سیم پیچ ترانسفورماتور

سیم پیچها بخشی از ترانسفورماتور هستند که نیروی محرکه الکتریکی در آن قسمت ایجاد می گردد و سیم پیچی که قدرت الکتریکی را دریافت می نماید، سیم پیچ اولیه و یا سیم پیچ ورودی نامیده می شود و همچنین به سیم پیچی که قدرت الکتریکی از آن خارج می گردد، سیم پیچ خروجی یا ثانویه گفته می شود. لازم به ذکر است که در صورت به کارگیری ولتاژ بالا در ترانسفورماتور، به آن سیم پیچ که ولتاژ بالا را دریافت می نماید سیم پیچ فشار قوی گفته شده و سیم پیچی که برای تحمل ولتاژ پایین طراحی گشته است سیم پیچ فشار ضعیف می باشد. در حالت کلی سیم پیچ ترانسفورماتور انواع مختلفی دارد از جمله لایه ای، بشقابی، طبقه ای و فویل پیچ که در واقع با توجه به سطح قدرت و همچنین سطح ولتاژ این سیم پیچ ها پیچیده می شوند. در ادامه قصد ارائه توضیحات بیشتری را درباره سیم پیچ ترانسفورماتور داریم؛

سیم پیچ ترانسفورماتور سه فاز

بسته به نوع کاربردی که ترانسفورماتور و تنظیمات آن دارد، از انواع سیم پیچ های مختلف استفاده می گردد. سیم پیچ ها رساناهایی هستند که به شکل های مختلف از جمله مارپیچ، دیسک، استوانه ای و در نهایت کراس اوور یا متقاطع ساخته می شوند و می توانند نیروی محرکه مغناطیسی از طریق هسته در سیم پیچ دیگر با سطح ولتاژ متفاوت ایجاد می شود را فرآهم نماید. در حالت کلی دو نوع اصلی برای سیم پیچ ترانسفورماتور وجود دارد؛

• ترانسفورماتور هسته ای
• ترانسفورماتور پوسته ای

در نوع ترانسفورماتور هسته ای، سیم های مربوط به سیم پیچ اولیه و ثانویه روی اندام بیرونی هسته پیچیده می شوند این در حالی است که در ترانسفورماتور پوسته ای سیم پیچ های اولیه و ثانویه به دور اندام داخلی هسته پیچیده می شوند. در سیم پیچی ترانسفورماتور هسته ای از سیم پیچ های نوع متحد المرکز استفاده می گردد و ولتاژ فشار ضعیف در نزیک هسته قرار می گیرد. با این حال برای کاهش مقاومت یا راکتانس نشت، یا به عبارت دقیق تر کاهش امپدانس، سیم پیچ ها می توانند از نوع در هم تنیده باشند. نوع سیم پیچ با توجه به نوع هسته انتخاب می شود که خود برگرفته از عوامل مختلفی از جمله جریان نامی، ظرفیت تحمل اتصال کوتاه، محدودیت افزایش درجه حرارت، امپدانس، موج ولتاژ، امکانات حمل و نقل و غیره می باشد.

در ادامه ابتدا نوع سیم پیچ هایی که برای ترانسفورماتور هسته ای استفاده می شود را معرفی می نماییم.

سیم پیچ لایه ای یا استوانه ای ترانس

در این نوع از سیم پیچ ها به صورت لایه ای روی هم قرار گرفته و به طور معمول از یک رسانای دایره ای یا مستطیل شکل استفاده می نماید که در شکل زیر نشان داده شده است. توجه داشته باشید که سیم پیچ ها روی سطح صاف رسانا همانند شکل دوم و سپس به دور اندام هسته پیچیده می شوند.

از سیم پیچ استوانه ای یا لایه ای به طور معمول زمانی به کار می رود که ولتاژ کم باشد و بتواند ولتاژ تا 6.6 کیلو ولت برای قدرت 600 تا 750 کیلو ولت آمپر قدرت نامی تحمل نماید و جریان نامی نیز بین 10 تا 600 آمپر باشد. علاوه بر این توجه به این نکته ضروری است که معمولا از سیم پیچ سیلندری به شکل چند لایه استفاده می شود و در نوع دو لایه از هادی مستطیلی استفاده می گردد چرا که انتهای سیم پیچ که بیرون می زند با در نظر گرفتن مسائلی از ایمنی کافی برخوردار خواهد بود. آنچه لایه های سیم پیچ را از یکدیگر جدا می نماید روغن است که این مساله می تواند به خنک کردن سیم پیچ ها با گردش روغن در سیم پیچ کمک نماید. در یک سیم پیچ چند لایه استوانه ای معمولا از هادی گرد استفاده می گردد و سیم پیچ به دور نوارهای عمودی پیچیده می شوند که وضعیت خنک سازی در سیم پیچ را بهبود می بخشد. در واقع این طراحی به روغن کمک می کند که راحت تر جریان یابد و در زمان کمتری سیم پیچ را خنک نماید. در حالت کلی از این سیم پیچ در ترانسفورماتورهایی تا قدرت نامی 800 کیلو ولت آمپر با ولتاژ نامی 22 کیلو ولت و جریان نامی تا 80 آمپر استفاده می گردد. قطر هادی به تنهایی حداکثر 4 میلی متر است.

سیم پیچ مارپیچ

از سیم پیچ مارپیچ یا سیم پیچ حلزونی برای ترانسفورماتورهایی استفاده می شود که دارای ولتاژ کم، ظرفیت بالا با جریان نامی زیاد و با توجه به این مسائل تعداد دورهایی که سیم پیچده می شود کمتر است. آنچه در نهایت در ترانسفورماتور نهایی به دست می آید از 160 تا 1000 کیلو ولت آمپر از 0.23 تا 15 کیلو ولت ولتاژ متغیر خواهد بود. برای اینکه بتوانند قدرت مکانیکی کافی را برای سطح مقطع نوار سیم پیچ فرآهم نمایند، نباید ضخامت نوار کمتر از 75 تا 100 میلی متر مربع باشد. حداکتر تعداد نواری که به صورت موازی برای تولید هادی استفاده می شود، 16 عدد است. انواع مختلفی از سیم پیچ حلزونی وجود دارد؛

• سیم پیچ تک مارپیچ،
• سیم پیچ دو مارپیچ،
• سیم پیچ دیسک-مارپیچ.

سیم پیچ تک مارپیچ شامل سیم پیچ هایی می شود که در جهت خط محوری یک مارپیچ با کمی شیب پیچیده می شوند. در این نوع سیم پیچ ها فقط یک لایه چرخش وجود دارد. یکی از مزایای استفاده از سیم پیچ دو مارپیچ این است که می تواند تلفات جریان گردابی را در هادی را کاهش دهد که البته این مساله ناشی از این است که تعداد هادی های موازی که در جهت شعاعی قرار دارند کاهش یافته است. در سیم پیچ دیسک-مارپیچ نوارهای موازی که به هم متصل شده اند در کنار هم در جهت شعاعی قرار گرفته اند تا به عمق شعاعی سیم پیچ بیافزایند.

سیم پیچ مارپیچی چند لایه

به طور کلی از این نوع سیم پیچ زمانی استفاده می شود که ترانس برق دارای ولتاژ نامی 110 کیلو ولت و بالاتر می باشد. این نوع از سیم پیچ ها شامل چندین سیم پیچ متحد المرکز استوانه ای لایه ای که به صورت سری به هم متصل شده اند به وجود می آید. در این طراحی لایه بیرونی همواره کوتاه تر از لایه درونی است که بتواند ظرفیت الکتریکی را به صورت یکنواخت توزیع نماید.

سیم پیچ متقاطع یا کراس اوور

از این سری از سیم پیچ ها برای طرف سیم پیچ فشار قوی در ترانسفورماتورهای کوچک استفاده می گردد. هادی در این سیم پیچ ها به صور سیم یا نوارهایی هستند که با کاغذ پوشانده شده اند. از طرفی سیم پیچ ها نیز به تعدادی بوبین کوچکتر تقسیم می شوند تا ولتاژ را بین لایه های مجاور کاهش دهند. این بوبین ها به صورت محوری توسط فاصله ای 0.5 تا 1 میلی متری از هم جدا شده اند. ولتاژ بین بوبین های مجاور نباید بیشتر از 800 تا 1000 ولت باشد. انتهای درونی یک بوبین به انتهای بیرونی بوبین مجاور متصل می شود که در شکل نشان داده شده است. طول محوری هر یک از بوبین ها به طور دقیق برابر با 50 میلی متر می باشد در حالی که فاصله بین آنها تقریبا حدود 6 میلی متر بوده تا مواد عایقی بتواند بین بوبین ها قرار گیرند. عرض بوبین برابر با 25 تا 50 میلی متر می باشد. سیم پیچ متقاطع نسبت به سیم پیچ استوانی ای دارای قدرت بالاتری تحت شرایط یکسان است. با این حال این سیم پیچ دارای هزینه ساخت بیشتری است.

سیم پیچ بشقابی

از سیم پیچ بشقابی برای ترانسفورماتورهایی با ظرفیت های بالا استفاده می گردد که شامل بوبین ها صاف و یا دیسکهایی می شوند که به صورت سری یا موازی با هم بسته شده اند. سیم پیچ های کوچکتر یا بوبین ها با نوارهای مستطیلی که به صورت اسپیرال از مرکز به بیرون در جهت شعاعی سیم پیچ همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است پیچیده می شوند.

هادی های به کار رفته در این سیم پیچ می توانند از یک نوار یا چندین نوار به صورت موازی بر روی طرف صاف آن پیچیده شوند. این مساله منجر به ایجاد ساختاری مستحکم برای این نوع سیم پیچ ها می شود. دیسکهای این سیم پیچ بشقابی به نوار عمودی لمینیت شده اند. آنچه به روغن اجازه می دهد که در جهت عمودی و افقی به صورت آزادانه در مجاری محوری و شعاعی در حال گردش باشد، فاصله بین بوبین هاست. مساحت هادی در سیم پیچ مد نظر ما در این جا بین 4 تا 50 میلی متر مربع متغیر بوده و جریان نیز در این سیم پیچ بین 12 تا 600 آمپر محدود می شود. حداقل عرض مجاری روغن برابر با 6 میلی متر برای ولتاژ 35 کیلو ولت است. این نوع سیم پیچ ها دارای قدرت مکانیکی محوری زیاد و همچنین ارزان هستند.

سیم پیچ ترانس پوسته ای از نوع ساندویچی

سیم پیچ ساندویچی به ترانسفورماتور ایران ترانسفو اجازه می دهد که مقاومت بیشتری در نزدیکی دو سیم پیچ که روی یک محور مغناطیسی یکسان قرار دارند داشته باشد و همچنین به نسبت شار مغناطیسی متقابل بیشتر و بزرگتر و از طرفی نشت شار کمتری را ارائه دهد. در صورتی که طرف ولتاژ فشار قوی و فشار ضعیف از هم جدا شوند نشت شار کاهش می یابد. طرف ولتاژ فشار ضعیف دارای تعداد دور سیم کمتری نسبت به سیم پیچ دیگر است. برای اینکه نیروی الکترو مغناطیسی در این سیم پیچ ها بالانس و متوازن باشد، هر بخش، حال طرف فشار قوی یا فشار ضعیف دارای دور آمپر یکسان است. هر چقدر تقسیم بندی طرف فشار قوی و ضعیف بیشتر باشد، امپدانس الکتریکی کوچکتر است. از مزایای استفاده از این نوع سیم پیچ ها می توان به ظرفیت بالای تحمل اتصال کوتاه، قدرت مکانیکی زیاد، قدرت دی الکتریک زیاد، قدرت بالای کنترل نشت شار مغناطیسی، ظرفیت خنک سازی بسیار کارآمد، طراحی منعطف و قابل تغییر، اندازه کوچک و طراحی قابل اطمینان اشاره کرد.

پرسشهای متداول پیرامون سیم پیچ ترانسفورماتور

1. چطور ولتاژ سیم پیچ ترانسفورماتور محاسبه می گردد؟ با توجه به قانون القای فارادی می توان گفت که برای محاسبه ولتاژ القایی در سیم پیچ اولیه و ثانویه کافی است از ضرب تعداد دور چرخش در تغییرات شار مغناطیسی به زمان را به دست آورید.
2. LV و HV در سیم پیچ ترانسفورماتور به چه معنی است؟ در یک ترانسفورماتور به طور معمول دو سیم پیچ یا دو طرف برای دریافت و خروج ولتاژ وجود دارد، طرفی که ولتاژ بالاتر به آن وارد می شود HV یا فشار قوی و طرفی که ولتاژ کمتری دارد LV یا فشار ضغیف نامیده می شود.
3. آیا می شود با یک سیم پیچ ترانسفورماتور ساخت؟ بله، اتوترانسفورماتورها جزو دسته ای از ترانسفورماتورهاست که تنها یک سیم پیچ دارد و یک طرف آن به ولتاژ فشار قوی و طرف دیگر آن به ولتاژ فشار ضغیف وصل می شود.
4. کدام یک از انواع ترانسفورماتور دارای سیم پیچ با کارایی بیشتر است؟ ترانسفورماتور پوسته ای، در واقع در این نوع ترانسفورماتور از سیم پیچ نوع ساندویچی استفاده می کند و دارای هسته ای است که هر لایه آن شامل بخشهایی به شکل E و I از جنس فلز نورد می شود. هر ورق نیز با مواد عایقی، لمینیت یا عایق کاری شده اند.
5. چه زمانی ترانسفورماتور دارای سیم پیچ ثانویه بیشتری نسبت به اولیه است؟ توجه داشته باشید که بوبین های مربوط به این ترانسفورماتور می بایست در زاویه درستی نسبت به یکدیگر قرار داشته باشند، یک ترانسفورماتور زمانی دارای سیم پیچ ثانویه بیشتری نسبت به سیم پیچ اولیه است که از نوع ترانسفورماتور افزاینده باشد.
6. سیم پیچ اولیه و ثانویه در ترانسفورماتور چطور به هم وصل می شوند؟ از نظر فیزیکی سیم پیچ اولیه و ثانویه به طور معمول با یکدیگر در ارتباط الکتریکی نیستند، در واقع رسانایی وجود ندارد که این دو سیم پیچ را به هم وصل کند، برای ایجاد ولتاژ و جریان در سیم پیچ ثانویه هر دو به دور هسته ای پیچیده می شوند که می تواند میدان مغناطیسی را با این دو سیم پیچ به اشتراک گذاشته و با این کار ولتاژ و جریان موجود در سیم پیچ اولیه با قانون القای الکترومغناطیس در سیم پیچ ثانویه بسته به تعداد دور سیم پیچ بروز می نماید.