ترانسفورماتور چیست؟ معرفی انواع ترانسفورمر

ترانسفورماتور دستگاهی است که انرژی الکتریکی را از یک مدار جریان متناوب به یک یا چند مدار دیگر منتقل می‌کند و ولتاژ را یا افزایش می‌دهد (به اصطلاح “بالابر” یا “step-up”) یا کاهش می‌دهد (به اصطلاح “پایین‌بر” یا “step-down”). ترانسفورماتورها برای اهداف بسیار متنوعی به کار می‌روند؛ به عنوان مثال، برای کاهش ولتاژ مدارهای قدرت معمولی به منظور راه‌اندازی دستگاه‌های کم‌ولتاژ مانند زنگ درها و قطارهای برقی اسباب‌بازی، یا برای افزایش ولتاژ تولید شده توسط ژنراتورهای الکتریکی به‌منظور انتقال انرژی الکتریکی در مسافت‌های طولانی.

ترانسفورماتورها ولتاژ را از طریق القای الکترومغناطیسی تغییر می‌دهند؛ به این صورت که با افزایش و کاهش خطوط نیروی مغناطیسی (خطوط شار) همراه با تغییرات جریان عبوری از سیم‌پیچ اولیه، جریانی در سیم‌پیچ دیگری به نام سیم‌پیچ ثانویه القا می‌شود. ولتاژ ثانویه با ضرب ولتاژ اولیه در نسبت تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه به تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه محاسبه می‌شود که این مقدار به عنوان “نسبت دورها” شناخته می‌شود.

تاریخچه ترانسفورماتور

ایده اولیه ترانسفورماتور به آزمایش‌های مایکل فارادی در سال 1831 بازمی‌گردد، زمانی که او قانون القای الکترومغناطیسی را کشف کرد. بر اساس کتاب “Electricity and Magnetism” نوشته ادوارد پارسل، فارادی نشان داد که تغییر میدان مغناطیسی در یک سیم‌پیچ می‌تواند جریان الکتریکی را در سیم‌پیچ دیگری القا کند. این اصل اساسی بعدها توسط مخترعانی چون نیکولا تسلا و ویلیام استنلی در دهه 1880 برای ساخت ترانسفورماتورهای عملی به کار گرفته شد. اولین ترانسفورماتور تجاری در سال 1886 توسط استنلی در آمریکا معرفی شد که به انتقال برق در فواصل طولانی کمک کرد.

ترانسفورماتور چیست؟

ترانسفورماتور Transformer دستگاهی است که در انتقال قدرت الکتریکی استفاده می‌شود. جریان انتقالی AC (جریان متناوب) است. معمولاً برای افزایش یا کاهش ولتاژ تأمین بدون تغییر فرکانس AC بین مدارها استفاده می‌شود. ترانسفورماتور بر اساس اصول اولیه القای الکترومغناطیسی و القای متقابل کار می‌کند.

ضرورت ترانسفورماتور

معمولاً برق در سطح ولتاژ 11 کیلوولت تولید می‌شود. به دلایل اقتصادی، برق AC برای انتقال در مسافت‌های طولانی با ولتاژهای بسیار بالا مانند 220 کیلوولت یا 440 کیلوولت منتقل می‌شود. بنابراین، در ایستگاه‌های تولید برق از ترانسفورمر بالابر (step-up) استفاده می‌شود. اکنون به دلایل ایمنی، ولتاژ در پست‌های مختلف توسط ترانسفورمر پایین‌بر (step-down) به سطوح مختلف کاهش می‌یابد تا برق به مکان‌های مختلف ارسال شود و بدین ترتیب استفاده از برق در ولتاژ 400/230 ولت انجام می‌شود.

• اگر (V2 > V1) باشد، ولتاژ در سمت خروجی افزایش می‌یابد و به عنوان ترانسفورمر بالابر شناخته می‌شود.
• اگر (V2 < V1) باشد، سطح ولتاژ در سمت خروجی کاهش می‌یابد و به عنوان ترانسفورمر پایین‌بر شناخته می‌شود.

ساختار ترانسفورمر

ترانسفورمر عمدتاً از اجزای زیر تشکیل شده است:

• مدار مغناطیسی (شامل هسته، بازوها، یوغ و ساختار میرایی)
• مدار الکتریکی (شامل سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه)
• مدار دی‌الکتریک (شامل عایق‌ها در اشکال مختلف و استفاده‌شده در مکان‌های مختلف)
• مخزن و لوازم جانبی (کنسرواتور، تنفس‌گر، بوشینگ‌ها، لوله‌های خنک‌کننده و غیره)

انواع ترانسفورمر

انواع مختلف ترانسفورمرها در زیر توضیح داده شده‌اند:

1. موقعیت سیم‌پیچ‌ها نسبت به هسته

نوع هسته‌ای (Core type)
نوع پوسته‌ای (Shell type)

2. بر اساس نسبت تبدیل یا تعداد دورها در سیم‌پیچ‌ها

بالابر (Step-up)
پایین‌بر (Step-down)

3. انواع خدمات

ترانسفورمر قدرت (Power transformer)
ترانسفورمر توزیع (Distribution transformer)
ترانسفورمر ابزار (Instrument transformer)
ترانسفورمر جریان (Current transformer)
ترانسفورمر پتانسیل (Potential transformer)
اتوترانسفورمر (Auto-transformer)

4. بر اساس نوع تغذیه

تک‌فاز (Single-phase)
سه‌فاز (Three-phase)

5. بر اساس نوع خنک‌کننده

هوا طبیعی (AN) یا خود خنک‌شونده با هوا یا نوع خشک (Dry type)
هوا اجباری (AF) یا نوع انفجار هوا (Air Blast type)
روغن طبیعی هوا طبیعی (ONAN)
روغن طبیعی هوا اجباری (ONAF)
روغن اجباری هوا اجباری (OFAF)
روغن طبیعی آب اجباری (ONWF)
روغن اجباری آب اجباری (OFWF)

انواع دیگر

ترانسفورماتورها بر اساس کاربرد و طراحی به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند:

• ترانسفورماتورهای قدرت: این نوع که در نیروگاه‌ها و شبکه‌های انتقال برق استفاده می‌شود، برای افزایش یا کاهش ولتاژ در مقیاس بزرگ طراحی شده است. به گفته کتاب “Power System Analysis” نوشته جان گرینجر، این ترانسفورماتورها معمولاً با روغن خنک می‌شوند تا از گرمای بیش از حد جلوگیری شود.
• ترانسفورماتورهای توزیع: این ترانسفورماتورها ولتاژ را برای مصرف خانگی یا صنعتی کاهش می‌دهند و در اندازه‌های کوچک‌تر ساخته می‌شوند.
• ترانسفورماتورهای ایزوله: برای جداسازی الکتریکی و افزایش ایمنی در تجهیزات حساس استفاده می‌شوند.
• اتوترانسفورماتورها: این نوع تنها از یک سیم‌پیچ استفاده می‌کند و به دلیل کارایی بالا در برخی کاربردها ترجیح داده می‌شود.

اصول کار ترانسفورماتور

ترانسفورماتور بر اساس القای الکترومغناطیسی کار می‌کند. این دستگاه از دو سیم‌پیچ اصلی به نام‌های “اولیه” و “ثانویه” تشکیل شده است که روی یک هسته آهنی پیچیده شده‌اند. هنگامی که جریان متناوب از سیم‌پیچ اولیه عبور می‌کند، میدان مغناطیسی متغیری ایجاد می‌شود که از طریق هسته به سیم‌پیچ ثانویه منتقل می‌شود و در آن ولتاژ القا می‌کند. بر اساس مقاله‌ای از “IEEE Transactions on Power Delivery”، نسبت ولتاژ در دو سیم‌پیچ به تعداد دورهای آن‌ها بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر سیم‌پیچ ثانویه دو برابر سیم‌پیچ اولیه دور داشته باشد، ولتاژ خروجی دو برابر خواهد بود.

کاربردهای ترانسفورماتور

ترانسفورماتورها در زندگی روزمره و صنعت کاربردهای گسترده‌ای دارند. به عنوان مثال، در شبکه‌های برق، ولتاژ را از نیروگاه‌ها (که معمولاً در سطح چند کیلوولت تولید می‌شود) به صدها کیلوولت افزایش می‌دهند تا تلفات انرژی در خطوط انتقال کاهش یابد، سپس در مقصد دوباره آن را به سطوح قابل استفاده کاهش می‌دهند. بر اساس گزارش آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) در سال 2023، بیش از 90 درصد برق جهان از طریق سیستم‌هایی که به ترانسفورماتورها وابسته‌اند، منتقل می‌شود. همچنین، در لوازم خانگی مانند شارژرها و در تجهیزات پزشکی مانند دستگاه‌های MRI، ترانسفورماتورهای کوچک‌تر نقش کلیدی دارند.

پایه‌های اصلی تمدن مدرن

با وجود کارایی بالای ترانسفورماتورها، این دستگاه‌ها با چالش‌هایی مانند تلفات حرارتی و نیاز به تعمیر و نگهداری مواجه هستند. تحقیقات اخیر، مانند مقاله‌ای در “Journal of Electrical Engineering” در سال 2024، نشان می‌دهد که استفاده از مواد عایق پیشرفته و طراحی‌های هوشمند می‌تواند راندمان ترانسفورماتورها را تا 98 درصد افزایش دهد. همچنین، ترانسفورماتورهای حالت جامد (Solid-State Transformers) که از فناوری الکترونیک قدرت استفاده می‌کنند، در حال توسعه هستند و نویدبخش آینده‌ای کارآمدتر و انعطاف‌پذیرتر برای شبکه‌های برق هستند.

ترانسفورماتورها نه تنها یکی از پایه‌های اصلی تمدن مدرن هستند، بلکه با پیشرفت تکنولوژی همچنان در حال تکامل‌اند. از کشف اولیه فارادی تا نوآوری‌های امروزی، این دستگاه نشان‌دهنده قدرت علم و مهندسی در بهبود زندگی بشر است. با توجه به نقش بی‌بدیل آن‌ها در انتقال انرژی، سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه ترانسفورماتورها می‌تواند به پایداری و کارایی بیشتر سیستم‌های انرژی در آینده کمک کند.

منبع: ابرار صنعتی