انواع ترانسفورماتور و مدار معادل آن

ترانسفورماتور ماشینی است که انرژی الکتریکی را از یک سطحی به سطح دیگر تبدیل می کند. ترانسفورماتور به منظور کاهش و ﻳﺎ اﻓﺰاﻳﺶ وﻟﺘﺎژ و ﻳﺎ ﺟﺮﻳﺎن ﺑﻜﺎر ﻣﻲ رود ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﻣﻲ ﺗﻮان ﮔﻔﺖ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﻣﺎﺷﻴﻨﻲ اﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﺎﻋﺚ اﻓﺰاﻳﺶ و ﻳﺎ ﻛﺎﻫﺶ ﺟﺮﻳﺎن و ﻳﺎ وﻟﺘﺎژ ﺷﺪه و ﺗﻮان و ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ را ﺗﻐﻴﻴﺮ ﻧﻤﻲ دﻫﺪ. عملکرد ترانسفورماتور به گونه ای است که در اثر القای مغناطیسی بین سیم پیچ ها انرژی الکتریکی از مدار سیم پیچ اولیه به ثانویه انتقال می یابد؛ به طوری که نوع انرژی و مقدار آن دچار تغییر نمی شود، اما ولتاژ و جریان تغییر می کند. بنابراین با صرف نظر از تلفات ترانس روابط زیر را داریم:

P1=P2   V1I1=V2I2     V1/V2=I2/I1=N1/N2

اصول کار ترانس بر اساس القای متقابل سیم پیچ هاست.

---

ساختمان ترانسفورماتور

ﺗﺮاﻧﺲ از ﻳﻚ ﻫﺴﺘﻪ آﻫﻨﻲ و دو ﻋﺪد ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺗﺸﻜﻴﻞ شده است : ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اوﻟﻴﻪ و ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ. ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اوﻟﻴﻪ ﺑﻪ ﺳﻴﻢ ﭘﻴچی اﻃﻼق ﻣﻲ ﺷﻮد ﻛﻪ ﺑﻪ ﻣﻨﺒﻊ ﻣﺘﺼﻞ ﺑﺎﺷﺪ و ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﻧﻴﺰ ﺑﻪ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭽﻲ اﻃﻼق می ﺷﻮد ﻛﻪ ﺑﻪ ﺑﺎر ﻣﺘﺼﻞ ﺑﺎﺷﺪ. 

هسته ترانس در واقع یک مدار مغناطیسی با حداقل فاصله هوایی و حداقل مقاومت مغناطیسی جهت عبور راحت فلوی مغناطیسی است. ساخت هسته ترانس به صورت ورقه-ورقه، و ضخامت ورقه ها حدود ۳/۰ میلی متر است. به طور کلی هسته ترانس باعث القای ولتاژ از اولیه به ثانویه می شود و در صورت عدم وجود هسته به خاطر پراکندگی مغناطیسی عمل القای ولتاژ انجام نمی شود.

ﺗﺮاﻧﺲ ﻫﺎ را در دو ﮔﺮوه اﻓﺰاﻳﻨﺪه و ﻛﺎﻫﻨﺪه ﻧﻴﺰ ﺗﻘﺴﻴﻢ ﺑﻨﺪی می نمایند. اﮔﺮ ﭼﻨﺎﻧﭽﻪ وﻟﺘﺎژ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ اوﻟﻴﻪ ﺑﻴشتر باشد اصطلاحاً ترانس را افزاینده گویند و اگر ولتاژ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﻛﻢ ﺗﺮ از وﻟﺘﺎژ اوﻟﻴﻪ ﺑﺎﺷﺪ ﺗﺮاﻧﺲ را ﻛﺎﻫﻨﺪه ﻣﻲ ﻧﺎﻣﻨﺪ.

به طور کلی ترانسفورماتور از چه اجزایی تشکیل شده است؟

• هسته
• سیم پیچ ها
• مخزن روغن
• رادیاتور
• بوشینگ های فشار قوی و ضعیف
• تپ چنجر و تابلوی مکانیزم آن
• تابلوی فرمان
• وسایل اندازه گیری و حفاظتی
• شیرها و لوله های ارتباطی
• وسایل خنک کننده
• ترانس جریان
• شاسی و چرخ و …

نحوه کار ترانسفورماتور

به طورکلی یک ترانسفورماتور بر دو اصل استوار است:

• جریان الکتریکی متناوب می تواند یک میدان مغناطیسی متغیر پدید آورد (الکترومغناطیس)
• یک میدان مغناطیسی متغیر در داخل یک حلقه سیم پیچ می تواند موجب به وجود آمدن یک جریان الکتریکی متناوب در یک سیم پیچ شود.

 همانطور که گفتیم ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر وﺳﻴﻠﻪ ای اﺳﺖ ﻛﻪ اﻧﺮژی اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ را ﺑﻪ وﺳﻴﻠﻪ دو ﻳﺎ ﭼﻨﺪ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ و از ﻃﺮﻳﻖ اﻟﻘﺎی اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ از ﻳﻚ ﻣﺪار ﺑﻪ ﻣﺪاری دﻳﮕﺮ ﻣﻨﺘﻘﻞ ﻣﻲ ﻛﻨﺪ. ﺑﻪ اﻳﻦ ﺻﻮرت ﻛﻪ ﺟﺮﻳﺎن ﺟﺎری در ﻣﺪار اول (اوﻟﻴﻪ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر) ﻣﻮﺟﺐ ﺑﻪ وﺟﻮد آﻣﺪن ﻳﻚ ﻣﻴﺪان ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ در اﻃﺮاف ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اول ﻣﻲ ﺷﻮد، اﻳﻦ ﻣﻴﺪان ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ ﺑﻪ ﻧﻮﺑﻪ ﺧﻮد ﻣﻮﺟﺐ ﺑﻪ وﺟﻮد آﻣﺪن ﻳﻚ وﻟﺘﺎژ در ﻣﺪار دوم ﻣﻲ ﺷﻮد ﻛﻪ ﺑﺎ اﺿﺎﻓﻪ ﻛﺮدن ﻳﻚ ﺑﺎر ﺑﻪ ﻣﺪار دوم این ولتاژ می تواند به ایجاد یک جریان در ثانویه بینجامد. قانون القاء

ﻣﻴﺰان وﻟﺘﺎژ اﻟﻘﺎ ﺷﺪه در ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ را ﻣﻲ ﺗﻮان ﺑﻪ وﺳﻴﻠﻪ ﻗﺎﻧﻮن ﻓﺎراده ﺑﻪ دﺳﺖ آورد:

در فرمول بالا V_S ولتاژ لحظه ای، N_S تعداد دورهای سیم پیچ در ثانویه و Φ برابر مجموع شار مغناطیسی است که از یک دور از سیم پیچ می گذرد. با توجه به این فرمول تا زمانی که شار در حال تغییر از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه عبور کند ولتاژ لحظه ای در اولیه یک ترانسفورماتور ایده آل از فرمول زیر بدست می آید:

و با توجه به تعداد دور سیم پیچ های اولیه و ثانویه و این معادل ساده می توان میزان ولتاژ القایی در ثانویه را بدست آورد:

 ولتاژ القا شده در ثانویه V_S و ولتاژ دو سر سیم پیچ اولیه V_P دارای یک نسبت با یکدیگرند که به طور ایده آل برابر نسبت تعداد دور سیم پیچ ثانویه به سیم پیچ اولیه است:

ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺑﺎ اﺧﺘﺼﺎص دادن اﻣﻜﺎن ﺗﻨﻈﻴﻢ ﺗﻌﺪاد ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﻫﺎی ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر، می ﺗﻮان اﻣﻜﺎن ﺗﻐﻴﻴﺮ وﻟﺘﺎژ در ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺗﺮاﻧﺲ را ﻓﺮاﻫﻢ ﻛﺮد. ﻳﻜﻲ از ﻛﺎرﺑﺮد ﻫﺎی ﺑﺴﻴﺎر ﻣﻬﻢ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎی ﻛﺎﻫﺶ ﺟﺮﻳﺎن ﭘﻴﺶ از ﺧﻄﻮط اﻧﺘﻘﺎل اﻧﺮژی اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ اﺳﺖ.

دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه هادی های الکتریکی دارای میزان مشخصی مقاومت الکتریکی هستند، این مقاومت می تواند موجب اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی شود. میزان تلفات در یک هادی یا مجذور جریان عبوری از هادی رابطه مستقیم دارد (P= I² × R).

بنابراین با کاهش جریان می توان تلفات را به شدت کاهش داد. ﺑﺎ اﻓﺰاﻳﺶ وﻟﺘﺎژ در ﺧﻄﻮط اﻧﺘﻘﺎل ﺑﻪ ﻫﻤﺎن ﻧﺴﺒﺖ ﺟﺮﻳﺎن ﺧﻄﻮط ﻛﺎﻫﺶ ﻣﻲ ﻳﺎﺑﺪ و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﻫﺰﻳﻨﻪ ﻫﺎی اﻧﺘﻘﺎل اﻧﺮژی ﻧﻴﺰ ﻛﺎﻫﺶ می ﻳﺎﺑﺪ، اﻟﺒﺘﻪ ﺑﺎ ﻧﺰدﻳﻚ ﺷﺪن ﺧﻄﻮط اﻧﺘﻘﺎل به مراکز مصرف برای بالا بردن ایمنی ولتاژ خطوط در چند مرحله و باز به وسیله ترانسفورماتورها کاهش می یابد تا به میزان استاندارد مصرف برسد. به این ترتیب بدون استفاده از ترانسفورماتورها امکان استفاده از منابع دور دست انرژی فراهم نمی آمد.

ترانسفورماتورها یکی از پربازده ترین تجهیزات الکتریکی هستند به طوری که در برخی ترانسفورماتورهای بزرگ راندمان به ۹۹٫۷۵ %  نیز می رسد.  امروزه از ترانسفورماتورها در اندازه ها و توان های مختلفی استفاده می شود. از یک ترانسفورماتور بند انگشتی که در یک میکروفن قرار دارد تا ترانسفورماتورهای غول پیکر چند گیگا ولت- آمپری، همه این ترانسفورماتورها اصول کار یکسانی دارند اما در طراحی و ساخت متفاوت هستند.

معادله عمومی EMF برای ترانسفورماتورها

اگر شار مغناطیسی را سینوسی در نظر بگیریم رابطه بین ولتاژ E، فرکانس منبع f، تعداد دور N، سطح مقطع هسته A و ماکزیمم چگالی مغناطیسی B از رابطه عمومی EMF و به صورت زیر به دست می آید:

مقاومت سیم پیچ ها

جریانی که در یک هادی جاری می شود با توجه به میزان مقاومت الکتریکی هادی می تواند موجب به وجود آمدن حرارت در محل عبور جریان شود. در ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﻫﺎی ﺑﺎﻻﺗﺮ اﺛﺮ ﺳﻄﺤﻲ و اﺛﺮ ﻣﺠﺎورت ﻧﻴﺰ ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﻨﺪ ﺗﻠﻔﺎت اضافی را در ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﺑﻪ وﺟﻮد آورﻧﺪ.

تلفات پسماند (هیسترزیس)

ﻫﺮ ﺑﺎر ﻛﻪ ﺟﻬﺖ ﺟﺮﻳﺎن اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﺑﻪ ﺧﺎﻃﺮ وﺟﻮد ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﻋﻮض ﻣﻲ ﺷﻮد ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﺟﻨﺲ ﻫﺴﺘﻪ، مقدار ﻛﻤﻲ اﻧﺮژی در ﻫﺴﺘﻪ ﺑﺎﻗﻲ ﻣﻲ ﻣﺎﻧﺪ. ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺑﺮای ﻳﻚ ﻫﺴﺘﻪ ﺑﺎ ﺟﻨﺲ ﺛﺎﺑﺖ اﻳﻦ ﻧﻮع ﺗﻠﻔﺎت ﺑﺎ ﻣﻴﺰان ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﺗﻨﺎﺳﺐ دارد و ﺑﺎ اﻓﺰاﻳﺶ ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﺗﻠﻔﺎت ﭘﺴﻤﺎﻧﺪ ﻫﺴﺘﻪ ﻧﻴﺰ اﻓﺰاﻳﺶ ﻣﻲ ﻳﺎﺑﺪ.

جریان گردابی

ﻣﻮاد ﻓﺮوﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺲ ﻣﻌﻤﻮﻻ ﻫﺎدی ﻫﺎی اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﺧﻮﺑﻲ ﻧﻴﺰ ﻫﺴﺘﻨﺪ و ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﻫﺴﺘﻪ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﺪ ﺟﺮﻳﺎن در ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻳﻚ ﻣﺪار اﺗﺼﺎل ﻛﻮﺗﺎه ﺷﺪه ﻋﻤﻞ ﻛﻨﺪ. ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﺣﺘﻲ ﺑﺎ اﻟﻘﺎی ﻣﻴﺰان ﻛﻤﻲ وﻟﺘﺎژ،جریان در هسته به ﺷﺪت ﺑﺎﻻ ﻣﻲ رود. اﻳﻦ ﺟﺮﻳﺎن ﺟﺎری در ﻫﺴﺘﻪ گذشته از به وجود آوردن تلفات الکتریکی موجب به وجود آﻣﺪن ﺣﺮارت در ﻫﺴﺘﻪ ﻧﻴﺰ ﻣﻲ ﺷﻮد.

ﺟﺮﻳﺎن ﮔﺮداﺑﻲ در ﻫﺴﺘﻪ ﺑﺎ ﻣﺠﺬور ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﻣﻨﺒﻊ راﺑﻄﻪ ﻣﺴﺘﻘﻴﻢ و ﺑﺎ ﻣﺠﺬور ﺿﺨﺎﻣﺖ ورق ﻫﺴﺘﻪ، راﺑﻄﻪ ﻣﻌﻜﻮس دارد. ﺑﺮای ﻛﺎﻫﺶ ﺗﻠﻔﺎت ﮔﺮداﺑﻲ در ﻫﺴﺘﻪ، هسته ﻫﺎ را ورﻗﻪ ورﻗﻪ ﻛﺮده و آﻧﻬﺎ را ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﻳﻜﺪﻳﮕﺮ ﻋﺎﻳﻖ ﻣﻲ ﻛﻨﻨﺪ. معمولاً برای کاهش جریان گردابی باید مطابق فرمول رلوکتانس مغناطیسی مانند زیر عمل کرد : 

 فرمول رلوکتانس:

برای کاهش جریان، مقاومت باید افزایش یابد.

• افزایش مقاومت با افزایش طول و یا کاهش سطح مقطع و یا انتخاب هسته با ضریب نفوذپذیری کم تر است.
• این کاهش جریان تنها با کاهش سطح مقطع در اثر لایه لایه کردن هسته ترانس اتفاق می افتد

تلفات مکانیکی

ﺑﻪ دﻟﻴﻞ وﺟﻮد ﺗﻐﻴﻴﺮ ﺷﻜﻞ ﺑﺮ اﺛﺮ ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺲ در ﻳﻚ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﺑﻴﻦ ﻗﻄﻌﺎت ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﻧﻮﻋﻲ ﺣﺮﻛﺖ ﺑﻪ وﺟﻮد ﻣﻲ آید اﻳﻦ ﺗﺤﺮک ﻧﻴﺰ ﺑﻪ ﻧﻮﺑﻪ ﺧﻮد موجب به وجود آمدن تلفات مکانیکی در ترانسفورماتور خواهد شد.

در ﺻﻮرﺗﻲ ﻛﻪ ﻗﻄﻌﺎت ﻣﻮﺟﻮد در ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﺑﻪ ﺧﻮﺑﻲ در ﺟﺎی ﺧﻮد ﻣﺤﻜﻢ ﻧﺸﺪه ﺑﺎﺷﻨﺪ، تحرکات ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ آﻧﻬﺎ ﻧﻴﺰ اﻓﺰاﻳﺶ ﻳﺎﻓﺘﻪ و در ﻧﺘﻴﺠﻪ ﺗﻠﻔﺎت ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ ﻧﻴﺰ اﻓﺰاﻳﺶ ﺧﻮاﻫﺪ ﻳﺎﻓﺖ.

ترانسفورماتور ایده آل

در ﻳﻚ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر اﻳﺪه آل ﺷﺎر ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ ﺗﻮﻟﻴﺪی ﺗﻮﺳﻂ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اول ﺑﻪ ﻃﻮر ﻛﺎﻣﻞ ﺗﻮﺳﻂ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ دوم ﺟﺬب ﻣﻲ ﺷﻮد. اﻣﺎ در واﻗﻊ ﺑﺨﺸﻲ از ﺷﺎر ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ در ﻓﻀﺎی اﻃﺮاف ﭘﺮاﻛﻨﺪه ﻣﻲ ﺷﻮد.

ﺑﻪ ﺷﺎری ﻛﻪ در ﺣﻴﻦ اﻧﺘﻘﺎل از ﻣﺴﻴﺮ ﺧﻮد ﺟﺪا می شود ﺷﺎر ﭘﺮاﻛﻨﺪﮔﻲ می گویند. این شار پراکندگی ﻣﻮﺟﺐ ﺑﻪ وﺟﻮد آﻣﺪن اثر ﺧﻮد اﻟﻘﺎ در ﺳﻴﻢ پیچ ها ﻣﻲ ﺷﻮد و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﻣﻮﺟﺐ ﻣﻲ شود ﻛﻪ در ﻫﺮ ﺳﻴﻜﻞ، انرژی در سیم ﭘﻴﭻ ذﺧﻴﺮه ﺷﺪه و در ﻧﻴﻤﻪ ﭘﺎﻳﺎﻧﻲ ﺳﻴﻜﻞ آزاد ﺷﻮد. اﻳﻦ اﺛﺮ ﺑﻪ ﻃﻮر مستقیم باعث اﻳﺠﺎد افت توان نخواهد شد اما به دلیل ایجاد اختلاف فاز موجب ایجاد مشکلاتی در تنظیم ولتاز خواهد شد.

و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺑﺎﻋﺚ ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ ﺗﺎ وﻟﺘﺎژ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ دﻗﻴﻘﺎً ﻧﺴﺒﺖ واﻗﻌﻲ ﺧﻮد ﺑﺎ وﻟﺘﺎژ اوﻟﻴﻪ ﺣﻔﻆ ﻧﻜﻨﺪ؛ اﻳﻦ اﺛﺮ ﺑﻪ وﻳﮋه در ﺑﺎرﻫﺎی ﺑﺰرگ ﺧﻮد را ﻧﺸﺎن ﺧﻮاﻫﺪ داد .ﺑﻪ ﻫﻤﻴﻦ دﻟﻴﻞ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎی ﺗﻮزﻳﻊ ﻃﻮری ﺳﺎﺧﺘﻪ ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ تا کمترین میزان تلفات پراکندگی را داشته باشند با این حال در برخی کاربردها، وجود تلفات پراکندگی بالا پسندیده است.

در این ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎ ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از روش ﻫﺎﻳﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ اﻳﺠﺎد ﻣﺴﻴﺮﻫﺎی ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ ﻃﻮﻻﻧﻲ، ﺷﻜﺎف ﻫﺎی ﻫﻮاﻳﻲ ﻳﺎ ﻣﺴﻴﺮﻫﺎی ﻓﺮﻋﻲ ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ اﻗﺪام ﺑﻪ اﻓﺰاﻳﺶ ﺷﺎر ﭘﺮاﻛﻨﺪﮔﻲ ﻣﻲ ﻛﻨﻨﺪ.

دﻟﻴﻞ اﻓﺰاﻳﺶ ﻋﻤﺪی ﺗﻠﻔﺎت ﭘﺮاﻛﻨﺪﮔﻲ در اﻳﻦ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎ ﻗﺎﺑﻠﻴﺖ ﺑﺎﻻی اﻳﻦ ﻧﻮع ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎ در ﺗﺤﻤﻞ اﺗﺼﺎل ﻛﻮﺗﺎه اﺳﺖ. از اﻳﻦ ﮔﻮﻧﻪ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎ ﺑﺮای ﺗﻐﺬﻳﻪ ﺑﺎرﻫﺎی دارای ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﻣﻨﻔﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ دستگاه های جوش (یا دیگر تجهیزات استفاده کننده از قوس الکتریکی)، لامپ های بخار جیوه و تابلوهای نئون یا ایجاد ایمنی در بارهایی که احتمال بروز اتصال کوتاه در آنها زیاد است استفاده می شود.

اﮔﺮ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺑﻪ ﻳﻚ ﺑﺎر ﻣﺘﺼﻞ ﺷﺪه ﺑﺎﺷﺪ ﺟﺮﻳﺎن در ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺟﺎری ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺗﻮان اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﺑﻴﻦ دو ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﻣﻨﺘﻘﻞ ﻣﻲ ﺷﻮد. ﺑﻪ ﻃﻮر اﻳﺪه آل ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﺑﺎﻳﺪ ﻛﺎﻣﻼً ﺑﺪون ﺗﻠﻔﺎت ﻛﺎر ﻛﻨﺪ و ﺗﻤﺎم ﺗﻮاﻧﻲ ﻛﻪ ﺑﻪ ورودی وارد ﻣﻲ ﺷﻮد ﺑﻪ ﺧﺮوﺟﻲ ﺑﺮﺳﺪ و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺗﻮان ورودی و ﺧﺮوﺟﻲ ﺑﺎﻳﺪ ﺑﺮاﺑﺮ ﺑﺎﺷﺪ و در اﻳﻦ ﺣﺎﻟﺖ دارﻳﻢ:

و همچنین در حالت ایده آل خواهیم داشت:

در نتیجه:

ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ اﮔﺮ وﻟﺘﺎژ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ از اوﻟﻴﻪ ﺑﺰرﮔﺘﺮ ﺑﺎﺷﺪ ﺟﺮﻳﺎن ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺑﺎﻳﺪ ﺑﻪ  ﻫﻤﺎن ﻧﺴﺒﺖ از ﺟﺮﻳﺎن اوﻟﻴﻪ ﻛﻮﭼﻜﺘﺮ ﺑﺎﺷﺪ ﻫﻤﺎﻧﻄﻮر ﻛﻪ در ﺑﺎﻻ اﺷﺎره ﺷﺪ در واﻗﻊ ﺑﻴﺸﺘﺮ ترانسفورماتورها راندمان بسیار بالایی دارند و به این ترتیب نتایج به دست آمده از این معادلات به مقادیر واقعی بسیار نزدیک خواهد بود.

مثال: در یک ترانس ۲۰۰۰ واتی که به ولتاژ ۲۰۰ ولت متصل می باشد جریانی در ثانویه معادل ۲ آمپر باری را تغذیه می کند. مطلوب است محاسبه جریان اولیه و ولتاژی که دو سر بار (ولتاژ ثانویه) بدست آورید.

مدار معادل ترانسفورماتور

ﻣﺤﺪودﻳﺖ ﻫﺎی ﻓﻴﺰﻳﻜﻲ ﻳﻚ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر واﻗﻌﻲ ﺑﻪ ﺻﻮرت ﻳﻚ ﻣﺪار ﻧﻤﺎﻳﺶ داده ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ. اﻳﻦ ﻣﺪار ﻣﻌﺎدل از ﺗﻌﺪادی از ﻋﻮاﻣﻞ ﺑﻪ وﺟﻮد آورﻧﺪه ﺗﻠﻔﺎت ﻳﺎ ﻣﺤﺪودﻳﺖ ﻫﺎ و ﻳﻚ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر اﻳﺪه آل ﺗﺸﻜﻴﻞ ﺷﺪه اﺳﺖ. ﺗﻠﻔﺎت ﺗﻮان در ﺳﻴﻢ پیچ یک ترانسفورﻣﺎﺗﻮر ﺑﻪ ﻃﻮر ﺧﻄﻲ ﺗﺎﺑﻌﻲ از ﺟﺮﻳﺎن ﻫﺴﺘﻨﺪ و ﺑﻪ راﺣﺘﻲ ﻣﻲ توانند آﻧﻬﺎ را ﺑﻪ ﺻﻮرت ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﻫﺎﻳﻲ سری با سیم پیچ های ترانسفورماتور نمایش داده شود؛ این مقاومت ها R_S و R_P هستند.

با بررسی خواص شار پراکندگی می توان آن را به صورت خود القاهای XP و XS نشان داد که به صورت سری با سیم پیچ ایده آل قرار می گیرند. تلفات آهنی از دو نوع تلفات گردابی (فوکو) و پسماند (هیسترزیس) تشکیل شده است.

در فرکانس ثابت این تلفات با مجذور شار هسته نسبت مستقیم دارند و از آنجایی که شار هسته نیز تقریباً با ولتاژ ورودی نسبت مستقیم دارد این تلفات را می توان به صورت مقاومتی موازی با مدار ترانسفورماتور نشان داد. این مقاومت همان R_C است.

هسته ای با نفوذپذیری محدود نیازمند جریان I_M خواهد بود تا همچنان شار مغناطیسی را در هسته برقرار کند. ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﺗﻐﻴﻴﺮات در ﺟﺮﻳﺎن ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺲ ﻛﻨﻨﺪه با تغییرات در شار مغناطیسی هم فاز خواهد بود و به دلیل اشباع پذیر بودن هسته، راﺑﻄﻪ ﺑﻴﻦ اﻳﻦ دو ﺧﻄﻲ ﻧﺨﻮاﻫﺪ ﺑﻮد. ﺑﺎ اﻳﻦ ﺣﺎل ﺑﺮای ﺳﺎده ﻛﺮدن اﻳﻦ ﺗﺎﺛﻴﺮات در ﺑﻴﺸﺘﺮ ﻣﺪارﻫﺎی ﻣﻌﺎدل اﻳﻦ راﺑﻄﻪ ﺧﻄﻲ در ﻧﻈﺮ گرفته می شود.

در منابع سینوسی شار مغناطیسی ۹۰ درجه از ولتاژ القایی عقب تر خواهد بود، بنابراین این اثر را می توان با القاگر X_M در مدار نشان داد که به طور موازی با تلفات آهنی هسته R_C و X_M را در برخی موارد با هم به صورت یک شاخه در نظر می گیرند و آن را شاخه مغناطیس کننده می نامند.

اگر سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور را مدار باز کنیم تمامی جریان عبوری از اولیه ترانسفورماتور جریان I خواهد بود که از شاخه مغناطیس کننده عبور خواهد کرد این جریان را جریان بی باری نیز می نامند.

مقاومت های موجود در طرف ثانویه یعنی R_S و X_S نیز باید به طرف اولیه منتقل شوند. این مقاومت ها در واقع معادل تلفات مسی و پراکندگی در طرف ثانویه هستند و به صورت سری با سیم پیچ ثانویه قرار می گیرند. مدار معادل حاصل را مدار معادل دقیق می نامند. اگر چه در این مدار معادل نیز از برخی ملاحظات پیچیده مانند ساخت انواع مختلف ترانسفورماتورها، به منظور رفع اهداف استفاده از آنها، در کاربردهای متفاوت می باشد.

انواع ترانسفورماتور

۱- انواع ترانسفورماتور از نظر نوع سیم پیچی

نوع اول: سیم پیچی روی یک هسته، اما سیم پیچ اولیه و ثانویه جداگانه در دو طرف هسته باشند.

نوع دوم: سیم پیچی ها روی یک هسته، اما سیم پیچ اولیه و ثانویه با هم و یک سیم پیچ هستند.(اتو ترانس)

دو ترانسفوماتور ویژه و یا اتصال ترانسفوماتوری وجود دارد که غالباً برای استفاده در موتورها مورد استفاده قرار می گیرد. عبارتند از:

۱) اتوترانسفوماتور

۲) اتصال اسکات یا T

 اتوترانسفورماتور

معمولاً به منظور تبدیل ولتاژ با نسبت کم و راه اندازی موتورهای القایی و هم چنین برای قدرت های بالا در سطح ولتاژ انتقال و … مورد استفاده قرار می گیرد. ترانسفورماتورهای زمین به منظور ایجاد نقطه صفر و زمین کردن نقطه صفر استفاده می شود.

در اتو ترانسفورماتور از یک سیم پیچ به عنوان اولیه و ثانویه استفاده می شود. اتو ترانسفوماتور می تواند از نوع افزاینده و یا کاهنده باشد. از اتوترانسفوماتور عموماً برای کنترل سرعت نوع ویژه ای از موتورها استفاده می شود.

دیاگرام سیم بندی اتوترانسفورماتور سه فاز با ۴ سیم

 اتصال اسکات یا T در تبدیل موتورهای دوفاز به سه فاز و برعکس

از اتصال T برای تبدیل موتورهای دوفاز به سه فاز و یا برعکس استفاده می شود. برای این منظور از اتوترانسفوماتور و یا ترانسفوماتور معمولی دو سیم پیچی استفاده می شود. اتصال اسکات در شکل زیر نشان داده شده است.

۲- انواع ترانسفورماتور از نظر کاربرد

ترانس قدرت

از ترانس قدرت برای تبدیل سطح ولتاژ در نیروگاه ها و پست های فشار قوی استفاده می شود. برای مثال : کوره های ذوب آلومینیوم

ترانس توزیع داخلی

ترانس توزیع داخلی برای  ایجاد نول جهت تشخیص خطای اتصال زمین و نامتعادلی مصرف بار فازها ترانس های توزیع در پست های زمینی و هوایی به  منظور توزیع انرژی د رسطح شهر و کارخانه ها استفاده می شود.

ترانس جریان CT

از ترانس جریان CT برای اندازه گیری جریان و حفاظت از مدار در برابر اضافه جریان یا اتصال کوتاه استفاده می گردد.

ترانس ولتاژ PT

اندازه گیری ولتاژ و و حفاظت ولتاژ با ترانس ولتاژ PT انجام می شود.

ترانس ولتاژ CVT

ترانس ولتاژ CVT برای اندازه گیری و حفاظت ولتاژ استفاده می شود و براساس تقسیم ولتاژ خازنی کار می کند. از این نوع ترانس به منظور تبادل سیگنال های مخابراتی در خطوط فشار قوی استفاده می شود.

ترانس تطبیق یا  maching 

از ترانس تطبیق برای حفاظت دیفرانسیل با مبدل و متعادل کردن جریان اولیه و ثانویه ترانس استفاده می شود.

۳- انواع ترانسفورماتور از نظر ماده عایق و خنک کننده

• ترانسفورماتورهای روغنی
• ترانسفورماتورهای خشک
• ترانسفورماتورهای با عایق گازی SF6

۴- انواع ترانس از نظر سیم بندی 

ترانس ها از لحاظ سیم بندی به صورت تک فاز، دو فاز و یا سه فاز هستند. در ترانس تک فاز از یک سیم فاز و از یک سیم زمین استفاده می شود و سیم پیچ ها به صورت تک فازند.

سیم بندی ترانس های قدرت، سه فاز است و سیم پیچ اولیه و ثانویه آن به دو حالت سه فاز هستند. به طور معمول در ترانس های با قدرت بالا به دلیل این که اندازه کوچک تر شود و حمل و نقل راحت تر، از سه ترانس تک فاز استفاده می شود. یعنی هر سیم پیچ جداگانه روی یک هسته پیچیده می شود.

انواع اتصال سیم پیچ ها در ترانسفورماتور

اتصال سیم پیچ های اولیه و ثانویه در ترانس معمولاً به صورت ستاره، مثلث و زیگزاگ است که از این نظر به چند دسته کلی زیر تقسیم بندی می شوند.

• اتصال ستاره-ستاره  Yy
• اتصال ستاره-مثلث  Yd
• اتصال مثلث-مثلث  Dd
• اتصال مثلث-ستاره  Dy
• اتصال ستاره ستاره با پیچک متعادل کننده (Yy (dt

اختلاف فاز میان ولتاژ اولیه و ثانویه ترانس به صورت مضربی از ۳۰ درجه نمایش داده می شود. به طور مثال اگر ترانسفورماتوری به صورت Yd5 نمایش داده شد یعنی اتصال سمت فشار قوی ستاره و سمت فشار ضعیف مثلث است، هم چنین اختلاف فاز بین ولتاژ اولیه و ثانویه ۱۵۰ درجه است.

با توجه به توضیحاتی که داده شد،هر یک از دسته ها می توانند ۱۲ گروه را شامل شوند. از میان انواع ترانسفورماتوری که می توان از نظر اختلاق فاز داشت، ۱۲ نوع ترانس زیر بیشترین کاربرد را دارند:

Dd0, Yy0, Dz0, Dy5, Yd5, Yz5, Dd6, Yy6, Dz6, Dy11, Yd11, Yz11

موازی کردن ترانسفورماتور

به طور معمول به منظور افزایش قدرت و بالا بردن ظرفیت در ایستگاه ها از چندین ترانس بهره می گیرند که این ترانس ها باید به صورت موازی با هم به یکدیگر متصل و در مدار قرار گیرند.

• شرایط موازی کردن ترانسفورماتورها:

• برابر بودن ولتاژ نامی اولیه و ثانویه ترانسفورماتورها
• هم گروه بودن ترانسفورماتورها
• برابر بودن امپدانس اتصال کوتاه ترانس ها
• متصل شدن فازهای هم نام
• برابر بودن نسبت تبدیل سیم پیچ های هر دو ترانس
• برابر بودن درصد ولتاژ امپدانس هر دو ترانس
• برابر بودن نسبت مقاومت معادل به راکتانس در هر دو ترانس

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید.