ترانسفورماتور چیست و چگونه کار می کند؟

ترانسفورماتورها در واقع ماشینی هستند که به انتقال برق از یک مدار به مدار دیگر بدون تغییر فرکانس کمک می کنند. به عبارت دقیق تر ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی است که بر اساس قانون القای فارادی کار می کند و به طور عمده برای تامین انرژی الکتریکی استفاده شده و کاربری آن شامل انتقال انرژی الکتریکی و تبدیل ولتاژ به دیگری می شود. این ترانسفورماتورها در سال 1880 ساخته شده است. در اینجا تصمیم داریم بیشتر درباره اینکه ترانسفورماتور چیست و چگونه کار می کند، اجزای ترانسفورماتور و انواع کاربردها، مزایا و معیاب آن را بر شماریم.

ساختار ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور دارای اجزای اصلی شامل هسته، سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه می باشد. هسته در واقع مسیری برای شار جریان مغناطیسی ایجاد می کند، سیم پیچ اولیه مسئول دریافت جریان الکتریکی متناوب از منبع آن می باشد، سیم پیچ ثانویه قادر است انرژی و جریان را دریافت کند و به ولتاژهای دیگر تغییر دهد. در ادامه به ارائه توضیحاتی درباره اساس کار ترانسفورماتور و نحوه کار ترانسفورماتور اشاره خواهیم کرد.

طرز کار ترانسفورماتور ها

برای اینکه راحت تر بفهمیم یک ترانسفورماتور چگونه کار می کند و کار ترانس چیست، فرض اولیه این خواهد بود که ترانسفورماتور تک فاز است. در این ترانسفورماتور یک رسانای الکتریکی و یا بیشتر که با عایق مسی و یا الومینیومی پوشانده شده است به دور بخش عمودی هسته پیچیده می شود که خود عامل ایجاد میدان مغناطیسی می باشد. زمانی که ولتاژ V1 به سیم پیچ اولیه وارد می شود، یک ولتاژ جریان الکتریکی متناوب در سیم پیچ ثانویه به وسیله القای الکتریکی ایجاد می شود. رسانای الکتریکی در هسته ترانسفورماتور به صورت مغناطیسی به هسته وصل شده است و انرژی از طریق کوپلینگ الکترومغناطیسی منتقل می گردد. نسبت چرخش رسانای الکتریکی یا به عبارتی دقیق سیم ها به دور هسته در سیم پیچ ها، برابر با میزان ولتاژی است که ترانسفورماتور در سطح بار صفر دارد. در سیم پیچ اولیه به تعداد پیچیدن رسانا به دور هسته N1 گفته شده و در سیم پیچ ثانویه از آن با نام N2 یاد می شود. در نتیجه از تقسیم ولتاژ اولیه به ولتاژ ثانویه می توان نسبت تعداد دور در سیم پیچ اولیه به ثانویه را با معادله V1/V2 =N1/N2 به دست آورد.

انواع ترانسفورماتورها

بسته به نوع کاربری که ترانسفورماتورها دارند و هدفی که بر اساس آن ساخته شده اند ترانسفورماتورها انواع مختلفی دارند که شامل؛

• ترانسفورماتور افزاینده و ترانسفورماتور کاهنده
• ترانسفورماتور سه فاز و تک فاز
• ترانسفورماتور قدرت، ترانسفورماتور توزیع و ترانسفورماتور ابزاری یا ابزار دقیق
• ترانسفورماتور دو ولتاژه و اتو ترانسفورماتور
• ترانسفورماتور درونی و بیرونی
• ترانسفورماتور روغنی و ترانسفورماتور خشک

ترانسفورماتور افزاینده و ترانسفورماتور کاهنده

ترانسفورماتور فزاینده یکی از انواع ترانسفورماتوری است که ولتاژ ورودی به خود را به مقدار بیشتر افزایش می دهد. به عبارت بهتر ولتاژ ورودی در سیم پیچ اولیه مقدار کم و جریان زیادی دارد زمانی که از طریق القای فارادی به سیم پیچ خروجی منتقل می گردد میزان جریان کاهش یافته و ولتاژ زیاد می شود. توجه داشته باشید که فرآیند عملکرد ترانسفورماتور کاهنده عکس ترانسفورماتور فزآینده می شود. در ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ ورودی به سیم پیچ اولیه زیاد و میزان جریان الکتریکی کم است و زمانی که بر اساس القای الکتریکی به سیم پیچ ثانویه منتقل می گردد ولتاژ کاهش یافته و جریان زیاد می شود.

ترانسفورماتور سه فاز و تک فاز

دلیل استفاده از برق سه فاز کارایی آن از لحاظ هزینه ای است که نسبت به برق سه فاز از کارایی بیشتری برخوردار است. به همین خاطر نیز ساخت و استفاده از ترانسفورماتور سه فاز می تواند نسبت به ترانسفورماتور تک فاز نه تنها از کارایی بیشتری برخوردار باشد بلکه از لحاظ هزینه ای به صرفه است. با این حال در بسیاری از مواقع استفاده از ترانسفورماتورهای تک فاز به دلیل اندازه کوچک و همچنین حمل و نقل آسان تری که دارند کاربرد بیشتری دارد. این ترانسفورماتورها شامل ترانسفورماتور هسته ای و پوسته ای می شود. تراسنفورماتور هسته ای سیم پیچ های اولیه و ثانویه بر روی اندام های بیرونی پیچیده می شوند و دو میدان مغناطیسی دارند. ولی انواع پوسته ای فقط یک میدان مغناطیسی دارند و سیم پیچ ها به دور اندام مرکزی هسته ترانسفورماتور پیچیده می گردد.

ترانسفورماتور قدرت، توزیع و ابزاری

ترانسفورماتور قدرت برای ثابت کردن نوسانات ولتاژ برق ساخته می شوند و به طور معمول زمانی مود استفاده قرار می گیرند که نیاز به طی شدن مسافت طولانی برای انتقال برق وجود دارد. ترانسفورماتور توزیع بیشتر برای مصارف تبلیغاتی و برای مناطق مسکونی به کار می روند و سطح کارایی آن در حالت دارای بار به 50 درصد ظرفیت می رسد و قادر است 24 ساعته با تنطیم ولتاژ خوبی کار نماید. ترانسفورماتور ابزاری که شامل ترانسفورماتور جریان و ترانسفورماتور ولتاژ می شود، برای کاهش ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرند. این محصولات به عنوان ترانسفورماتور ایزوله، ایزولاسیون الکتریکی را مدار برق ولتاژ بالا و واحد ولتاژی که ابزار و لوازم با آن کار می کنند فرآهم می آورد.

ترانسفورماتور دو ولتاژه و اتو ترانسفورماتورها

ترانسفورماتورهای دو ولتاژه و اتو ترانسفورماتور ها بر پایه سهم ولتاژ کار می کنند. از ترانسفورماتور ولتاژ زمانی که سهم ولتاژ بزرگتر از دو باشد استفاده می شود و در اتو ترانسفورماتورها سهم ولتاژ کمتر از دو می بشد.

ترانسفورماتور درونی و بیرونی

همانطور که از نام آنها پیداست، ترانسفورماتور بیرونی زمانی به کار گرفته می شود که نیاز است وسایل بیرون از ساختمان مورد استفاده قرار گیرند و نیاز به برق وجود دارد برای مثال چراغ برق و غیره ولی زمانی که نیاز به برق در منازل مسکونی باشد از ترانسفورماتور داخلی استفاده می شود.

ترانسفورماتور خشک و روغنی

تفاوتی که بین ترانسفورماتور خشک و روغنی وجود دارد در سیستم خنک کنندگی است که برای این دو دستگاه مورد استفاده قرار می گیرد. همانطور که از نام ترانسفورماتور روغنی پیداست از روغن مخصوصی که معمولا روغن معدنی است برای خنک سازی استفاده می شود و در سیستک ترانسفورماتور خشک نیز از هوا برای خنک سازی متریال استفاده می گردد.

کاربرد ترانسفورماتور ها

ترانسفورماتورها کاربردهای فرآوانی دارند که شامل؛

به دلیل ویژگی منحصر به فرد انتقال و توزیع برق همسان، از ترانسفورماتورها در نیروگاه های برق و انرژی و همچنین در بخش صنعتی برای تامین انرژی الکتریکی لازم برای فرآیند های صنعتی و همچنین در سیستم برق رسانی شرکتها و کمپانی های بزرگ نیز مورد استفاده قرار می گیرد. برای کنترل منبع تغذیه سنگین و همچنین از ترانسفورماتورها به عنوان ترانسفورماتور کاهنده و افزاینده برای توزیع برق نیز استفاده می شود.

مزایا و معایب استفاده از ترانسفورماتور

از مزایای آن می توان به کنترل و تثبیت ولتاژ انتقالی، عدم نیاز به زمان آماده سازی برای شروع به کار، دارای کارایی بالا و نیاز به نگهداری کم و همچنین هزینه های کم است، قابلیت برقراری ایزولاسیون با اتصال به زمین و همچنین ترانسفورماتور به صورت ایستاست و حرکتی ندارد. از معایب آن نیز می توان به هدر رفت جریان به دلیل استفاده از هسته آهنی و همچنین از آنجایی که حرارت زیادی تولید می نماید نیازمند خنک سازی است که این کار منجر به توقف جریان خواهد شد، اشاره کرد.

سوالات رایج پیرامون ترانسفورماتور چیست و چگونه کار می کند؟

1. ترانسفورماتور چیست؟ یک ماشین ایستا که قادر است ولتاژ و جریان را منتقل نماید و انتقال برق از یک مدار به مدار دیگر را از طریق قانون القای فارادی انجام می دهد.
2. ساختار ترانسفورماتور از چه اجزایی تشکیل می شود؟ اجزای ترانسفورماتور شامل هسته، سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه می باشد.
3. طرز کار ترانسفورماتورها چگونه است؟ زمانی که ولتاژ به سیم پیچ اولیه وارد می شود، یک ولتاژ جریان الکتریکی متناوب در سیم پیچ ثانویه به وسیله القای الکتریکی ایجاد می شود.
4. ترانسفورماتورها بر چه اساسی دسته بندی می شوند و چه انواعی دارند؟ بسته به نوع کاربری که ترانسفورماتورها دارند و هدفی که بر اساس آن ساخته شده اند به ترانسفورماتور افزاینده و ترانسفورماتور کاهنده، ترانسفورماتور سه فاز و تک فاز، ترانسفورماتور قدرت، ترانسفورماتور توزیع و ترانسفورماتور ابزاری یا ابزار دقیق، ترانسفورماتور دو ولتاژه و اتو ترانسفورماتور، ترانسفورماتور درونی و بیرونی، ترانسفورماتور روغنی و ترانسفورماتور خشک تقسیم می شوند.
5. ترانسفورماتور خشک و روغنی چه تفاوتی دارند؟ تفاوتی که بین ترانسفورماتور خشک و روغنی وجود دارد در سیستم خنک کنندگی است که در ترانسفورماتور روغنی از روغن مخصوص و در ترانسفورماتور خشک از هوا برای خنک سازی استفاده می شود.