ترانسفورماتورها — اصول کار، انواع و کاربردها در صنعت برق
مقدمه
ترانسفورماتورها (Transformers) از جمله تجهیزات اساسی در سیستم‌های قدرت و الکترونیک هستند که نقش کلیدی در انتقال و توزیع انرژی الکتریکی ایفا می‌کنند. این دستگاه‌ها با استفاده از القای الکترومغناطیسی، ولتاژ جریان متناوب (AC) را افزایش یا کاهش می‌دهند و به این ترتیب تلفات انرژی را در خطوط انتقال به حداقل می‌رسانند. در این مقاله، به بررسی اصول عملکرد، انواع ترانسفورماتورها، اجزای تشکیل‌دهنده و کاربردهای آن‌ها می‌پردازیم.
—
۱. اصول کار ترانسفورماتور
ترانسفورماتور بر اساس القای متقابل (Mutual Induction) بین دو سیم‌پیچ (اولیه و ثانویه) عمل می‌کند. این سیم‌پیچ‌ها حول یک هسته مغناطیسی (معمولاً آهنی یا فریتی) پیچیده شده‌اند. هنگامی که جریان متناوب از سیم‌پیچ اولیه عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می‌شود که در سیم‌پیچ ثانویه ولتاژ القا می‌کند.
رابطه اصلی ترانسفورماتور:
\[
\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2}
\]
– \(V_1\) و \(V_2\): ولتاژ اولیه و ثانویه
– \(N_1\) و \(N_2\): تعداد دور سیم‌پیچ اولیه و ثانویه
اگر \(N_2 > N_1\) باشد، ترانسفورماتور افزاینده (Step-up) و اگر \(N_2 < N_1\) باشد، ترانسفورماتور کاهنده (Step-down) است.
—
2. انواع ترانسفورماتورها
ترانسفورماتورها را می‌توان بر اساس کاربرد، ساختار و نوع خنک‌کنندگی به دسته‌های زیر تقسیم کرد:
الف) ترانسفورماتورهای قدرت (Power Transformers)
– در شبکه‌های انتقال و توزیع برق استفاده می‌شوند.
– ولتاژهای بالا (چند کیلوولت تا چند صد کیلوولت) را تبدیل می‌کنند.
– معمولاً در نیروگاه‌ها و پست‌های برق نصب می‌شوند.
ب) ترانسفورماتورهای توزیع (Distribution Transformers)
– برای کاهش ولتاژ به سطح مصرف خانگی و صنعتی (مثلاً ۲۰kV به ۴۰۰V) استفاده می‌شوند.
– در مناطق شهری و روستایی نصب می‌گردند.
ج) ترانسفورماتورهای ایزوله (Isolation Transformers)
– برای جداسازی مدارهای الکتریکی و جلوگیری از نویز استفاده می‌شوند.
– در تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی کاربرد دارند.
د) ترانسفورماتورهای خودکار (Autotransformers)
– تنها یک سیم‌پیچ دارند که هم نقش اولیه و هم ثانویه را ایفا می‌کند.
– بازدهی بالاتری دارند اما ایزوله نیستند.
ه) ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری (Instrument Transformers)
– شامل ترانسفورماتورهای جریان (CT)و ترانسفورماتورهای ولتاژ (VT) هستند.
– برای اندازه‌گیری جریان و ولتاژ در سیستم‌های فشارقوی استفاده می‌شوند.
—
3. اجزای اصلی ترانسفورماتور
1. هسته (Core): معمولاً از ورقه‌های فولادی سیلیکونی ساخته می‌شود تا تلفات هیسترزیس کاهش یابد.
2. سیم‌پیچ‌ها (Windings): از جنس مس یا آلومینیوم ساخته می‌شوند.
3. سیستم خنک‌کننده (Cooling System):
– ترانسفورماتورهای خشک (Dry-type)
– ترانسفورماتورهای روغنی (Oil-immersed)
4. تپ چنجر (Tap Changer): برای تنظیم نسبت تبدیل ولتاژ استفاده می‌شود.
5. محفظه (Tank): در ترانسفورماتورهای روغنی، روغن به عنوان عایق و خنک‌کننده عمل می‌کند.
—
۴. کاربردهای ترانسفورماتور
– انتقال انرژی الکتریکی با کمترین تلفات
– توزیع برق شهری و صنعتی
– تأمین برق دستگاه‌های الکترونیکی (مثل منابع تغذیه)
– حفاظت از تجهیزات در برابر نوسانات ولتاژ
– استفاده در سیستم‌های راه‌آهن برقی و صنایع سنگین
—
۵. نتیجه‌گیری
ترانسفورماتورها یکی از حیاتی‌ترین تجهیزات در صنعت برق هستند که امکان انتقال کارآمد انرژی را فراهم می‌کنند. با توجه به پیشرفت‌های اخیر در فناوری، ترانسفورماتورهای هوشمند و کم‌تلفات در حال توسعه هستند که بازدهی سیستم‌های قدرت را افزایش می‌دهند. شناخت اصول عملکرد و انواع ترانسفورماتورها برای مهندسان برق و تکنسین‌های صنعتی ضروری است.
منابع:
– کتاب “ماشین‌های الکتریکی” چاپ دانشگاه صنعتی شریف
– استانداردهای IEEE برای ترانسفورماتورهای قدرت
– سایت وزارت نیرو و شرکت توانیر
