انواع ترانسفورماتور | به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، با اصول کار ترانسفورماتور آشنا شدیم. همچنین، درباره مدار معادل، بازده و تعیین پارامترهای این تجهیز الکتریکی مهم بحث کردیم. در این آموزش، انواع ترانسفورماتور را از جنبه‌های مختلف و به طور خلاصه معرفی خواهیم کرد.

ترانسفورماتور چیست؟

«ترانسفورماتور» (Transformer)، یکی از اجزای اساسی سیستم‌های قدرت الکتریکی است. این تجهیزات، اغلب برای تغییر سطوح ولتاژ مختلف به کار می‌روند. با استفاده از ترانسفورماتور می‌توان ولتاژ تولیدی نیروگاه‌ها را به سطح بهینه ولتاژ سیستم انتقال رساند و در نهایت برای سیستم توزیع تغییر داد.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی 1 در فرادرس

کلیک کنید

از ترانسفورماتور ولتاژ و جریان نیز به ترتیب برای اندازه‌گیری ولتاژها یا جریان‌های بسیار بزرگ استفاده می‌شود. تطبیق امپدانس و ایزوله کردن مدارها، از دیگر کاربرد ترانسفورماتورها است. ترانسفورماتورها بر اساس کاربرد، طراحی، ساخت و غیره انواع مختلفی دارند. در این آموزش در مورد مهم‌ترین انواع ترانسفورماتور بحث خواهیم کرد.

انواع ترانسفورماتور بر اساس جنس هسته

به طور کلی، ترانسفورماتورها بر اساس جنس هسته به دو نوع با هسته هوایی و با هسته آهنی تقسیم می‌شوند.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱ – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

ترانسفورماتور با هسته هوایی

در این نوع ترانسفورماتور از پلاستیک یا هوا به عنوان هسته اصلی استفاده می‌شود. سیم‌پیچ‌ها یا در اطراف هسته پلاستیکی پیچیده ‌شده‌اند یا هسته فیزیکی وجود ندارد و به عبارت دیگر هواست. هوا از نفوذپذیری مغناطیسی بسیار کمی برخوردار است. بنابراین، شار پیوندی بین سیم‌پیچ‌ها وجود ندارد، زیرا مسیر شار از طریق هوا برقرار است.

عدم وجود هسته مغناطیسی (مانند هسته آهنی) باعث کاهش تلفات هسته می‌شود، زیرا این تلفات با افزایش فرکانس زیاد می‌شود. ماده فرومغناطیس همچنین باعث ایجاد اعوجاج در سیگنال با فرکانس بالا می‌شود. بنابراین ترانسفورماتور با هسته هوایی برای جریان فرکانس رادیویی مناسب است. نکته مثبت دیگر ترانسفورماتور هسته هوایی این است که جرم سبکی داشته و برای دستگاه‌های الکترونیکی سیار مانند فرستنده رادیویی و غیره مناسب است.

ترانسفورماتور با هسته فرومغناطیس/آهنی

همان‌طور که از نام آن پیداست، این هسته ترانسفورماتور از مواد فرومغناطیسی ساخته شده است. یک هسته فرومغناطیسی در ترانسفورماتور برای افزایش میدان مغناطیسی آن استفاده می‌شود. شدت میدان مغناطیسی به نفوذپذیری مغناطیسی ماده مورد استفاده بستگی دارد. ماده فرومغناطیس رایج آهن است که در چنین ترانسفورماتورهایی استفاده می‌شود.

ترانسفورماتورهای هسته آهنی در کاربردهایی با بار سنگین و فرکانس پایین مانند منبع تغذیه استفاده می‌شوند. هسته آهنی شامل تلفات هسته وابسته به فرکانس از قبیل جریان گردابی و تلفات هیسترزیس است.

از ترانسفورماتورهای با هسته فرومغناطیس برای افزایش یا کاهش سطح ولتاژ AC استفاده می‌شود.

انواع ترانسفورماتور بر اساس تبدیل ولتاژ

ترانسفورماتورها بر اساس تبدیل سطح ولتاژ AC نیز به دو دسته افزاینده و کاهنده طبقه‌بندی می‌شوند.

ترانسفورماتور افزاینده

در چنین نوع ترانسفورماتورهایی، ولتاژ سیم‌پیچ ثانویه بزرگ‌تر از سطح ولتاژ‌ سیم‌پیچ اولیه است. این امر به این دلیل است که تعداد دور در سیم‌پیچ اولیه از تعداد دور در سیم‌پیچ ثانویه کمتر است.

ولتاژ خروجی ترانسفورماتور به نسبت تبدیل (نسبت تعداد دور سیم‌پیچ ثانویه به سیم‌پیچ اولیه) آن بستگی دارد. نسبت تبدیل ترانسفورماتور افزاینده بزرگ‌تر از یک است.

همان‌طور که می‌دانیم، توان ورودی و خروجی ترانسفورماتور یکسان است. این بدین معنی است که ترانسفورماتور افزاینده ولتاژ را افزایش می‌دهد، اما به همان اندازه جریان سیم‌پیچ ثانویه آن از جریان سیم‌پیچ اولیه‌اش کمتر است. بنابراین توان تغییر نمی‌کند.

ترانسفورماتور افزاینده عمدتاً در انتقال توان برای مسافت طولانی به منظور کاهش تلفات خط به کار می‌رود. تلفات خط به جریان آن بستگی دارد، بنابراین کاهش جریان (همزمان با افزایش ولتاژ) با استفاده از ترانسفورماتور افزاینده انجام می‌شود و تلفات را کاهش داده و سبب انتقال مؤثر توان خواهد شد.

در اجاق مایکروویو نیز از ترانسفورماتور افزاینده برای افزایش ولتاژ ضعیف (۱۱۰ یا ۲۲۰ ولت) به محدوده ۲۰۰۰ ولت استفاده می‌شود.

ترانسفورماتور کاهنده

ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ AC را کاهش می‌دهد، یعنی ولتاژ خروجی آن پایین‌تر از ولتاژ ورودی است. تعداد دور در سیم‌پیچ اولیه این نوع ترانسفورماتور از تعداد دور سیم‌پیچ ثانویه آن بیشتر است.

نسبت تبدیل ترانسفورماتور کاهنده کمتر از یک است.

رایج‌ترین ترانسفورماتورهای کاهنده ولتاژ را از خطوط برق ۱۱، ۲۰ و ۳۳ کیلوولت به ولتاژ استاندارد مصرف‌کننده برای لوازم خانگی تبدیل می‌کنند.

هر شارژر تلفن همراه از ترانسفورماتور کاهنده برای کاهش ولتاژ داخلی برای یکسوسازی استفاده می‌کند.

انواع ترانسفورماتور بر اساس کاربرد

بر اساس کاربرد، چهار نوع ترانسفورماتور وجود دارد.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی 1 – مرور و حل تست در فرادرس

کلیک کنید

ترانسفورماتور قدرت

این ترانسفورماتورها برای افزایش و کاهش ولتاژهای موجود در نیروگاه برای انتقال کارآمد برق به کار می‌روند.

همان‌طور که می‌دانیم، تلفات خط به جریان بستگی دارد. برای کاهش جریان خط، ولتاژ خط را با استفاده از ترانسفورماتور قدرت افزاینده زیاد می‌کنیم.

ولتاژ عملیاتی ترانسفورماتورهای قدرت بسیار بالا و اندازه آن‌ها نیز بسیار بزرگ است و در بار کامل با بازدهی نزدیک ۱۰۰ درصد کار می‌کنند.

ترانسفورماتور توزیع

از این ترانسفورماتورها برای توزیع برق به مصارف خانگی یا تجاری استفاده می‌شود. ترانس‌های توزیع ولتاژهای خط را به ولتاژ خانگی استاندارد پایین می‌آورند.

در مقایسه با ترانسفورماتور قدرت، ترانسفورماتورهای توزیع از نظر اندازه کوچک‌تر هستند و نصب آن‌ها نیز آسان است. این ترانسفورماتورها ولتاژ و توان کمتری دارند که معمولاً زیر 200MVA است. راندمان ترانسفورماتورهای توزیع زیر ۷۰ درصد باقی مانده است، زیرا هرگز در بار کامل کار نمی‌کنند.

ترانسفورماتور ایزولاسیون

از این نوع ترانسفورماتورها برای ایزوله‌سازی الکتریکی وسایل به منظور جلوگیری از برق‌گرفتگی استفاده می‌شود.

یک سر اولیه ترانسفورماتور ایزولاسیون زمین شده است. در این صورت، اگر کسی یک سیم یا هادی لخت را در سمت ثانویه لمس کند، گذر جریان وجود نخواهد داشت و مدار ناقص است زیرا پتانسیل زمین برابر با پتانسیل شخص خواهد بود.

ترانسفورماتورهایی با نسبت تبدیل ۱:۱ عمدتاً به عنوان ترانسفورماتور ایزولاسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما می‌توان آن‌ها را به صورت ترانسفورماتور کاهنده نیز طراحی کرد.

این ترانسفورماتورها با یک ماده عایق مخصوص بین سیم‌پیچ ساخته شده‌اند که می‌تواند ولتاژهای بالای AC را پشتیبانی کند و به دلیل تزویج خازنی آن، اجزای DC را کاملاً مسدود می‌کنند. یک سپر فارادی زمین شده بین سیم‌پیچ‌ها وجود دارد که هرگونه نویز یا تداخل را سرکوب می‌کند.

ترانس‌های ایزولاسیون برای اندازه‌گیری ایمن به منظور جلوگیری از ایجاد شوک الکتریکی یا اتصال دو مدار که نباید به صورت الکتریکی متصل شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترانسفورماتور ابزار دقیق

از این نوع ترانسفورماتور در اندازه‌گیری ولتاژ و جریان بالا استفاده می‌شود.

این ترانسفورماتورها ولتاژ و جریان را پایین می‌آورند و به یک محدوده ایمن می‌رسانند که به راحتی از طریق ابزارهای اندازه‌گیری معمولی اندازه‌گیری می‌شود.

دو نوع ترانسفورماتور ابزار دقیق (اندازه‌گیری) وجود دارد. ترانسفورماتور جریان و ترانسفورماتور ولتاژ.

ترانسفورماتور جریان

ترانسفورماتور جریان یا CT در اندازه‌گیری جریان‌های بسیار بزرگ استفاده می‌شود.

ترانسفورماتور ولتاژ

ترانسفورماتور ولتاژ‌ برای اندازه‌گیری ولتاژهای بالا استفاده می‌شود. برای انجام این کار، سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور در روی خطوط ولتاژ بالا متصل می‌شود. در طرف ثانویه نیز، تمام ابزارهای اندازه‌گیری مانند کنتور برای اندازه‌گیری و تحلیل سطح ولتاژ به متصل می‌شوند.

انواع مختلف ترانسفورماتورهای ولتاژ  به صورت زیر است:

• الکترومغناطیسی: سیم‌پیچی شده است.
• ترانسفورماتور ولتاژ خازنی (CVT): از مدار تقسیم ولتاژ خازن استفاده می‌کند.
• ترانسفورماتور نوری: بر اساس خاصیت الکتریکی مواد اپتیکی کار می‌کند.

ترانسفورماتور ابزار دقیق مدار اندازه‌گیری را از مدار توان بالا جدا می‌کند تا خطر شوک الکتریکی را کاهش دهد.

انواع ترانسفورماتور بر اساس سیم‌پیچ

ترانسفورماتورها بر اساس طرح سیم‌پیچ‌هایشان به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که در ادامه آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

ترانسفورماتور دو سیم‌پیچه

چنین ترانسفورماتورهایی برای هر فاز دو سیم پیچ جداگانه دارند. سیم‌پیچ اولیه و سیم‌پیچ ثانویه.

سیم‌پیچ اولیه به منبع متصل می‌شود و سیم‌پیچ ثانویه بار را تغذیه می‌کند. این دو سیم‌پیچ از نظر الکتریکی جدا هستند، اما تزویج مغناطیسی دارند.

نیروی محرکه الکتریکی القاشده در سیم‌پیچ ثانویه ناشی از تغییر شار مغناطیسی به دلیل تغییر جریان در سیم‌پیچ اولیه است که به عنوان القای متقابل شناخته می‌شود.

ولتاژ خروجی به نسبت دور دو سیم‌پیچ بستگی دارد و می‌تواند نسبت به ولتاژ‌ اولیه کاهش یا افزایش داشته باشد.

اتوترانسفورماتور

سیم‌پیچ اتوترانسفورماتور دارای سه سر است که دو تای آن‌ها ثابت هستند و یکی از آن‌ها متغیر است.

برای افزایش یا کاهش تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه می‌توان سر متغیر را جابجا کرد. بنابراین با این کار می‌توان ولتاژ خروجی را افزایش یا کاهش داد. از این کار در هر دو پیکربندی برای افزایش یا کاهش جریان و ولتاژ ورودی استفاده می‌شود.

اگر منبع تغذیه به پایانه‌های ثابت متصل باشد، ولتاژ خروجی می‌تواند کاهش یابد (کاهنده). در پیکربندی معکوس که منبع تغذیه به نقطه انشعاب متغیر متصل است، ولتاژ خروجی از ورودی فراتر خواهد رفت (افزاینده).

سیم‌پیچ ثانویه به صورت الکتریکی به اولیه وصل می‌شود، بنابراین هیچ عایق الکتریکی وجود ندارد و باعث کاهش شار نشتی مغناطیسی می‌شود.

نیرو محرکه الکتریکی (EMF) در سیم‌پیچ نیز به دلیل خودالقایی القا می‌شود. بنابراین ولتاژ خروجی نتیجه رسانایی (رسانش) و القا است.

انواع ترانسفورماتور بر اساس عایق

ترانسفورماتورها را بر اساس عایقی که استفاده می‌کنند، می‌توان به دو دسته خشک و روغنی تقسیم کرد.

ترانسفورماتور خشک

این نوع ترانسفورماتور فاقد سیستم خنک کننده مایع است. سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور از رزین اپوکسی پوشانده شده‌اند تا از نفوذ رطوبت در آن‌ها محافظت شود. بنابراین تنها محیط خنک‌کننده هوا است.

از آنجا که هوا عایق مناسبی نیست، بنابراین در ترانسفورماتور خشک از پیچه‌های بزرگ استفاده می‌شود تا دمای بالا جبران شود. این همان موضوعی است که به دلیل آن، ترانسفورماتورهای خشک محدوده‌های ولتاژ بالاتر از ۳۳ کیلوولت استفاده نمی‌شوند.

به دلیل وجود سیستم خنک‌کننده ضعیف ترانس‌های خشک، آن‌ها گرمای بیش از حدی دارند که طول عمرشان را کم می‌کند. علاوه بر این، برای اطمینان از گردش هوا، به بازرسی منظم نیاز دارند. ترانسفورماتورهای خشک در محیط داخلی استفاده می‌شوند، زیرا خطر آتش‌سوزی آن‌ها کمتر است.

ترانسفورماتور روغنی

این نوع ترانسفورماتورها از روغن قابل اشتعال برای خنک‌کاری استفاده می‌کنند. روغن نسبت به ترانسفورماتور نوع خشک سرمایش بهتری دارد و به همین دلیل از آن‌ برای ترانسفورماتورهای توان بالا در محیط‌های خشن بیرون استفاده می‌شود.

عیب ترانسفورماتورهای روغنی این است که به دلیل وجود مخزن روغن و سنسورهای مورد نیاز برای پایش رطوبت و غیره از نظر اندازه بسیار بزرگ هستند. روغن قابل اشتعال است، بنابراین ترانس‌های روغنی برای محیط داخلی مناسب نیستند.

انواع ترانسفورماتور بر اساس تعداد فاز

ترانسفورماتورها از نظر تعداد فاز به انواع ترانسفورماتور تک‌فاز و سه‌فاز تقسیم می‌شوند.

ترانسفورماتور تک‌فاز

ترانسفورماتور تک‌فاز یک ترانسفورماتور با دو سیم‌پیچ شامل یک سیم‌پیچ اولیه و یک سیم‌پیچ ثانویه است. ترانسفورماتور تک‌فاز در مواردی مانند اجاق مایکروویو، شارژر تلفن همراه و غیره استفاده می‌شود. این نوع ترانسفورماتورها دو ترمینال ورودی در سیم‌پیچ‌ اولیه و دو ترمینال خروجی متصل به سیم‌پیچ ثانویه دارند.

ترانسفورماتور سه‌فاز

ترانسفورماتور سه‌فاز دارای شش سیم‌پیچ است که سه تای آن‌ها سیم‌پیچ اولیه و سه تای دیگر سیم‌پیچ ثانویه برای هر فاز است. این ترانسفورماتور دارای 12 ترمینال (2 ترمینال برای هر فاز) است که با توجه به اتصال ستاره و مثلث، به طور مساوی در هر دو طرف تقسیم می‌شود. به جای ترانسفورماتور سه‌فاز می‌توان از سه ترانسفورماتور تک‌فاز استفاده کرد. ترانس‌های سه‌فاز برای انتقال و توزیع برق به کار می‌روند.

انواع ترانسفورماتور بر اساس طراحی هسته

بر اساس طراحی هسته، ترانسفورماتورها به دو نوع تقسیم می شوند.

ترانسفورماتور هسته‌ای

هسته این ترانسفورماتور به گونه ای طراحی شده است که دارای دو ساق است و هر یک سیم‌پیچ جداگانه (سیم‌پیچ اولیه و ثانویه) دارند. سیم‌پیچ‌ها بیشتر سطح را پوشش می‌دهند و هسته را احاطه می‌کنند. هسته از ورقه‌هایی به شکل L و تقریباً مربعی ساخته می‌شود.

تعمیر و نگهداری این نوع ترانسفورماتور به دلیل داشتن سیم‌پیچ‌های مجزا در مقایسه با نوع زرهی آسان‌تر است.

ترانسفورماتور زرهی

هسته این نوع ترانسفورماتور از آن از ورقه‌هایی به شکل E و I ساخته شده و شکل کلی آن مستطیلی است. هر دو سیم‌پیچ در حول ساق مرکزی و روی یکدیگر قرار می‌گیرند. سیم‌پیچ بخش اعظم هسته را احاطه می‌کند.

ترانسفورماتور دانه‌ای

این نوع ترانسفورماتور، در واقع یک ترانسفورماتور زرهی است که بسته به طراحی آن، شکل استوانه‌ای دارد. ترانسفورماتور دانه‌ای بیش از دو مدار مغناطیسی مستقل دارد، به عبارت دیگر، مدارهای مغناطیسی توزیع شده‌اند. این نوع ترانسفورماتور در شکل زیر نمایش داده شده است.