ترانسفورماتور چیست؟

ترانسفورماتورها در واقع ماشینی هستند که به انتقال برق از یک مدار به مدار دیگر بدون تغییر فرکانس کمک می کنند. به عبارت دقیق تر ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی است که بر اساس قانون القای فارادی کار می کند و به طور عمده برای تامین انرژی الکتریکی استفاده شده و کاربری آن شامل انتقال انرژی الکتریکی و تبدیل ولتاژ به دیگری می شود.  در اینجا تصمیم داریم بیشتر درباره اینکه ترانسفورماتور چیست و چگونه کار می کند، اجزای ترانسفورماتور و انواع کاربردها، مزایا و معیاب آن را بر شماریم.

ساختار ترانسفورماتور

ترانس برق شامل دو قسمت اصلی است که به وسیله یک هسته مغناطیسی از هم جدا شده‌اند. قسمت اول به نام سیم پیج اول یا سیم پیچ ورودی و قسمت دوم به نام سیم پیچ ثانویه یا سیم پیچ خروجی معروف است. وجود هسته مغناطیسی بین این دو قسمت باعث تغییر ولتاژ و جریان بین آن‌ها می‌شود.

سیم پیج ورودی:

در ترانسفورماتور برق معمولاً دارای تعداد لفظی از مارپیچ‌ها است که به یکدیگر متصل شده‌اند. این سیم پیچ به منبع تغذیه برق متصل می‌شود و جریان برق ولتاژ بالای ورودی را به ترانسفورماتور منتقل می‌کند.

سیم پیچ خروجی:

دارای تعداد لفظی از مارپیچ‌ها است که به یکدیگر متصل شده‌اند. این پیچه به بار متصل می‌شود و جریان برق ولتاژ پایین خروجی را از ترانس تأمین می‌کند.

هسته مغناطیسی:

در ترانس بین سیم پیچ ورودی و سیم پیچ خروجی قرار دارد و باعث تغییر ولتاژ و جریان بین آن‌ها می‌شود. قابله مغناطیسی معمولاً از مواد فریتی یا لامینه‌های فلزی ساخته می‌شود که خطوط مغناطیسی را درون خود تمرکز می‌کند و از انتشار آن خارج می‌شود.

نحوه کار و مکانیسم ترانسفورماتور

ترانس‌فورماتور ها  براساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی کار فعالیت می‌کنند به گونه‌ای که اجزای هسته یک ترانسفورماتور سیم پیچ های اولیه و ثانویه هستند که در اطراف یک هسته مغناطیسی مشترک پیچیده شده‌اند.

هنگامی که یک جریان متناوب (AC) از سیم پیچ اولیه عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی در هسته ایجاد کرده و این میدان مغناطیسی ولتاژی را در سیم پیچ ثانویه القا می‌کند که سپس به عنوان خروجی جریان می‌یابد.

استابلایزرها و ترانس‌های برق براساس سیستم‌های کنترل بازخورد، که شامل نظارت مداوم و تنظیم ولتاژ خروجی است، کار می‌کنند که در ادامه به یک تفکیک ساده از مکانیسم آنها می‌پردازیم.

نظارت بر جریان:

یک استابلایزر به طور مداوم ولتاژ خروجی را نظارت و آن را با یک مقدار مرجع یا نقطه تنظیم مقایسه می‌کند.

تشخیص انحراف:

اگر ولتاژ خروجی به دلیل نوسانات ولتاژ ورودی یا تغییرات بار از نقطه تنظیم منحرف شود، ترانس برق و استابلایزر این اختلاف را تشخیص می‌دهد.

حلقه کنترل:

حلقه کنترل ترانس برق، اصلاح موردنیاز را براساس انحراف محاسبه و سپس ولتاژ خروجی را متناسب با آن تنظیم می‌کند.

تصحیح نوسانات:

استابلایزرها و ترانس‌های برق معمولاً از انواع روش‌های کنترلی، مانند کنترل مبتنی بر رله، سروو موتور محرک یا کنترل الکترونیکی استفاده می‌کنند که مکانیسم اصلاح متفاوت است، اما هدف آن برگرداندن ولتاژ خروجی به سطح موردنظر است.

انواع ترانسفورماتور

بسته به نوع کاربری که ترانسفورماتورها دارند و هدفی که بر اساس آن ساخته شده اند ترانسفورماتورها انواع مختلفی دارند که شامل؛

ترانسفورماتور افزاینده و ترانسفورماتور کاهنده

ترانسفورماتور فزاینده یکی از انواع ترانسفورماتوری است که ولتاژ ورودی به خود را به مقدار بیشتر افزایش می دهد. به عبارت بهتر ولتاژ ورودی در سیم پیچ اولیه مقدار کم و جریان زیادی دارد زمانی که از طریق القای فارادی به سیم پیچ خروجی منتقل می گردد میزان جریان کاهش یافته و ولتاژ زیاد می شود. توجه داشته باشید که فرآیند عملکرد ترانسفورماتور کاهنده عکس ترانسفورماتور فزآینده می شود. در ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ ورودی به سیم پیچ اولیه زیاد و میزان جریان الکتریکی کم است و زمانی که بر اساس القای الکتریکی به سیم پیچ ثانویه منتقل می گردد ولتاژ کاهش یافته و جریان زیاد می شود.

ترانسفورماتور سه فاز و تک فاز

دلیل استفاده از برق سه فاز کارایی آن از لحاظ هزینه ای است که نسبت به برق سه فاز از کارایی بیشتری برخوردار است. به همین خاطر نیز ساخت و استفاده ازترانسفورماتور سه فاز می تواند نسبت به ترانسفورماتور تک فاز نه تنها از کارایی بیشتری برخوردار باشد بلکه از لحاظ هزینه ای به صرفه است. با این حال در بسیاری از مواقع استفاده از ترانسفورماتورهای تک فاز به دلیل اندازه کوچک و همچنین حمل و نقل آسان تری که دارند کاربرد بیشتری دارد.

ترانسفورماتور قدرت، توزیع و ابزاری

ترانسفورماتور قدرت برای ثابت کردن نوسانات ولتاژ برق ساخته می شوند و به طور معمول زمانی مود استفاده قرار می گیرند که نیاز به طی شدن مسافت طولانی برای انتقال برق وجود دارد. ترانسفورماتور توضیع بیشتر برای مصارف تبلیغاتی و برای مناطق مسکونی به کار می روند و سطح کارایی آن در حالت دارای بار به 50 درصد ظرفیت می رسد و قادر است 24 ساعته با تنطیم ولتاژ خوبی کار نماید. ترانسفورماتور ابزاری که شامل ترانسفورماتور جریان و ترانسفورماتور ولتاژ می شود، برای کاهش ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرند.

ترانسفورماتور درونی و بیرونی

همانطور که از نام آنها پیداست، ترانسفورماتور بیرونی زمانی به کار گرفته می شود که نیاز است وسایل بیرون از ساختمان مورد استفاده قرار گیرند و نیاز به برق وجود دارد برای مثال چراغ برق و غیره ولی زمانی که نیاز به برق در منازل مسکونی باشد از ترانسفورماتور داخلی استفاده می شود.

کاربرد ترانسفورماتور

ترانس در کاربردهای مختلفی از جمله تولید برق، انتقال و توزیع، روشنایی، سیستم های صوتی و تجهیزات الکترونیکی استفاده می شوند.

تولید برق:

در نیروگاه ها برای افزایش ولتاژ برق تولید شده توسط نیروگاه قبل از ارسال به شبکه استفاده می شود.

انتقال و توزیع:

در انتقال و توزیع برق برای افزایش یا کاهش ولتاژ برق هنگام ارسال آن از نیروگاه ها به منازل و مشاغل استفاده می شود.

روشنایی:

در سیستم های روشنایی برای کاهش ولتاژ برق قبل از ارسال به لامپ استفاده می شود.

سیستم های صوتی:

در سیستم های صوتی برای افزایش یا کاهش ولتاژ برق قبل از ارسال به بلندگوها استفاده می شوند.

تجهیزات الکترونیکی:

در انواع وسایل الکترونیکی از جمله کامپیوتر، تلویزیون، رادیو و تلفن همراه استفاده می شوند.

مزایا و معایب ترانسفورماتور

استفاده از ترانسفورماتور مانند هر دستگاه دیگری دارای مزایا و معایب بسیاری است. یکی از مهم‌ترین مزایای این دستگاه این است که امکان انتقال قدرت و سیگنال‌های الکتریکی را در مسافت‎های طولانی ایجاد می‎کند. این تجهیزات این امکان را دارند که به‌صورت مداوم و طولانی مدت فعالیت کنند. مزیت دیگر این دستگاه این است که کمتر نیاز به تعمیر و نگهداری دارد. همچنین این محصولات در کنترل و تثبیت ولتاژ انتقالی، کارایی خوبی دارند.
ترانسفورماتورها معایب کمی دارند، از مهم‌ترین عیب این دستگاه سایز بزرگ آن‎ها است. همانطور که می‎دانید ترانس‎هایی با اندازه‎های کوچک نیز وجود دارند اما با افزایش ولتاژ، اندازه دستگاه نیز افزایش پیدا خواهد کرد. درواقع نه تنها ساختار اصلی دستگاه، بلکه حجم سیستم خنک کننده نیز افزایش پیدا می‏کند. ترانسفورماتور تنها با جریان AC کار می‎کند و کارکرد آن تنها برای جریان‎های متناوب می‎باشد و اگر ترانسفورماتور با ولتاژ DC اتصال پیدا کند، دچار سوختگی خواهد شد.

سخن پایانی

ترانسفورماتور ، یک دستگاه الکتریکی است که برای تبدیل جریان متناوب از یک ولتاژ به ولتاژ دیگر طراحی و تولید شده است. این دستگاه هیچ قطعه متحرکی ندارد و یک دستگاه ثابت است که می‎تواند تحت شرایط عملیاتی، بدون مشکل و برای مدت طولانی کار کند. این دستگاه، در حالت ساده از دو سیم پیچ یا بیشتر تشکیل شده است و شامل سیم‌های عایق‌دار است که روی یک هسته فلزی قرار دارند. هنگامی‎که ولتاژ به سیم پیچ اولیه وارد می‌شود، در هسته آهنی، خاصیت مغناطیسی رخ خواهد داد و بعد یک ولتاژ در سیم پیچ ثانویه ایجاد می‎شود. این دستگاه امروزه در صنعت‎های مختلف بسیار کاربردی است و براساس نیاز این محصول انتخاب و خریداری می‌شود.