ترانسفورماتورها قابل تشخیص ترین تجهیزات در سیستم های قدرت هستند. آنها بزرگ، متمایز، در اصل ساده هستند، اما نیاز به تعمیر و نگهداری زیادی دارند، که باعث می شود بسیار مهمتر از "کابل ها" به نظر برسند. در نمودار شبکه برق، ترانسفورماتورها مانند گره های ستون فقرات هستند، در حالی که سایر تجهیزات به عنوان اتصالات آنها عمل می کنند.

این مقاله به معرفی اجزا، اصول، عملکردها، طبقه بندی و سناریوهای کاربردی ترانسفورماتورها می پردازد.

1. ترکیب یک ترانسفورماتور

ترانسفورماتور عمدتا از یک هسته و سیم پیچ تشکیل شده است.

هسته به‌عنوان مسیر مدار مغناطیسی ترانسفورماتور عمل می‌کند، در حالی که سیم‌پیچ‌ها بخش مدار الکتریکی هستند که با پیچاندن تعداد معینی از پیچ‌های سیم روکش شده{0}} مینا ساخته می‌شوند.

سیمی که به منبع برق متصل است سیم پیچ اولیه نامیده می شود که به عنوان سیم پیچ اولیه نیز شناخته می شود. سیم پیچ ثانویه که به آن سیم پیچ ثانویه یا سیم پیچ جانبی ثانویه نیز می گویند سیم پیچ ثانویه نامیده می شود.

اشکال اصلی ساختارهای هسته، نوع هسته‌ای{0}}شکل قلب و نوع پوسته هستند.

• ترانسفورماتور هسته ای{0}}به شکل قلب

ستون های یک ترانسفورماتور نوع هسته ای با سیم پیچ احاطه شده اند. به عبارت ساده، سیم‌پیچ‌ها هسته را احاطه می‌کنند و ساختار را نسبتاً ساده و آسان‌تر می‌کنند تا مونتاژ و عایق‌بندی شوند، به همین دلیل است که ترانسفورماتورها اغلب از ساختار هسته- استفاده می‌کنند.

• ترانسفورماتور نوع{0}}شل

در یک ترانسفورماتور پوسته{0}}نوع، هسته سیم پیچ را احاطه کرده است. ترانسفورماتورهای نوع Shell دارای استحکام مکانیکی بالا و گوشه های بیرون زده هستند، اما فرآیند ساخت آنها پیچیده است و به مواد بیشتری نیاز دارد. آنها معمولاً فقط در ترانسفورماتورهای-ولتاژ پایین،-جریان بالا یا ترانسفورماتورهای قدرت با ظرفیت کوچک-استفاده می‌شوند.

2. اصول اولیه کار ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی کار می کند.

هنگامی که یک منبع تغذیه AC مناسب به هر دو سر سیم پیچ اولیه وصل می شود، تحت تأثیر ولتاژ منبع تغذیه u₁، یک جریان AC i₀ از طریق سیم پیچ اولیه جریان می یابد و نیروی مغناطیسی در سیم پیچ اولیه ایجاد می کند. این یک شار مغناطیسی متناوب ϕ را در هسته تحریک می کند. این شار متناوب ϕ هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه را به هم متصل می کند. بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی، نیروهای الکتروموتور القایی e₁و ه₂به ترتیب در سیم پیچ های اولیه و ثانویه تولید می شوند. تحت تأثیر نیروی الکتروموتور القایی e₂، سیم پیچ ثانویه می تواند نیروی بار را تامین کند و به انتقال انرژی دست یابد.

نسبت نیروهای الکتروموتور القایی در سیم پیچ اولیه و ثانویه برابر است با نسبت تعداد دور سیم پیچ های اولیه و ثانویه. مقدار نیروی الکتروموتور القایی e₁در سمت اولیه نزدیک به ولتاژ اعمالی u است₁در سمت اولیه، در حالی که بزرگی نیروی الکتروموتور القایی e₂در سمت ثانویه نزدیک به ولتاژ خروجی u است₂در سمت ثانویه

بنابراین، با تغییر یک یا دو بار تعداد دور سیم پیچ اولیه یا ثانویه، ولتاژ خروجی u₂قابل تنظیم است. این اصل کار یک ترانسفورماتور است که از اصل القای الکترومغناطیسی برای تبدیل یک منبع برق AC با یک سطح ولتاژ به منبع برق AC با فرکانس مشابه اما سطح ولتاژ متفاوت استفاده می کند.

2. توابع اساسی ترانسفورماتور

وظایف اصلی ترانسفورماتور شامل تبدیل ولتاژ، تبدیل جریان، تبدیل امپدانس، جداسازی و تنظیم ولتاژ است.

تبدیل ولتاژ: ترانسفورماتورها می توانند ولتاژ جریان متناوب را برای رفع نیازهای مختلف برق افزایش یا کاهش دهند. به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور پله-برای افزایش ولتاژ نیروگاه برای کاهش اتلاف انرژی در حین انتقال استفاده می‌شود، در حالی که یک ترانسفورماتور پله{2}}پایین برای کاهش ولتاژ بالا به یک ولتاژ مصرف ایمن استفاده می‌شود.

تبدیل جریان: با تغییر ولتاژ، یک ترانسفورماتور نیز جریان را تغییر می دهد. طبق قانون پایستگی توان با افزایش ولتاژ جریان کاهش می یابد و بالعکس. این ویژگی ترانسفورماتورها را در انتقال قدرت بسیار مهم می کند، زیرا آنها می توانند بارهای جاری را به طور موثر مدیریت کنند.

تبدیل امپدانس: ترانسفورماتورها می توانند امپدانس مدار را تغییر دهند و آن را برای شرایط بارهای مختلف مناسب تر کنند. این امر به ویژه در تجهیزات صوتی و سایر دستگاه های الکترونیکی مهم است، زیرا می تواند کارایی انتقال سیگنال را بهبود بخشد.

جداسازی: ترانسفورماتورها می توانند عایق الکتریکی را فراهم کنند و از ایمنی تجهیزات و کاربران محافظت کنند. این جداسازی می تواند از آسیب رساندن ولتاژ بالا به تجهیزات ولتاژ پایین جلوگیری کند و از عملکرد ایمن تجهیزات اطمینان حاصل کند.

تنظیم ولتاژ: انواع خاصی از ترانسفورماتورها (مانند راکتورهای قابل اشباع) را می توان برای تنظیم ولتاژ استفاده کرد که به حفظ پایداری ولتاژ و اطمینان از قابلیت اطمینان و پایداری سیستم قدرت کمک می کند.

4. طبقه بندی ترانسفورماتورها

4.1 طبقه بندی بر اساس ظرفیت

• ترانسفورماتور کوچک: ولتاژ زیر 10 کیلوولت، ظرفیت بین 1 تا 500 کیلو ولت.

• ترانسفورماتورهای کوچک و متوسط{0}}: ولتاژ 35 کیلوولت و کمتر، ظرفیت 630 تا 6300 کیلو ولت.

• ترانسفورماتورهای بزرگ: ولتاژ 110 کیلو ولت و کمتر، ظرفیت بین 8000 تا 63000 کیلو ولت.

4.2 طبقه بندی بر اساس استفاده

• ترانسفورماتور قدرت: برای بالا بردن، پایین آمدن، توزیع و اتصال در سیستم های انتقال و توزیع نیرو یا به طور خاص به عنوان ترانسفورماتور برای نیروگاه ها و پست ها استفاده می شود.

• ترانسفورماتورهای ابزاری: مانند ترانسفورماتورهای ولتاژ و ترانسفورماتورهای جریان که برای ابزارهای اندازه گیری و وسایل حفاظت رله استفاده می شوند.

• ترانسفورماتور قدرت: برای کنترل منبع تغذیه، روشنایی و نشانگرهای تجهیزات مکانیکی عمومی استفاده می شود.

• ترانسفورماتور الکترونیکی: در مدارهای الکترونیکی مانند منابع تغذیه حالت سوئیچ، صدا، پالس و تطبیق امپدانس استفاده می شود.

• ترانسفورماتور آزمایشی: قادر به تولید ولتاژ بالا برای انجام آزمایشات ولتاژ بالا- روی تجهیزات الکتریکی است.

• ترانسفورماتورهای ویژه: مانند ترانسفورماتورهای کوره الکتریکی، ترانسفورماتورهای یکسو کننده، ترانسفورماتورهای تنظیم کننده ولتاژ و غیره.

4.3 طبقه بندی بر اساس تعداد فازهای سیم پیچ ترانسفورماتور

• ترانسفورماتور تک فاز-: برای بارهای تک فاز-و بانک های ترانسفورماتور سه-فاز استفاده می شود.

• ترانسفورماتور سه فاز-: برای افزایش یا کاهش ولتاژ در سیستم‌های سه فاز استفاده می‌شود.

4.4 طبقه بندی شده توسط روش خنک کننده ترانسفورماتور

• ترانسفورماتور نوع خشک-: با همرفت هوا خنک می‌شود، که معمولاً برای ترانسفورماتورهای با ظرفیت کوچک- مانند روشنایی محلی و مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود.

• ترانسفورماتور غوطه‌ور{0}}روغنی: ترانسفورماتوری که از روغن ترانسفورماتور به‌عنوان عایق و واسطه خنک‌کننده استفاده می‌کند و هسته و سیم‌پیچ‌ها کاملاً در روغن عایق غوطه‌ور هستند.

4.5 طبقه بندی شده بر اساس نوع اتصال سیم پیچ ترانسفورماتور

• ترانسفورماتور دو سیم پیچ{{0}: برای اتصال دو سطح ولتاژ در سیستم قدرت استفاده می شود.

• ترانسفورماتور سه سیم پیچ{{0}: عموماً در پست های منطقه ای سیستم قدرت برای اتصال سه سطح ولتاژ استفاده می شود.

• اتوترانسفورماتور: سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه با هم ترکیب می‌شوند و برای اتصال سیستم‌های قدرت با ولتاژهای مختلف استفاده می‌شوند. همچنین می تواند به عنوان یک ترانسفورماتور پله ای معمولی-به بالا یا پایین{2}}استفاده شود.

4.6 طبقه بندی بر اساس فرکانس عملیاتی ترانسفورماتور

• ترانسفورماتور فرکانس برق: فرکانس کاری آن 50 هرتز یا 60 هرتز است.
• ترانسفورماتور فرکانس متوسط: فرکانس کاری آن 400-1000 هرتز است.
• ترانسفورماتور فرکانس صوتی: فرکانس کاری آن 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز است.

• ترانسفورماتور فرکانس مافوق صوت: فرکانس کاری آن بالای 20 کیلوهرتز است که معمولاً از 100 کیلوهرتز تجاوز نمی کند.

• ترانسفورماتور فرکانس بالا-: ترانسفورماتور با فرکانس کاری بین 20 هرتز تا بیش از 100 کیلوهرتز.

5. سناریوهای کاربردی ترانسفورماتورها

5.1 سیستم قدرت

• نیروگاه‌ها: ترانسفورماتورها برای افزایش ولتاژ تولید شده توسط ژنراتورها برای انتقال به شبکه برق استفاده می‌شوند و انتقال برق از راه دور را ممکن می‌سازند.

• پست‌ها: در پست‌ها، ترانسفورماتورها برق ولتاژ بالا را به برق ولتاژ پایین- تبدیل می‌کنند تا نیازهای تجهیزات الکتریکی مختلف را برآورده کنند. در عین حال، ترانسفورماتورها همچنین می توانند عملکردهایی مانند جبران توان راکتیو و تنظیم ولتاژ را انجام دهند و از عملکرد پایدار سیستم قدرت اطمینان حاصل کنند.

• خطوط انتقال: در خطوط انتقال، از ترانسفورماتورها برای افزایش ولتاژ برای کاهش اتلاف انرژی استفاده می‌شود و به انتقال کارآمد- برق از مسافت طولانی دست می‌یابد.

5.2 بخش مدنی

• برق خانگی: ترانسفورماتورهای قدرت، برق ولتاژ بالا-الکتریسیته ولتاژ بالا را به برق ولتاژ پایین- مناسب برای مصارف خانگی تبدیل می‌کنند و مصرف عادی برق را برای ساکنان تضمین می‌کنند.

• شارژ باتری ها: چه لپ تاپ، تلفن یا وسیله نقلیه الکتریکی، این دستگاه ها برای کار کردن به باتری نیاز دارند و شارژ باتری ها به ترانسفورماتور نیاز دارد. وظیفه اصلی ترانسفورماتور تنظیم ولتاژ و جلوگیری از عبور جریان های نشتی یا جریان های موجی از دستگاه ها است.

5.3 زمینه ارتباطی

ترانسفورماتورهای ارتباطی در مدارهای ترمینال تلفن و محصولات خطوط اصلی برای تنظیم کیفیت و وضعیت مدارهای ارتباطی استفاده می شوند. علاوه بر این، ترانسفورماتورهای ارتباطی به طور گسترده در مودم های کابلی، کارت های شبکه، هاب ها، تجهیزات ارتباطی پهن باند xDSL، سوئیچ ها، فرستنده های فیبر نوری، روترها، سیستم های تعبیه شده و دستگاه های ارتباطی شبکه VoIP استفاده می شوند.

5.4 سایر برنامه های کاربردی

• تجهیزات صوتی: ترانسفورماتورهای صوتی معمولاً برای ایزوله کردن سیگنال‌هایی که در مدار جریان دارند و کمک به تطبیق مقادیر امپدانس منبع و بار استفاده می‌شوند. آنها همچنین می توانند سیگنال های ناخواسته یا نویز را حذف کرده و سیگنال ورودی را فیلتر کنند. این نوع از ترانسفورماتورها به طور خاص برای کنترل سیگنال ها در محدوده قابل شنیدن، یعنی سیگنال هایی با فرکانس بین 20 هرتز و 20 کیلوهرتز طراحی شده اند.

• ابزار اندازه گیری: کنتورهای جریان، ولتاژ سنج ها و ابزارها و وسایل مختلف اندازه گیری معمولاً از ترانسفورماتورها برای عملیات عمومی استفاده می کنند. به عنوان مثال، ترانسفورماتورهای جریان اندازه گیری با جداسازی دستگاه اندازه گیری از بقیه مدار و سرکوب یا کاهش جریان های بزرگ به مقادیر بهینه قبل از تغذیه آنها به آمپرمتر، ایمنی لازم را برای مدار فراهم می کند.

• اصلاح: ترانسفورماتورهای یکسو کننده می توانند AC را به DC تبدیل کنند، با کاربردهایی از جمله کنترل موتور، استخراج معدن، کوره های الکتریکی، آزمایشگاه های تحقیق و توسعه، انتقال ولتاژ بالا-DC، و موارد دیگر.