ترانسفورماتور

ترانسفورماتور (به آلمانی: Transformator) یا ترانسْفُورمر (به انگلیسی: Transformer) ، وسیله‌ای استکه انرژی الکتریکی را بین دو یا چند سیم‌ پیچ و از طریق القای الکترومغناطیسی منتقل می‌کند. به این صورت که یک جریان متغیر در سیم‌پیچ اولیه ترانسفورمر، موجب تولید میدان مغناطیسی متغیر می‌شود که این میدان منجر به ایجاد ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه می‌شود.

قدرت را می‌توان بین دو سیم‌پیچ (کویل و یا کوئل) بدون اتصال فلزی بین دو مدار از طریق میدان‌ مغناطیسی منتقل کرد. قانون القای فارادی در سال ۱۸۳۱ این اثر را توصیف کرد. ترانسفورمرها، برای افزایش یا کاهش ولتاژ متناوب در پروژه‌های برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.

قانون القای فارادی

قانون القای فارادی بیان می‌کند که هرگاه شار مغناطیسی گذرنده از یک مدار ( مسیر بسته‌ای که دو سر آن به یک گالوانومتر حساس متصل است)، به نحوی تغییر کند، آن عمل باعث ایجاد یک نیروی محرکه القایی در مدار می‌شود که به وسیله گالوانومتر قابل مشاهده است. نیروی محرکه القایی با آهنگی که شار مغناطیسی گذرنده از مدار بر حسب زمان تغییر می‌کند، برابر است. البته لازم به ذکر است که نیروی محرکه القایی با مقدار منفی تغییرات شار مغناطیسی گذرنده از مدار متناسب است و این علامت منفی از قانون لنز حاصل می‌گردد.

قانون لنز

قانون لنز بیان می‌کند که در یک حلقه رسانای بسته، جریان القایی در جهتی برقرار می‌شود که با تغییری که آن را به وجود می‌آورد، مخالفت کند. این قانون که برای جلوگیری از نقض اصل پایستگی انرژی بیان می‌شود، مربوط به جریان های القایی است و در مورد نیروی محرکه القایی صادق نیست. به بیان دیگر، این قانون فقط در مورد حلقه‌های رسانای بسته به کار می‌رود. اگر حلقه نباشد، معمولاً می‌توان تصور کرد که اگر بسته بود، چه اتفاقی می‌افتاد و از این راه می‌توان جهت نیرو محرکه القایی را معین نمود. اگر طبق قانون لنز عکس آن چیزی که گفته شد، عمل شود، یعنی اگر جریان القایی به تغییری که باعث به وجود آمدنش شده است، کمک کند، در این صورت قانون پایستگی انرژی نقض می‌شود.

از زمان اختراع اولین ترانسفورماتور پایدارِ ثابت در سال ۱۸۸۵، ترانسفورماتورها برای انتقال، توزیع و بهره ‌برداری از انرژی الکتریکی جریان متناوب مورد استفاده قرار می‌گیرند. طیف ترانسفورمرها از نظر اندازه از ترانسفورماتورهای کمتر از یک سانتیمتر مکعب تا واحدهای اتصال شبکه برق که صدها تن وزن دارند گسترش یافته‌است.

معادله ذیل بیانگر آن است که نسبت ولتاژ سیم‌پیچ اولیه (Vp) به ولتاژ سیم‌‌پیچ ثانویه (Vs) با نسبت تعداد دور سیم‌پیچ اولیه (Np) به تعداد دور سیم‌پیچ ثانویه (Ns) رابطه مستقیم دارد:

یکی از کاربردهای بسیار مهم ترانسفورماتورها کاهش جریان در خطوط انتقال انرژی الکتریکی است. دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه هادی‌های الکتریکی دارای میزان مشخصی مقاومت الکتریکی هستند، این مقاومت می‌تواند موجب اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی شود. میزان تلفات در یک هادی با مجذور جریان عبوری از هادی رابطه مستقیم دارد و بنابراین با کاهش جریان می‌توان تلفات را به شدت کاهش داد. با افزایش ولتاژ در خطوط انتقال به همان نسبت جریان خطوط کاهش می‌یابد و به این ترتیب هزینه‌های انتقال انرژی نیز کاهش می‌یابد، البته با نزدیک شدن خطوط انتقال به مراکز مصرف، برای بالا بردن ایمنی، ولتاژ خطوط در چند مرحله و باز به وسیله ترانسفورماتورها کاهش می‌یابد تا به میزان استاندارد مصرف برسد. به این ترتیب بدون استفاده از ترانسفورماتورها امکان استفاده از منابع دوردست انرژی وجود ندارد.
به این ترتیب با اختصاص دادن امکان تنظیم تعداد دور سیم ‌پیچ ‌های ترانسفورماتور، می‌توان امکان تغییر ولتاژ در سیم‌ پیچ ثانویه  ترانس را فراهم کرد.

ترانسفورماتورها یکی از پربازده‌ترین تجهیزات الکتریکی هستند به ‌طوری‌که در برخی ترانسفورماتورهای بزرگ بازده به 75_/99٪ نیز می‌رسد. امروزه از ترانسفورماتورها در اندازه‌ها و توان‌های مختلفی استفاده می‌شود. از یک ترانسفورماتور بند انگشتی که در یک میکروفون قرار دارد تا ترانسفورماتورهای غول‌پیکر چند گیگا ولت-آمپری. همه این ترانسفورماتورها اصول کار یکسانی دارند اما در طراحی و ساخت متفاوت هستند.

اصول پایه ای ترانسفورماتور

1. جریان الکتریکی متناوبمی‌تواند یک میدان مغناطیسی متغیر پدید آورد (الکترومغناطیس).
2. یک میدان مغناطیسی متغیر در داخل یک حلقه سیم‌پیچ می‌تواند موجب به وجود آمدن یکجریان الکتریکیمتناوب در یک سیم‌پیچ شود.

ساده‌ترین طراحی برای یک ترانسفورماتور در شکل بالا آمده ‌است. جریان جاری در سیم‌پیچ اولیه موجب به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی می‌گردد. هر دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه بر روی یک هسته که دارای خاصیت نفوذپذیری مغناطیسی بالایی است (مانند آهن) پیچیده شده‌اند. بالا بودن نفوذپذیری مغناطیسی هسته موجب می‌شود تا بیشتر میدان تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه از داخل هسته عبور کرده و به سیم‌پیچ ثانویه برسد.

ترانسفورمر سه فاز

ترانسفورماتورهای سه فاز از نظر ساختمان ظاهری بر دو نوع هستند:

1. ترانسفورماتورهای سه فاز سه پارچه که از سه ترانسفورماتور تکفاز تشکیل شده‌اند.
2. ترانسفورماتورهای یکپارچه که از یک هسته مشترک تشکیل شده‌اند.

ترانسفورماتورهای سه فاز سه پارچه:

این‌گونه ترانسفورماتورها از سه ترانسفورماتور تک فاز تشکیل شده‌اند که با سه سیم پیچ اولیه و سه سیم پیچ ثانویه روبرو هستیم که باید آن‌ها را به روش‌های زیر به هم متصل نماییم:

1. اتصال ستاره-ستاره (Y-Y): سه سیم پیچ اولیه به صورت ستاره و ثانویه هم به صورت ستاره به هم وصل شده‌است. این اتصال به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد.

2. اتصال مثلث-مثلث (∆-∆): اتصال سیم‌پیچ اولیه و ثانویه به صورت مثلث می‌باشد. مزیت این اتصال آن است که می‌توان یکی از ترانس‌ها را برای تعمیر از مدار خارج کرد و دو ترانسفورماتور باقی‌مانده می‌توانند مشترکین سه فاز را تأمین نمایند.

3. اتصال ستاره -مثلث (Y-Δ): این نوع اتصال برای کاهش ولتاژ فشار قوی مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا در اتصال ستاره ولتاژ خط بر روی دو سیم پیچ اعمال می‌شود ولی در مثلث بر روی یک سیم پیچ اعمال می‌شود.

4. اتصال مثلث-ستاره (Δ-Y): در نیروگاه‌ها برای افزایش ولتاژ ژنراتورها به ولتاژ فشار قوی نصب می‌شود زیرا سمت ستاره به ولتاژ قوی وصل است و امکان زمین کردن نقطه خنثی وجود دارد، همچنین در سیستم‌های فشار ضعیف از این سیستم برای مصارف خانگی و تجاری و صنعتی استفاده می‌شود زیرا برخی از مشترکین به برق تک فاز و برخی به برق سه فاز نیاز دارند.

به دلیل وجود کاربردهای متفاوت برای ترانسفورماتورها، آن‌ها را بر حسب پارامترهای متفاوتی طبقه‌بندی می‌کنند:

• بر حسب ردهتوان: از کسری از ولت-آمپر تا بیش از هزار مگا ولت-آمپر.
• بر حسب محدودهبسامد: بسامد قدرت، بسامد صوتی، بسامد رادیویی
• بر حسب ردهولتاژ: از چند ولت تا چند صد کیلوولت
• بر حسب نوع خنک‌کنندگی: خنک‌کننده هوا، روغنی، خنک‌کنندگی با فن، خنک‌کنندگی آب.
• بر حسب نوع کاربرد:منبع تغذیه، تطبیق امپدانس، تثبیت‌کننده ولتاژ و جریان خروجی یا ایزوله کردن مدار.
• برحسب هدف نهایی کاربرد:توزیع، یکسوسازی، ایجاد قوس الکتریکی، ایجاد تقویت‌کننده.
• بر حسب نسبت سیم‌پیچ‌ها: افزاینده، کاهنده، ایزوله‌کننده (با نسبت تقریباً یکسان در دو سیم‌پیچ)، متغیر.

ترانسفورماتورها از نظر طراحی ساخت به سه دسته تقسیم می کنیم:

1.ترانسفورماتور روغنی با منبع انبساط(کنسرواتوری)

در ترانسفورماتورهای روغنی، تغييرات دماي محيط و همچنين تغييرات بار ترانسفورماتور در طول مدت بهره ‌برداري، دماي روغن ترانسفورماتور را تغيير داده و اين تغيير دما باعث تغيير حجم روغن تانك ترانسفورماتور خواهد شد.

منبع انبساط (كنسرواتور) با استفاده از لوله‌هاي عبور روغن، با روغن درون تانك ترانسفورماتور در ارتباط بوده و انقباض و انبساط روغن ترانسفورماتور باعث كم و زياد شدن حجم روغن درون كنسرواتور خواهد شد. همچنین روغن كنسرواتور با هواي محيط در ارتباط بوده و به منظور جلوگيري از ورود رطوبت هواي اطراف به روغن ترانسفورماتور كه باعث كاهش استقامت عايقي روغن و همچنين عايق‌هاي سلولوزي ترانسفورماتور مي‌گردد، از يك محفظة حاوي رطوبت‌گير ( سيليكاژل ) استفاده مي‌گردد.

اجزاء تشکیل دهنده:

هسته مغناطیسی:

هسته ترانسفورماتورها از ورق های فولاد سیلیکونی نورد سرد شده با تلفات هیسترزیس کم و در ضخامتهای ۳/۰ یا 27/0 میلیمتر ساخته می شود. این ورق ها در دو طرف دارای پوشش عایقی جهت افزایش مقاومت الکتریکی و کاهش تلفات جریان های گردابی می باشند. برش و چيدمان ورق  هاي هسته توسط دستگاه هاي تمام اتوماتيك GEORG  كه داراي بالاترين دقت و كيفيت در سطح جهان مي باشد، انجام مي شود

جهت حصول مناسب ترین شرایط برای شار مغناطیسی خصوصاً در محل اتصال یوغها به بازوها موارد ذیل لحاظ می گردد:.

-حداکثر چگالی شار در حدود۶/۱ – 7/1 تسلا می باشد.

-چیدمان ورق های هسته به دو صورت OVER-LAP, STEP-LAP امکان پذیر خواهد بود که به صورت روتین به روش پله ای  Step-Lapمی باشد.

سیم پیچ ها :

سیم پیچ فشار ضعیف  (LV)معمولاً از فویل و یا سیم تخت مسی با عایق کاغذ پیچیده می شود. در سیم پیچ های فویلی از نوع کاغذ چسبدار  (D.D.P)به عنوان عایق بین لایه های فویل استفاده می شود که در طی فرایند کوره باعث صلب و یکپارچه شدن سیم پیچ شده به نحوی که در برابر نیروهای اتصال کوتاه کاملا مقاوم می گردد. همچنین این نوع سیم پیچ ها به دلیل یکپارچه بودن فویل در جهت محور سیم پیچ و لذا عدم استفاده از عایق در این راستا دچار فشردگی محوری نشده و تحمل بسیار خوبی در برابر نیروهای اتصال کوتاه دارد. در ضمن فرم استوانه ای سیم پیچ هم بیشترین استقامت را در مقابل نیروهای شعاعی اتصال کوتاه ایجاد می کند. از سوی دیگر سیم پیچ فشار قوی  (HV)معمولاً از سیم گرد لاکی و یا سیم تخت با عایق کاغذی به شکل لایه ای و یا دیسکی (بشقابی) ساخته می شود. محل خروج سرسیم پله های تنظیم ولتاژ با شمارش دقیق تعداد دور توسط ماشین های سیم پیچی تعیین می گردد. طراحی و اجرای ساختار عایقی سیم پیچ ها به نحوی است که استقامت لازم برای تست های دی الکتریک استاندارد را برآورده می نماید. مواد عایقی مورد استفاده با پایه سلولزی و دارای کلاس حرارتی  Aبوده و تحمل دمای ۱۰۵درجه را به طور پیوسته دارد.

روغن:

از روغن در ترانسفورماتور به عنوان مایع خنک کننده، عایق و انتقال دهنده اطلاعات استفاده می شود. روغن های مورد استفاده به طور معمول از نوع روغن معدنی و مطابق استاندارد بین المللی می باشد و در صورت درخواست خریدار از روغن های سینتیک مانند روغن های سیلیکونی یا  MIDELکه دارای نقطه اشتعال  (flash point) بالاتری هستند نیز استفاده می گردد.

مخزن :

مخزن ترانسفورماتورهاي توزيع علاوه بر اينكه قسمت فعال يا اكتيوپارت ترانسفورماتور و روغن دي الكتريك را در خود جاي داده وظيفه خنك كنندگي ترانسفورمر را نيز انجام مي دهد. مخزن از سه قسمت اصلي كل، ديواره ها و قاب كه توسط عمليات جوشكاري به يكديگر متصل شده اند، تشكيل شده است. سطوح خنك كنندگي يا همان ديواره هاي مخزن بصورت سطح اف و يا سطوح كنگره اي شكل كه اصطلاحاً پره نيز گفته مي شوند، نقش اصلي در خنك كاري ترانسفورماتور را به عهده دارند.

منبع انبساط:

در ترانسفورماتورهای کنسرواتوری جهت جبران انبساط و انقباض در حالت افزایش و یا کاهش دمای روغن ترانسفورماتور از منبع انبساط استفاده می شود. اندازه و حجم منبع انبساط به ابعاد مخزن و تغییرات دمایی روغن ترانسفورماتور در هنگام بهره برداری بستگی دارد . روغن منبع انبساط از طریق لوله ای به مخزن ارتباط داده می شود. بدين ترتيب روغن داخل مخزن به راحتي به طرف منبع انبساط و يا بالعكس منتقل خواهد شد. در صورت نياز از يك رله بوخهلتس در اين مسير استفاده مي شود.

تجهیزات ترانسفورماتور و دستگاههاي حفاظتي:

تجهیزات این نوع محصول شامل کلید تنظیم ولتاژ، بوشينگ هاي فشار قوي و ضعيف، دستگاه رطوبت گیر، رله بوخهلتس (جهت بعضی از توانها)، ترمومتر روغن نما ( جهت بعضی از توانها)، روغن نماي مغناطيسي و … مي باشد.

تست ترانسفورماتورها :

 به منظور تایید  مشخصات  فنی  و اطمینان از عملکرد ترانسفورماتورها  آزمایشات  سری(Routine)  مطابق استاندارد IEC۶۰۰ ۷۹ بر روی کلیه این محصولات انجام و گواهی مربوطه صادر و تحویل خریدار خواهد شد و در صورت درخواست خریدار تست های نوعی(Type)  و ویژه(special)  مطابق استاندارد IEC۶۰۰ ۷۹  قابل انجام می باشد.

2. ترانسفورماتورهای روغنی هرمتیک:

اين نوع ترانسفورماتورها دارای سيستم نگهداری روغنی هستند كه از تماس روغن عايق با اكسيژن و رطوبت كه از عوامل اصلی فساد روغن و كاهش استقامت الكتريكی آن می باشد جلوگيری می كند. در این ترانسفورماتورها، روغن به عنوان عایق، خنک کننده و جاذب رطوبت هوا عمل می کند. سیم پیچ ها و هسته ترانس در داخل مخزن روغن قرار می گیرند. اين كار سبب بهبود شرايط بهره برداری شده و در نتيجه نيازی به عمليات نگهداری در طول عمر ترانسفورماتور نخواهد بود. ترانسفورماتورهای هرمتيك برای نصب در محيط های مرطوب، مواردی كه محدوديت عمليات نگهداری وجود دارد، ترانسفورماتورهای با نصب هوايی و فضاهای محدود مثل پست های كمپكت و پكيج بر انواع معمولی برتری دارند.

روغن مورد استفاده از نوع معدنی است و نباید از آسکارل به دلیل سمی بودن و ملاحظات زیست محیطی استفاده کرد. مخزن روغن این نوع ترانس دارای خاصیت ارتجاعی بوده و در قدرت های کم افزایش حجم روغن بدین وسیله جبران می شود. در ترانس های با قدرت بالا از کیسه نیتروژن برای جذب گرما و رطوبت استفاده می شود. این ترانس ها دارای سیستم مانیتورینگ وضعیت روغن برای حفاظت ترانس می باشند. زیرا اگر روغن بیش از حد داغ شود احتمال انفجار ترانس وجود دارد. از مزایای این ترانس کاهش هزینه مراقبت و نگهداری، حذف رطوبت گیر و رله بوخ هولتز (روغن) و منبع انبساط و در نتیجه کاهش ارتفاع ترانس است.

دو نوع اصلی از ترانسفورماتورهای هرمتيک شامل:

1. هرمتيک بدون بالشتک گازی كه دارای ساختار بسته، بدون بالشتک گاز و به طور كامل پر از روغن است.
2. هرمتيک با بالشتک گازی كه دارای ساختار بسته بدون منبع انبساط، با بالشتک گازی(گاز نيتروژن) و ديواره های مخزن صلب و رادياتورهای خنک كننده آن كه می تواند بصورت جدا شدنی يا جوش شده روی مخزن باشد.

در ترانسفورماتورهای هرمتيک کاملاً پر از روغن، انبساط و انقباض روغن توسط مخزن فولادی و ارتجاعی آن (طرح مخزن با حجم متغير) صورت می گيرد كه در حداكثر فشار حالت كاری تنها كسری از فشار طراحی شده قابل تحمل ايجاد می شود. اين ترانسفورماتورها هميشه به صورت كامل پر از روغن تحويل و حمل شده و برای طول دوره عمرشان آب بندی شده اند. در ترانسفورماتورهای هرمتيک با بالشتک گازی، انبساط و انقباض روغن به وسيله بالشتک گاز نيتروژن واقع در بالای سطح روغن صورت می گيرد. اين ترانسفورماتورها عموماً دارای مخزن صلب رادياتوری (جوش شده يا قابل باز شدن) بوده و بوشينگ های LV, HV آنها در سمت طولی مخزن قرار دارند. ترانسفورماتورهای هرمتيک بدون بالشتک گازی دارای لوله مخصوص پر كردن روغن با ارتفاع كافی بوده كه از پر شدن كامل روغن خصوصاً در بوشينگ های روغنی اطمينان حاصل شود.

3.ترانسفورماتورهای رزینی :

نوعی ترانسفورماتور است که سیم پیچ‌ های آن در دی‌الکتریک مایع (روغن)  غوطه ور نمی‌باشند، بلکه از مواد جامد جهت این امر استفاده می‌شود. ایده ساخت ترانسفورماتور فاقد روغن در اواسط دهه ۹۰ مطرح شد. بررسی، طراحی و ساخت این ترانسفورماتور از بهار سال ۱۹۹۶ در شرکت ABB شروع شد. در این ترانسفورماتور به جای استفاده از هادی های مسی با عایق کاغذ از کابل پلیمری خشک با هادی سیلندری استفاده می‌شود. در یک ترانسفورماتور خشک، استفاده ار تکنولوژی کابل، امکانات تازه‌ای برای بهینه کردن طراحی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، نیروهای مکانیکی و تنش‌های گرمایی فراهم کرده است.

از ترانسفورماتور رزینی برای کاربردهای سیستم توزیع برق , درایو یکسو کننده ها , تحریک ژنراتورها , سیستم ارتینگ , مخازن و سکوهای نفتی , سیستم های آزمایشگاهی و ... استفاده می گردد .این ترانسفورمرها با توجه به استانداردهای بین المللی DIN/VDE , IEC طراحی شده اند.

ویژگی‌های ترانس های خشک رزینی:

- خود اطفاء بودن
- مقاومت در برابر رطوبت
- عدم ایجاد آلودگی‌های زیست‌محیطی
- مقاومت در برابر اتصال کوتاه
- سهولت نصب و بهره‌برداری
- قابل استفاده بودن در محیطهای گرم تا دمای ۵۵ درجه سانتیگراد
- عمکرد خوب در برابر لرزش‌ها و تکان های شدید
- بی‌نیازی از سرویس نگهداری چشمگیر
- امکان نصب در مجاورت محل مصرف و در نتیجه کاهش تلفات
- ایمنی بیشتر و ایده‌آل بودن برای نصب در فضاهای محدودی که نصب ترانسفورماتورهای روغنی میسر نمی‌باشد
- اقتصادی بودن از عمده‌ترین مزایای ترانسفورماتورهای خشک رزینی می‌باشد.

مباحث فنی :

در یک ترانسفورماتور ایده‌آل، ترانس دارای یک هسته بدون مقاومت مغناطیسی و دو سیم‌پیچ بدون مقاومت الکتریکی است. زمانی که ولتاژ به ورودی‌های اولیه ترانسفورماتور اعمال می‌شود برای به وجود آمدن شار در مدار مغناطیسی هسته، جریانی کوچکی در سیم‌پیچ اولیه جاری می‌شود. از آنجایی که در ترانسفورماتور ایده‌آل هسته فاقد مقاومت مغناطیسی است این جریان قابل چشم پوشی خواهد بود در حالی که در یک ترانسفورماتور واقعی این جریان بخشی از تلفات ترانسفورماتور را تشکیل خواهد داد.