ترانسفورماتور چیست (ترانسفورماتورها)

ترانسفورماتور وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به وسیله دو یا چند سیم‌پیچ و از طریق القای الکتریکی از یک مدار به مداری دیگر منتقل می‌کند. به این صورت که جریان جاری در مدار اول (اولیه ترانسفورماتور) موجب به وجود آمدن یکمیدان مغناطیسی در اطراف سیم‌پیچ اول می‌شود، این میدان مغناطیسی به نوبه خود موجب به وجود آمدن یک ولتاژ در مدار دوم می‌شود که با اضافه کردن یک بار به مدار دوم این ولتاژ می‌تواند به ایجاد یک جریان ثانویه بینجامد. ولتاژ القا شده در ثانویه VS و ولتاژ دو سر سیم‌پیچ اولیه VP دارای یک نسبت با یکدیگرند که به طور آرمانی برابر نسبت تعداد دور سیم پیچ ثانویه به سیم‌پیچ اولیه‌است:

به این ترتیب با اختصاص دادن امکان تنظیم تعداد دور سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور، می‌توان امکان تغییر ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه ترانس را فراهم کرد. یکی از کاربردهای بسیار مهم ترانسفورماتورها کاهش جریان پیش از خطوط انتقال انرژی الکتریکی است. دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه هادی‌های الکتریکی دارای میزان مشخصی مقاومت الکتریکی هستند، این مقاومت می‌تواند موجب اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی شود. میزان تلفات در یک هادی با مجذور جریان عبوری از هادی رابطه مستقیم دارد و بنابر این با کاهش جریان می‌توان تلفات را به شدت کاهش داد. با افزایش ولتاژ در خطوط انتقال به همان نسبت جریان خطوط کاهش می‌یابد و به این ترتیب هزینه‌های انتقال انرژی نیز کاهش می‌یابد، البته با نزدیک شدن خطوط انتقال به مراکز مصرف برای بالا بردن ایمنی ولتاژ خطوط در چند مرحله و باز به وسیله ترانسفورماتورها کاهش می‌یابد تا به میزان استاندارد مصرف برسد. به این ترتیب بدون استفاده از ترانسفورماتورها امکان استفاده از منابع دوردست انرژی فراهم نمی‌آمد.ترانسفورماتورها یکی از پربازده‌ترین تجهیزات الکتریکی هستند به طوری که در برخی ترانسفورماتورهای بزرگ بازده به ۹۹٫۷۵٪ نیز می‌رسد. امروزه از ترانسفورماتورها در اندازه‌ها و توان‌های مختلفی استفاده می‌شود از یک ترانسفورماتور بند انگشتی که در یک میکروفن قرار دارد تا ترانسفورماتورهای غول‌پیکر چند گیگا ولت-آمپری. همه این ترانسفورماتورها اصول کار یکسانی دارند اما در طراحی و ساخت متفاوت هستند.

سازندگان و استانداردها در کشورهای مختلف هر یک به نحوی ترانسفورماتورها را تقسیم بندی کرده و تعاریفی برای درجه بندی آنها ارائه داده‌اند. برخی ترانسها را بنا بر موارد و ترتیب بهره برداری آنها متفاوت شناخته‌اند، مانند: ترانسهای کاهنده ,انتقال قدرت ، اتو ترانس و یا ترانسهای تقویتی و گروهی از ترانسها را به غیر از ترانسفورماتور اینسترومنتی ترانس جریان و ولتاژ ، ترانس قدرت می ‌نامند و اصطلاحا ترانس قدرت را آنهایی می ‌دانند که در سمت ثانویه آنها فشار الکتریکی تولید می کتتد این نوع تقسیم بندی در عمل دامنه وسیعی را در بر می ‌گیرد که در یک طرف آن ترانسفورماتورهای کوچک و قابل حمل با ولتاژ ضعیف برای لامپهای دستی و مشابه آن قرارمی ‌گیرند و طرف دیگر شامل ترانسهای خیلی بزرگ برای تبدیل ولتاژ خروجی ژنراتور به ولتاژ شبکه و خطوط انتقال نیرو است. در بین این دو اندازه ( حد متوسط ) ترانسهای توزیع و یا انتقال در مؤسسات الکتریکی و ترانسهای تبدیل به ولتاژهای استاندارد قرار دارند. ترانسها اغلب به صورت هسته‌ای یا جداری طراحی می‌ شوند. در نوع هسته‌ای در هر یک از سیم پیچها شامل نیمی از سیم پیچ فشار ضعیف و نیمی از سیم پیچ فشار قوی هستند و هر کدام روی یک بازوی هسته‌ای قرار دارند. در نوع جداری ، سیم پیچها روی یک هسته پیچیده شده‌اند و نصف مدار فلزی مغناطیسی از یک طرف و نصف دیگر از طرف هسته بسته می ‌شود. در اکثر اوقات نوع جداری برای ولتاژ ضعیف و خروجی بزرگ و نوع هسته‌ای برای ولتاژ قوی و خروجی کوچک بکار می ‌روند ( بصورت سه فاز یا یک فاز).ترانسهای تغذیه و قدرت مانند ترانس اصلی نیروگاه ترانس توزیع و اتو ترانسفورماتور ، ترانسفورماتورهای قدرت معمولا سه فاز هستند، اما گاهی ممکن است در قدرتهای بالا به دلیل حجم و وزن زیاد و مشکل حمل و نقل از سه عدد ترانس تک فازاستفاده کنند. ترانسهای صنعتی مانند ترانسهای جوشکاری ترانسهای راه اندازی و ترانسهای مبدل ترانس برای سیستمهای کشش و جذب که در راه آهن و قطارهای الکتریکی بکار می ‌رود. ترانسهای مخصوص آزمایش اندازه گیری ، حفاظت مصارف الکتریکی و غیره. نوع جدیدی از ترانسفورماتورهای تقویت جریان موسوم به بوسترفورمر عرضه کرده است که در سیستم تغذیه راه آهن استفاده می گردد. در این نوع تراسفورماتورها از روغن استفاده نشده و سیستم عایقی ساده‌ای به کار رفته است. استفاده از بوسترفورمر از لحاظ اقتصادی به صرفه بوده و برای محیط زیست نیز مضرات کمتری دارد. تکنولوژی به کار رفته در بوسترفورمر، همانند Powerformer ها و Dryformer ها ( ترانسفورماتورهای خشک ) مبتنی بر استفاده از کابلها می باشد. این ترانسفورماتورها از یک کابل فشار قوی تشکیل شده که به صورت یک سیم پیچ به دور یک هسته آهنی پیچانده شده است. در بوسترفورمر از روغن استفاده نشده است. به این ترتیب نیاز به بازرسی مداوم روغن ( دمای روغن، اندازه‌گیری و تجزیه گاز متصاعد شده از روغن و … ) از بین رفته و هزینه‌های سرویس ونگهداری پایین آمده است. به علت زمین شدنِ کل ترانسفورماتور، ضریب ایمنی این نوع ترانسفورماتور بسیار بالاست. بوسترفورمر به علت استفاده از تجهیزات اتصال دهنده استاندارد، از ضریب اطمینان بالایی نیز برخوردار است ترانسفورماتورهای تقویت جریان با فواصل 5 کیلومتر از یکدیگر، در مسیر خطوط راه آهن و بر روی فیدر نصب می ‌گردند. این نوع ترانسفورماتورها را می‌ توان هم بر روی تیر و هم بر روی زمین نصب کرد. از بوستر فورمر ممکن است در کشورهای زیادی برای منابع تغذیه مختلف استفاده گردد. اکنون تعدادی از این نوع تراسفورماتورها برای منابع تغذیه راه آهن کشورهای اروپای شمالی در حال ساختند.

ترانسهای جریان برای نمونه گیری جریان به نسبت گذر جریان از سیم پیچ اولیه خود و القای آن در سیم پیچ ثانویه کاربرد دارند. اینترانسفورمرها برای حفاظت و اندازه گیری در ابتدای توانراه های ورودی به پستها و همچنین در ورودی ترانس توان و ورودی ثانویه ترانس و همچنین در خروجی های پست و نقاط کلیدی دیگر که نیاز است جریان در آن نقطه تحت نظر باشد به کار گرفته می شود که هر کدام از این نقاط با ترانس ویژه به خود چه از نظر جداگری و ساختمان و چه از دید نیرو و دقت (ریزسنجی) ، نصب و به کار برده می شوند. ترانسفورماتور جریان از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه پدید آمده که جریان واقعی در پست از اولیه گذر نموده و در پی گذر این جریان و فراخور آن، جریان کمی (نزدیک به چند آمپر) در ثانویه پدید می‌آید. ثانویه این ترانسها با اندازه کمتری از اولیه خود که تا حد بسیار بالایی همه ویژگیهای جریان در سیم پیچ اولیه خود را دارد به ابزار فشار ضعیف پست و رله ها و نشان دهنده ها متصل می شوند. ثانویه این ترانسها دارای سیم پیچ با دورهای بیشتری نسبت به اولیه است که اغلب تنهاشامل یک شمش و یا چند دور از شمش است ساخته می شود .نکته ای که قابل ملاحظه و چشمگیر است ، اندازه در تعداد دور سیم پیچ است که باید به نسبت خواسته شده رسید . در ثانویه سیم های دور هسته سیم های لاکی هستند . هسته های حفاظتی بدون در نظر داشتن تصحیح دور ساخته می شوند ولی در هسته های اندازه گیری برای رسیدن به بارها و دقت های مورد نیاز تصحیح دور انجام میشود .اندازه بار در ثانویه ، از نکته های دیگر است که در طراحی برینه(سطح مقطع) سیم پیچ سودمند است .این ترانسها هم باید در حالت و شرایط عادی و هم در شرایط اضطراری مانند جریان زیاد و یا هر خطایی که ممکن است پدید آید توانایی اندازه گیری ونمونه گیری جریان را داشته باشد . یکی ازمهمترین نمونه ها در ساختمان یک ترانس جریان ، تفاوت ولتاژ بسیار بالا بین اولیه و ثانویه می‌باشد زیرا ولتاژ اولیه همان ولتاژ نامی پست است، با اینکه ولتاژ ثانویه خیلی پایین می‌باشد که با توجه به این مورد بایستی بین اولیه و ثانویه ایزولاسیون کافی وجود داشته باشد. ترانسفورماتورهای جریانی که در پست‌های فشارقوی به کار گرفته می‌شوند، دارای جداساز کاغذ و روغن (همزمان) می‌باشند.

ترانسفورماتور ولتاژ یا اصطلاحاً (VT( PTترانسفورماتور خاصی است که اولیهﺍی با ولتاژ زیاد و ثانویهﺍی با ولتاژ کم دارد. توان نامی این ترانسفورماتور بسیار کم است، و تنها هدف آن فراهم کردن نمونهﺍی از ولتاژ سیستم قدرت برای دستگاههای اندازهگیری و کنترل است. چون ترانسفورماتور ولتاژ به منظور نموﻧهگیری ولتاژ به کار می‌رود، باید بسیار دقیق باشد تاموجب اعوجاج ولتاژهای واقعی نشود. ترانسفورماتورهای ولتاژ از لحاظ دقت در کلاسهای مختلفی ساخته می‌شوند و هنگام خرید باید با توجه به دقت مورد نیاز در اندازهگیری به این کلاسها توجه کرد. دو سر خروجی ترانس ولتاژ برخلاف ترانس جریان هیچ گاه نباید اتصال کوتاه شود.