انواع ترانسفورماتور و کاربردهای ترانس

ترانسفورماتور (ترانس)، یکی از قدیمی ترین اختراعات در مهندسی برق است. ترانسفورماتور یک وسیله الکتریکی است که می تواند برای انتقال قدرت از یک مدار به مدار دیگر، بدون تماس فیزیکی و بدون تغییر مشخصه هایی نظیر فرکانس، فاز و غیره استفاده شود. ترانسفورماتور یک ابزار ضروری در هر مدار شبکه الکتریکی است و اساساً شامل دو مدار یعنی مدار اولیه و یک یا چند مدار ثانویه است. در این بحث، ما با انواع مختلف ترانسفورماتورها سروکار داریم.

انواع ترانسفورماتور:

چندین نوع ترانسفورماتور وجود دارد که در سیستم برق برای اهداف مختلف نظیر تولید برق، توزیع، انتقال و استفاده از جریان برق مورد استفاده قرار می گیرند. ترانس ها براساس سطح ولتاژ، هسته رسانش، محل قرارگیری سیم پیچ ها، نحوه استفاده و محل نصب آنها و … طبقه بندی می شوند. در این مقاله، در مورد انواع مختلف ترانس ها یعنی، ترانسفورماتورهای افزاینده و کاهنده، ترانس توزیع، پتانسیل، قدرت، ترانس 1-ϕ and 3-ϕ، ترانس خودکار و غیره بحث می کنیم.

                               

این ترانس ها، رایج ترین نوع ترانس مورد استفاده برای همه کاربردها می باشد. بسته به ضرایب ولتاژ از سیم پیچ های اولیه و ثانویه، این دستگاه براساس ترانسفورماتورهای افزاینده یا کاهنده طبقه بندی می شود.

الف- ترانسفورماتور افزاینده:
در این نوع ترانس همانگونه که از نامش مشخص است، ولتاژ ثانویه در مقایسه با ولتاژ اولیه، به نسبت افزایش می یابد. با افزایش تعداد سیم پیچ ها در سیم پیچ ثانویه نسبت به سیم پیچ اولیه، می توان به این امر دست یافت. در نیروگاه برق، این ترانس به عنوان ترانس اتصال ژنراتور به شبکه مورد استفاده قرار می گیرد.

ب- ترانسفورماتور کاهنده:
از این ترانس برای کاهش ولتاژ از سطح پایین تر به سطح بالاتر در قسمت ثانویه به کار می رود که به آن ترانسفورماتور کاهنده می گویند. چرخش سیم پیچ در سمت اولیه نسبت به سمت ثانویه، بیشتر است. در شبکه های توزیع، معمولاً از ترانسفورماتور کاهنده برای تبدیل شبکه ولتاژ بالا به ولتاژ پایین استفاده می شود که برای وسایل خانگی مورد استفاده قرار می گیرد.

براساس رسانش بین سیم پیچ اولیه و ثانویه، ترانسفورماتور ها به دو نوع “هسته هوایی” و “هسته آهنی” تقسیم بندی می شوند.

                                         


با توجه به ضرورت استفاده، ترانسفورماتورها به ترانسفورماتور قدرت، ترانسفورماتور توزیع، ترانسفورماتور اندازه گیری و ترانسفورماتور حفاظتی طبقه بندی بندی میشوند.

1-ترانسفورماتور قدرت: یک ترانس قدرت در درجه اول برای اتصال انرژی الکتریکی از یک خط تامین برق به یک سیستم مداری یا به یک یا به چند مولفه سیستم مورد استفاده قرار می گیرد.

2-ترانسفورماتور توزیع: ترانس توزیع نوع قطبی، برای تأمین مقادیر نسبتا کم برق ساکنان منازل استفاده می شود. از این ترانس در انتهای سیستم انتقال الکتریکی استفاده می گردد.

3-ترانسفورماتور اندازه گیری: از این ترانس ها، برای اندازه گیری مقادیر الکتریکی نظیر ولتاژ، جریان، توان یا قدرت و غیره استفاده می شود و به ترانس های پتانسیل، جریان و غیره طبقه بندی می گردد.

4-ترانسفورماتورهای حفاظتی: این نوع ترانس ها با هدف حفاظت از اجزا استفاده می شود. تفاوت اصلی بین ترانس های اندازه گیری و ترانس های حفاظتی، در دقت آنها است که ترانس های حفاظتی بایستی بسیار دقیق باشند.

 

1- اتو ترانسفورماتور یا واریابل
اتوترانسفورماتور یک نوع خاص از ترانسفورماتور قدرت است. این ترانسفورماتور شامل یک سیم پیچ پیوسته است که از یک طرف به لرزاننده متصل است تا عملکرد فزاینده یا کاهنده داشته باشد. این کار متفاوت از ترانسفورماتور دو سیم پیچ معمولی است که سیم پیچ اولیه و ثانویه به طور کامل از همدیگر جدا هستند اما به طور مغناطیسی به یک هسته مشترک متصل هستند. سیم پیچ های اتوترانسفورماتور، هر دو، هم به صورت الکتریکی و هم به صورت مغناطیسی به هم متصل می شوند. اتوترانسفورماتور در اصل ارزانتر از ترانس دو سیم پیچ مشابه است. همچنین تنظیمات بهتر (افت ولتاژ کمتر) و کارایی بیشتری دارد. به علاوه، می توان از آن برای بدست آوردن یک سیم خنثی سه رشته ای 240/120 ولتی، درست شبیه به سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور دو سیم پیچه استفاده کرد. اتوترانسفورماتور برای استفاده در مدارهای توزیع معمولی، نا امن تلقی می شود. این امر به این دلیل است که مدارهای اصلی ولتاژ بالا، مستقیماً به مدار ثانویه ی ولتاژ پایین متصل می گردد.

2- ترانسفورماتور ایزوله
ترانسفورماتور ایزوله، یک ترانس منحصر به فرد است. این ترانس، نسبت چرخش 1:1 دارد. بنابراین، ولتاژ را افزایش یا کاهش نمی دهد. در عوض، به عنوان یک وسیله ایمنی عمل می کند و از آن برای ایزوله کردن رسانای پایه از سیم برق از بدنه یا هر بخش از بار مدار استفاده می شود. استفاده از ترانس ایزوله، خطر یا شوک را در صورت تماس با سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور کاهش نمی دهد.

از لحاظ فنی، هر ترانس حقیقی، چه برای انتقال سیگنال یا برق مورد استفاده قرار گیرد یا نه، ایزوله کننده است، چرا که سیم پیچ اولیه و ثانویه آن، با رسانا متصل نیستند بلکه با القا متصل است. با این حال، تنها ترانس هایی که هدف اصلی آنها ایزوله کردن مدار باشد (برخلاف عملکرد ترانس های رایج در تبدیل ولتاژ)، به طور معمول ترانس ایزوله نامیده می شوند.

                                                          


3- ترانسفورماتور ابزاری
برای اندازه گیری مقادیر بالای جریان یا ولتاژ، استفاده از ابزارهای استاندارد اندازه‌گیری با محدوده پایین، بهتر است که به همراه آن، از ترانسفورماتورهای ابزاری که به طور خاص ساخته شده‌اند نیز استفاده می شود که ترانسفورماتور اندازه گیری نسبت دقیق نامیده می‌شود. یک ترانس اندازه گیری نسبت دقیق، کاری را همانند اسمش انجام می‌دهد. این دستگاه به یک ابزار متصل به اندازه‌گیری جریان یا ولتاژ اجازه می دهد تا بدون جریان کامل برق در ابزار، یک نسبت دقیق را برای ما تبدیل کند.

دو نوع ترانسفورماتور ابزاری داریم:

4- ترانسفورماتور جریان
یک ترانسفورماتور جریان دارای یک سیم پیچ اصلی با یک یا چند دور سیم ضخیم می باشد. این ترانس همیشه به صورت سری در مدار متصل می شود که جریان در آن اندازه گیری می شود. سیم پیچ دوم از تعداد دورهای زیادی تشکیل شده که همیشه باید در سرتاسر پایانه های آمپرسنج متصل باشد. دومین سیم پیچ ترانس جریان، هیچگاه نباید برای اتصال باز باشد. این امر به این دلیل است که سیم پیچ اولیه، به یک منبع ثابت متصل نیست. طیف وسیعی از ولتاژهای اولیه ممکن است وجود داشته باشد زیرا دستگاه می تواند به بسیاری از رساناها متصل باشد.

سیم پیچ ثانویه بایستی همیشه در دسترس باشد (مدار یا اتصال بسته) تا با سیم پیچ اولیه، تحت تاثیر قرار گیرد، تا مانع از آن شود که هسته کاملا مغناطیسی شود. اگر این اتفاق بیفتد، ابزار دیگر به درستی کار نخواهد کرد. ترانسفورماتورهای جریان، نوعی ترانسفورماتورهای ابزاری هستند. از آنها برای اندازه گیری جریانهای الکتریکی استفاده می شود.

5- ترانسفورماتور پتانسیل (مبدل ولت)
ترانس پتانسیل، یک ترانس کاهنده و به شدت دقیق است که به بسیار دقیق طراحی شده است. از آن معمولاً با ولت متر استاندارد 120 ولت استفاده می شود. با ضرب مقدار ولت متر (به نام خمش) در نسبت تبدیل، کاربر می تواند ولتاژ بالا را تعیین کند. نسبت های رایج تبدیل،  ۱۰: ۱، ۲۰: ۱، ۸۰: ۱، ۱۰۰: ۱، ۱۲۰: ۱ و حتی بالاتر هستند.

به طور کلی، یک ترانس پتانسیل بسیار شبیه به ترانس استاندارد دو سیم پیچ است، به جز اینکه این ترانسفورماتور مقدار کمی از برق را کنترل می کند. ترانسفورماتورها برای این سرویس، از نوع پوسته ای هستند چرا که این ساختار نشان داده که دقت بهتری را ارائه می دهند. ترانس های پتانسیل برای نظارت بر ولتاژهای خطی برق تک فاز و سه فاز در کاربردهای سنجش توان طراحی شده اند.