پک آموزش رباتیک سورنو
پک ساختمانسازی تورنو
پک آموزش الکترونیک الینو
پک آموزش رباتیک برنا
پک آموزش الکترونیک سورنو
مجموعه آموزش الکترونیک شماره 2
بسته ساخت آسانسور با بدنه
کیت ربات تک کاره مسیریاب
شاید برای شما هم اتفاق افتاده باشد که در بالای دکل‌های برق، فلزات بزرگ مکعبی شکلی را دیده باشید. این فلزات با متعلقاتشان ترانسفورماتور نامیده می‌شوند. کار آنها تبدیل ولتاژ متناوب (AC) می‌باشد. در این نوشته از بلاگ بهنام رباتیک می‌خواهیم با کاربرد ترانسفورماتور و انواع ترانسفورماتور که در مجموعه‌های مختلف استفاده می‌شوند، آشنا شویم؛ پس با ما همراه باشید.
فرض کنید که یک سیم پیچ موجود است که با جریان AC تغذیه می‌شود. این جریان متناوب در سیم پیچ، باعث ایجاد تغییر پیوسته در شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ به حول آن می‌شود. حال اگر یک سیم پیچ دیگری در کنار این سیم پیچ قرار بگیرد، طبیعتاً همین شار مغناطیسی از سیم پیچ دوم نیز می‌گذرد.
بر اساس قانون فارادی و از آنجا که این شار مغناطیسی دائماً از نظر دامنه و جهت در حال تغییر است، باعث القاء یک ولتاژ نیرو محرکه در سیم پیچ دوم می‌شود. اگر خروجی‌های سیم پیچ دوم در یک مدار بسته شده باشند، بایستی یک جریان متناوب در این سیم پیچ ایجاد گردد.
اگر تلفات حرارتی و داخلی این سیم پیچ‌ها را صفر و همچنین نفوذپذیری مغناطیسی در هر دو سیم پیچ را بینهایت فرض نماییم، جریان ایجاد شده در سیم پیچ دوم دقیقاً معادل جریان سیم پیچ اول می‌باشد.
در اینجا می‌بینیم که انرژی الکتریکی به انرژی مغناطیسی و دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل شده بنابراین از این مسئله می‌توان استفاده‌های زیادی در صنعت برق نمود. این ساده‌ترین تعریف از ترانس‌های الکتریکی قدرت است.
حال برای آشنایی بیشتر با انواع ترانسفورمرها شما را با برخی مفاهیم مهم در ترانس آشنا می‌کنیم.
تفاوت بین ترانس، ترانسفورماتور و ترانسفورمر
شاید در اینترنت و یا زندگی روزمره خود نام ترانس یا ترانسفورمر یا ترانسفورماتور را شنیده باشید و این سؤال برایتان ایجاد شده باشد که چرا این دستگاه با سه نام مختلف در ایران شناخته می‌شود؟ ریشه این نامگذاری‌ها در چیست؟
لغت ترانسفورمر (Transformer) به معنای تبدیل‌کننده می‌باشد و از این رو این دستگاه در زبان انگلیسی ترانسفورمر نامیده شده زیرا کار تبدیل برق ضعیف به قوی را انجام می‌دهد.
اما جالب است بدانید که لغت ترانسفورماتور اصلاً در زبان انگلیسی وجود ندارد و یک لغت آلمانی است. در حقیقت آلمانی ها به ترانسفورمر، تراسنفورماتور می‌گویند و از آن‌جایی که سالیان سال است که کمپانی‌های مطرح آلمان مانند زیمر که در زمینه تولید ترانس هستند محصولات خودشان را به بازار ایران عرضه می‌کنند، لغت ترانسفورماتور وارد بازار صنعت ایران شده است.
در این میان، چون تلفظ دو کلمه ترانسفورمر و ترانسفورماتور کمی طولانی و سخت است، اکثراً در بازار ایران این کلمه را ترانس می‌نامند.
اما این سه لغت هیچ تفاوتی باهم ندارند بنابراین موارد کاربرد ترانسفورماتور در صنعت، همان کاربرد ترانس و ترانسفورمر است.
سیم پیچ اولیه چیست؟
سیم پیچی که به برق منبع تغذیه متصل است و شار اصلی را تولید می‌کند، سیم پیچ اولیه می‌نامیم. در سمت دیگر، سیم پیچی که طی القای شار مغناطیسی توسط سیم پیچ اولیه، ولتاژ نیرو محرکه‌ای در دو سر آن القا شده است را سیم پیچ ثانویه می‌نامند.
سیم پیچ یا القاگر چیست؟ و چه کاربردی دارد؟
نفوذپذیری مغناطیسی
تعاریفی که در بالا برای تعریف انواع ترانسفورماتور ارائه کردیم، از نظر عملی قابل انجام نیستند. نفوذپذیری مغناطیسی دقیقاً معادل رسانایی فلزات برای جریان الکتریکی می‌باشد. هر چه نفوذپذیری مغناطیسی یک جسم بالا باشد، میزان انرژی مغناطیسی که می‌تواند از خود عبور بدهد، دارای کمترین تلفات و هدررفت خواهد بود.
از آنجا که هوا دارای نفوذپذیری مغناطیسی بسیار کمی است، همواره مقدار ناچیزی از شار مغناطیسی سیم پیچ اول در سیم پیچ دوم القا می‌شود.
از طرفی جریان ایجاد شده در سیم پیچ دوم، به شار القا شده در آن وابسته است. در نتیجه، این جریان القا شده در سیم پیچ دوم نیز به خاطر شار القا شده کمتر نسبت به سیم پیچ اول، ناچیز می‌باشد.
این مشکل را می‌توان با قرار دادن یک هسته که دارای ضریب نفوذپذیری بالا و مقاومت مغناطیسی پایینی می‌باشد و در بین مسیر شار القا شده بین آنها جای گرفته، برطرف نمود.
بنابراین می‌توان اجزای تشکیل‌دهنده ترانسفورمر را به سه دسته تقسیم کرد؛
سیم پیچ اولیه ترانسفورمر که شار اصلی ترانسفورماتور را تولید می‌کند و به منبع تغذیه AC متصل است.
هسته اصلی ترانسفورماتور که شار مغناطیسی اصلی را از سیم پیچ اول به سیم پیچ دوم انتقال می‌دهد.
سیم پیچ دوم ترانسفورمر که شار دریافتی از سیم پیچ اولیه را دریافت و نیرو محرکه ناشی از آن به دو سر آن وارد می‌شود.
چند مثال از نسبت تبدیل ولتاژ
در جدول زیر چند نمونه از نسبت تغییر ولتاژ در ترانسفورماتورها را که در تناسب با نسبت دورهای سیم پیچ‌های آن است را مشاهده می‌کنید:
|
ولتاژ اولیه |
ولتاژ ثانویه |
نسبت دور سیم پیچ‌ها |
|
480 |
240 |
2/1 |
|
480 |
120 |
4/1 |
|
480 |
24 |
20/1 |
|
600 |
120 |
5/1 |
|
600 |
208 |
2.88/1 |
|
208 |
120 |
1.73/1 |
انواع ترانسفورماتورها
ترانسفورماتورها را می‌توان از جهات مختلفی از جمله نیاز، کاربرد، نحوه ساخت و . . . دسته‌بندی کرد.
1) کاربرد ترانسفورماتورهای افزاینده ولتاژ و کاهنده ولتاژ
از ترانسفورماتورها جهت تبدیل ولتاژ استفاده می‌شود. به عنوان مثال، برای افزایش ولتاژ در سیم پیچ ثانویه، کافیست که تعداد حلقه‌های سیم پیچ ثانویه را کمتر از سیم پیچ اولیه در نظر بگیریم. به این نوع ترانس، افزاینده می‌گویند.
به همین ترتیب، برای کاهش ولتاژ در سیم پیچ ثانویه، بایستی تعداد حلقه‌های سیم پیچ را بیشتر از سیم پیچ اولیه در نظر بگیریم. دقت کنید که ولتاژ ثانویه با نسبت تعداد دور سیم پیچ آن به اولیه، نسبت عکس دارد.
نکته مهم در این ترانسفورماتورها این است که بدون در نظرگیری تلفات، همواره توان ورودی و خروجی آنها با هم برابر است. در نتیجه، اگر ولتاژ در جهت ثانویه افزایش یابد، جریان ثانویه نیز به همان نسبت کاهش می‌یابد.
از این ترانسفورماتورها در سیستم انتقال قدرت و همچنین لوازم خانگی و . . . استفاده فراوانی می‌شود.
2) کاربرد ترانسفورماتورهای ولتاژ سه فاز و تک فاز
در صنایع به علت به صرفه بودن از لحاظ بازده الکتریکی و همچنین قیمت پایین‌تر، از ترانسفورماتورهای سه فاز بیشتر از ترانسفورماتورهای تک فاز استفاده می‌شود اما در مواردی که دسترسی به ترانسفورمر سه فاز میسر نیست، از ترانس تک فاز بهره گرفته می‌شود.
3) کاربرد ترانسفورماتورهای سیستم قدرت (توزیع)
ترانسفورماتورهای قدرت، ترانس‌هایی با ظرفیت‌های ولتاژ و جریان بالایی هستند که عموماً در صنعت انتقال و توزیع برق مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ترانسفورمرها به صورت افزاینده و یا کاهنده ولتاژ به کار می‌روند.
همانطور که می‌دانید، هر چه جریان در مدار بیشتر باشد، مقاومت در برابر عبور جریان بیشتر می‌شود. همچنین، برای جریان بیشتر، نیاز به سیم‌های بسیار ضخیمی خواهیم داشت که از نظر اقتصادی برای انتقال قدرت گزینه مناسبی نیستند.
به عبارت دیگر، هرچه ولتاژ بیشتر باشد، جریان کمتری لازم است که از سیم بگذرد پس هم مقاومت در برابر عبور جریان و هم قطر سیم کاهش می‌یابند. با این وجود، این روش یک مشکل بزرگ نیز خواهد داشت. مثلاً اگر شما در کنار سیمی که با ترانس ولتاژ آن به چند کیلو ولت رسیده بایستید، احتمال زیاد بدون اینکه حتی به سیم دست بزنید، برق شما را بگیرد! به همین دلیل است که دکل‌های انتقال برق را با فاصله و در ارتفاع زیاد قرار می‌دهند.
برای کاهش تلفات انرژی و داشتن صرفه اقتصادی، از ترانسفورماتورهای افزاینده برای انتقال انرژی به محل‌های مصرف و از آنجا با یک ترانسفورماتور کاهنده، جهت کاهش ولتاژ به مقدار مورد نیاز برای مصارف صنعتی و خانگی استفاده می‌شود.
4) کاربرد ترانسفورماتورهای دو سیم پیچ و اتوترانس‌ها
عموماً انواع ترانسفورماتورها به صورت دو سیم پیچ طراحی می‌شوند که از آنها برای مواقعی که نسبت تبدیل ولتاژ بالا به ولتاژ پایین بیش از 2 می‌باشد، استفاده می‌شود.
در نسبت‌های پایین تر از 2 بهتر است از اتوترانس‌ها استفاده شود. اتوترانس‌ها نوعی از ترانسفورماتورهایی هستند که سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه آنها به طور مشترک می‌باشند. این یعنی در ساختار کلی آنها، از یک سیم پیچ استفاده شده است.
5) کاربرد ترانسفورماتورهای قابل‌استفاده در فضای باز و فضای بسته
در زمان طراحی ترانسفورماتورها، محیطی که ترانسفورمر قرار است در آنجا کار کند، مهم است. ترانسفورماتورها می‌توانند برای محیط بیرون و داخل مورد استفاده قرار بگیرند. به همین خاطر شیوه طراحی آنها در هر دو حالت متفاوت است.
6) انواع ترانسفورماتورهای خنک‌شونده با روغن یا بدون روغن
از آنجا که در تمامی لوازم الکترونیکی و برقی، تلفات در مدار امری اجتناب‌ناپذیر است، ترانسفورماتورها نیز از این امر مستثنی نیستند.
این تلفات همواره با بروز حرارت از خود همراه هستند که در صورت انتقال ندادن این حرارت به بیرون از محفظه ترانسفورماتور، ترانس آسیب می‌بیند. پس بایستی سیستمی جهت انتقال این حرارت به بیرون برای سیستم طراحی کرد. طبیعتاً اگر ترانسفورماتور در محیط آزاد باشد، کنترل دمای آن نسبت به ترانسفورماتورهایی که در محیط بسته هستند، امری آسان‌تر خواهد بود.
در ترانسفورمرهای با توان بالا، تلفات با حرارت بسیار بالایی همراه است که کنترل دمای آن با تهویه‌های پرقدرت هوایی نیز امکان پذیر نمی‌باشد. بنابراین برای خنک کردن ترانسفورماتور، از روش عبور روغن از محفظه‌های داخلی ترانسفورمر و خنک شدن آن در بیرون ترانسفورماتور، استفاده می‌شود.
از طرفی، خودِ روغن نیز یک ماده نارسانا است که به بهره‌وری و کاهش تلفات الکتریکی ترانسفورماتور نیز کمک می‌کند. در ترانس‌های با توان بسیار بالا، از آب به عنوان ماده ثانویه برای خنک شدن روغن داغ نیز استفاده می‌کنند.
سخن پایانی
شاید ترانسفورماتور برای شما زیاد نام آشنا نباشد اما در هر وسیله برقی از جمله شارژر گوشی موبایلتان، تلویزیون، دستگاه‌های دیجیتال، تقویت‌کننده‌های آنتن و . . . ، از ترانسفورماتور استفاده شده است. به علاوه، در سیستم‌های برق قدرت نیز ترانسفورماتورها به کار گرفته می‌شوند.
سؤالات متداول در مورد ترانسفورماتورها
ترانسفورمر نام انگلیسی دستگاه تبدیل برق ضعیف به قوی است در حالی که به همین دستگاه در آلمان ترانسفورماتور گفته شده و در ایران به طور اختصار ترانس نامیده می‌شود.
ترانسفورمر با بهره‌گیری از دو سیم پیچ در ساختار داخلی خود، انرژی الکتریکی را به انرژی مغناطیسی و دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
کاربرد اصلی ترانسفورماتورها، تبدیل ولتاژ می‌باشد. این دستگاه با توجه به حوزه‌ای که در آن مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌تواند ولتاژ را کاهش یا افزایش دهد. برای مثال، در نیروگاه تولید برق برای توزیع برق بر روی کابل‌ها نیاز به افزایش و برای هدایت برق از کابل برق به منزل نیاز به کاهش ولتاژ می‌باشد.
