک کنندگی: نظر به اینکه ترانسفورماتور فزاینده بدون هیچ وقفه ای کار می کند، این دستگاه نیاز به سیستم خنک کننده ای دارد که از ذوب شدن ترانسفورماتور جلوگیری کند. از آنجایی که نمی توان ترانسفورماتور را برای خنک شدن خاموش کرد، نیاز به در نظرگرفتن ساعت سیستم خنک کننده در ترانسفورماتورها وجود دارد.
• اندازه بزرگ: از طرفی با توجه به اینکه اندازه ولتاژ هر چقدر بزرگتر باشد نیاز به ترانسفورماتور بزرگتر و البته سیستم خنک کنندگی بزرگتر نیز هست، این مساله موجب می شود که اندازه و حجم ترانسفورماتور بزرگ شده و فضای بیشتری را اشغال نماید.
• عملکرد در جریان متناوب: ترانسفورماتورها تنها برای جریان متناوب ساخته شده اند و می تواند جریان متناوب و ولتاژ ایجاد نمایند. این سیستم ها قادر به عملکرد در شرایط جریان مستقیم نیستند و این مساله محدودیتی در استفاده ازاین دستگاه به وجود می آورد.

سوالات متداول در حوزه ترانسفورماتور افزاینده

1. ترانسفورماتور افزاینده چیست؟ به بیان ساده این ترانسفورماتور قادر است ولتاژ ورودی را به هنگام خروجی از سیم پیچ ثانویه افزایش دهد. در واقع ولتاژ ورودی به سیم پیچ اولیه کم است.
2. ترانسفورماتورها چگونه کار می کنند؟ توجه داشته باشید که ترانسفورماتورها بدون هیچ اتصال فلزی در بین دو سیم پیچ خود تنها با قانون القای فارادی قادرند ولتاژ و جریان را تغییر دهند.
3. چه زمانی از ترانسفورماتور افزاینده استفاده می شود؟ زمانی که نیاز باشد ولتاژ کم و جریان زیاد به ولتاژ زیاد و جریان کم تبدیل گردد.
4. هسته ترانسفورماتور افزاینده از چه نوع موادی ساخته می شود؟ ترانسفورماتور افزاینده هسته ای دارد که از مواد نفوذ پذیر به همراه ورقهای نازک فولاد سیلیکونی و سیم پیچ های مسی یا آلومینیومی ساخته می شود.
5. کاربرد ترانسفورماتور افزاینده شامل چه مواردی است؟ در اینورتر ها و تنظیم کننده های ولتاژ استفاده می شوند از طرفی به دلیل شرایط ساخت و عملکرد آن در خطوط توزیع برق نیز به کار می روند.