راهنمای کلی در مورد انواع ترانسفورماتور

ترانسفورماتورها جزء ضروری اکثر سیستم های قدرت هستند. نقش آنها تبدیل انرژی الکتریکی در یک ولتاژ به ولتاژ دیگر است. ترانسفورماتورها در طیف حیرت انگیزی از اندازه ها از واحدهای کوچک مورد استفاده در سیستم های ارتباطی تا هیولاهای مورد استفاده در سیستم های انتقال ولتاژ بالا با وزن صدها تن ساخته می شوند. مدل مدار و تحلیل انواع ترانسفورماتورها برای درک بسیاری از سیستم های الکترونیکی و کنترلی و تقریباً تمام سیستم های قدرت ضروری است.

انواع ترانسفورماتورها

ترانسفورماتورها بر اساس ساختار، ولتاژ، آرایش سیم پیچ، کاربرد، ابزار دقیق و تعداد فازها دسته بندی می شوند.

انواع ترانسفورماتورها بر اساس سازه

از نظر ساختاری، ترانسفورماتورها به دو نوع اصلی تقسیم می شوند: ترانسفورماتورهای هسته هوا و ترانسفورماتورهای هسته آهن.

ترانسفورماتورهای هسته هوا

ترانسفورماتورهای هسته هوا معمولاً در مدارهای فرکانس بالا مانند مدارهای ابزار دقیق، رادیو و تلویزیون استفاده می شوند. یک ترانسفورماتور هسته هوا هسته فیزیکی ندارد، بنابراین می توان آن را با قرار دادن دو سیم پیچ L1 و L2 نزدیک به یکدیگر، یا با سیم پیچی هر دو سیم پیچ L1 و L2 بر روی یک هسته استوانه ای توخالی با مواد جدا کننده به دست آورد. در شکل زیر نشان داده شده است. مدار یک ترانسفورماتور هسته هوا در شکل نشان داده شده است، R1 و R2 نشان دهنده مقاومت سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور هستند.

ترانسفورماتور هسته هوا به عنوان ترانسفورماتور خطی نیز شناخته می شود. هنگامی که هسته ترانسفورماتور توسط مواد عایق با نفوذپذیری ثابت مانند هوا، پلاستیک، چوب و غیره ساخته می شود، ترانسفورماتور لاینر است. ترانسفورماتور هسته هوا عمدتاً در دستگاه های رادیویی و انواع خاصی از ابزارهای اندازه گیری و آزمایش مورد توجه است.

ترانسفورماتورهای هسته آهنی

ترانسفورماتورهای هسته آهنی معمولاً در مدارهای صوتی و سیستم های قدرت استفاده می شوند. سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور هسته آهنی بر روی مواد فرومغناطیسی پیچیده می‌شوند که ورقه‌های چند لایه عایق‌شده به یکدیگر هستند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

هنگامی که دو سیم پیچ بر روی یک هسته مشترک پیچیده می شوند، شار اتصال متقابل بالاتر و شار نشتی کمتری خواهند داشت. مواد فرومغناطیسی می توانند مسیر آسانی برای شار مغناطیسی فراهم کنند. علاوه بر این، اگر دو سیم پیچ بر روی یک هسته مشترک پیچیده شوند، شار تولید شده در سیم پیچ L1 تقریباً همه با سیم پیچ L2 مرتبط می شود. این بدان معنی است که ضریب جفت k نزدیک به 1 است و به همین دلیل است که ترانسفورماتور هسته آهنی معمولاً ترانسفورماتور ایده آل در نظر گرفته می شود (k = 1).

انواع ترانسفورماتورها بر اساس سطح ولتاژ

بر اساس سطح ولتاژ، ترانسفورماتورها به سه نوع اصلی طبقه بندی می شوند: ترانسفورماتورهای افزایش دهنده، کاهنده و یک به یک.

ترانسفورماتورهای افزایش دهنده

ترانسفورماتور استپ آپ ترانسفورماتوری است که می تواند ولتاژ ثانویه خود را افزایش دهد. از آنجایی که ترانسفورماتور افزایش دهنده همیشه پیچ های سیم پیچ ثانویه بیشتری نسبت به ترانسفورماتور اولیه دارد، ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور افزایش دهنده (Vs) همیشه بالاتر از ولتاژ اولیه (Vp) است، یعنی Vs>Vp. مقدار ولتاژ ثانویه به نسبت چرخش (n) بستگی دارد. معادله n=Ns/Np=Vs/Vp نشان می دهد که برای داشتن ولتاژ ثانویه بالاتر، تعداد دور سیم پیچ ثانویه باید بیشتر از سیم پیچ اولیه باشد، یعنی Ns>Np همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. به این معنی که نسبت چرخش n = (NS/NP) > 1. این یک ویژگی مهم ترانسفورماتور استپ آپ است.

ترانسفورماتورهای کاهنده

ترانسفورماتور کاهنده ترانسفورماتوری است که می تواند ولتاژ ثانویه خود را کاهش دهد. از آنجایی که یک ترانسفورماتور کاهنده همیشه در سیم پیچ ثانویه پیچش کمتری نسبت به اولیه دارد، ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور کاهنده (Vs) همیشه کمتر از ولتاژ اولیه (Vp) است، یعنی Vs< 1. این یک ویژگی مهم ترانسفورماتور کاهنده است که برعکس ترانسفورماتور پله‌آپ است.

ترانسفورماتورهای یک به یک

اگر ولتاژهای اولیه و ثانویه برابر باشند، ترانسفورماتور دارای نسبت یک به یک است. از ترانسفورماتورهای یک به یک برای جداسازی الکتریکی دو قسمت از مدار استفاده می شود. ترانسفورماتورهای یک به یک به عنوان ترانسفورماتورهای ایزوله نیز شناخته می شوند. آنها برای جداسازی تجهیزات حساس مانند کنترل کننده های مبتنی بر ریزپردازنده مفید هستند.

انواع ترانسفورماتورها بر اساس آرایش سیم پیچ

بر اساس آرایش سیم پیچ، ترانسفورماتورها به چهار نوع اصلی تقسیم می شوند: ترانسفورماتورهای مرکزی، چند ضربه ای، قابل تنظیم و اتوترانسفورماتور.

مرکزی

ترانسفورماتورهای با شیر مرکزی دارای یک شیر (نقطه اتصال) در وسط سیم پیچ ثانویه هستند و می توانند دو ولتاژ خروجی متعادل با مقدار مشابه را ارائه دهند.

چند ضربه ای

ترانسفورماتورهای چند شیری دارای چندین شیر در سیم پیچ ثانویه هستند و می توانند چندین ولتاژ خروجی با مقادیر متفاوت ارائه دهند.

قابل تنظیم (یا متغیر).

ولتاژ خروجی ترانسفورماتورهای قابل تنظیم (یا متغیر) در سراسر سیم پیچ ثانویه قابل تنظیم است. سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتورهای قابل تنظیم می تواند ولتاژ خروجی را فراهم کند که ممکن است در محدوده صفر تا حداکثر مقادیر متغیر باشد.

خودکار

این ترانسفورماتور تنها با یک سیم پیچ است که یک سیم پیچ مشترک برای سیم پیچ های اولیه و ثانویه است و بخشی از سیم پیچ مشترک به عنوان بخشی از سیم پیچ های اولیه و ثانویه عمل می کند. یک ترانسفورماتور خودکار را می توان کوچکتر و سبکتر کرد. اتوترانسفورماتورها معمولاً برای نسبت های ولتاژ – تبدیل نزدیک به 1:1 و در واریاک ها استفاده می شوند که ولتاژ ثانویه متغیری را ارائه می دهند.

انواع ترانسفورماتورها بر اساس کاربری

بر اساس کاربرد، ترانسفورماتورها به دو نوع اصلی تقسیم می شوند: ترانسفورماتورهای الکترونیکی و قدرت.

ترانسفورماتورهای الکترونیکی

ولتاژهای عملیاتی ترانسفورماتورهای الکترونیکی بسیار کم هستند و در سطوح توان پایین رتبه بندی می شوند. اینها در تجهیزات الکترونیکی مصرفی مانند تلویزیون، رایانه های شخصی، پخش کننده های CD/DVD و سایر دستگاه ها استفاده می شوند.

ترانسفورماتورهای قدرت

اصطلاح ترانسفورماتور قدرت به ترانسفورماتورهایی با توان و ولتاژ بالا گفته می شود. اینها به طور گسترده در تولید، انتقال، توزیع و سیستم های برق برای افزایش یا کاهش سطوح ولتاژ استفاده می شوند.

انواع ترانسفورماتورها بر اساس ابزار دقیق

ترانسفورماتورها اغلب در کاربردهای ابزار دقیق برای تطبیق مقدار ولتاژ یا جریان با محدوده یک متر یا سایر ابزار دقیق استفاده می شوند. بر اساس ابزار دقیق، ترانسفورماتورها به دو نوع اصلی تقسیم می شوند: ترانسفورماتور جریان و ترانسفورماتور پتانسیل.

ترانسفورماتورهای جریان

ترانسفورماتورهای جریان جریان مدار اولیه را به سطوح استاندارد معمولی (معمولاً 5 آمپر) برای اهداف اندازه گیری و کنترل کاهش می دهند. اولیه آنها به صورت سری به مداری که جریان آن اندازه گیری می شود متصل می شود. جریان سیم پیچ ثانویه به سیم پیچ های جریان متر و رله اعمال می شود.

ترانسفورماتورهای پتانسیل

ترانسفورماتورهای بالقوه برای کاهش ولتاژ به سطوح ولتاژ غیرخطرناک و معمولی – معمولاً 120 ولت – برای اهداف اندازه گیری و کنترل استفاده می شوند. سیم پیچ اولیه آنها به صورت موازی به مدار فشار قوی که ولتاژ آن اندازه گیری می شود متصل می شود. ولتاژ در سراسر سیم پیچ ثانویه بسته به آنچه مورد نظر است به سیم پیچ های بالقوه متر، رله و سایر ابزارها اعمال می شود.

اگر ولتاژهای اولیه و ثانویه برابر باشند، ترانسفورماتور دارای نسبت یک به یک است. از ترانسفورماتورهای یک به یک برای جداسازی الکتریکی دو قسمت از مدار استفاده می شود. ترانسفورماتورهای یک به یک به عنوان ترانسفورماتورهای ایزوله نیز شناخته می شوند. آنها برای جداسازی تجهیزات حساس مانند کنترل کننده های مبتنی بر ریزپردازنده مفید هستند.

انواع ترانسفورماتورها بر اساس تعداد فاز

ترانسفورماتورها بر اساس تعداد فازها به دو نوع اصلی ترانسفورماتورهای تک فاز و سه فاز تقسیم می شوند.

ترانسفورماتورهای تک فاز

ترانسفورماتورهای تک فاز معمولا دارای یک سیم پیچ ورودی و یک خروجی هستند که اغلب به عنوان سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور شناخته می شود. این سیم پیچ ها به صورت الکتریکی به هم متصل نیستند، اما به صورت مغناطیسی جفت می شوند. سیم پیچ اولیه انرژی را از منبع ولتاژ می گیرد، در حالی که سیم پیچ ثانویه انرژی را به بار می رساند.

ترانسفورماتورها تقویت کننده قدرت نیستند. برای تمام اهداف عملی، توان ورودی ظاهری (| S |) به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور برابر با توان ظاهری است که توسط سیم پیچ ثانویه به بار تحویل می شود. به عبارت دیگر، ولت آمپر سیم پیچ اولیه (V1, I1) تقریباً برابر با ولت آمپر سیم پیچ ثانویه (V2, I2) است. از نظر ریاضی،

| S | = V1*I1 = V2*I2

ترانسفورماتورهای تک فاز برای تامین برق پریزها، روشنایی منازل مسکونی، AC و نیازهای گرمایشی استفاده می شوند.

ترانسفورماتور سه فاز

ترانسفورماتورهای سه فاز و دو سیم پیچ برای اتصال دو سیستم توزیع با ولتاژهای مختلف مانند خط انتقال 25 کیلوولت و نیروگاه 480 ولت استفاده می شود. اکثر ترانسفورماتورهای صنعتی از این نوع هستند. آنها را ترانسفورماتور دو سیم پیچ می نامند زیرا برای هر سیم پیچ فاز اولیه، تنها یک سیم پیچ فاز ثانویه وجود دارد. ترانسفورماتورها در واقع دارای شش سیم پیچ هستند – سه سیم پیچ برای برق سه فاز ورودی و سه سیم پیچ برای برق سه فاز خروجی. ترانسفورماتورهای سه فاز می توانند از نوع هسته ای یا پوسته ای باشند. در ساختار نوع هسته، سیم پیچ ها روی پایه های جداگانه هسته چند لایه قرار دارند. در ساختار پوسته ای، هر دو سیم پیچ روی یک پایه قرار دارند.

ترانسفورماتورهای سه فاز به طور گسترده در سیستم های توزیع برق مورد استفاده قرار می گیرند. برق سه فاز رایج ترین روشی است که در آن برق تولید، انتقال و استفاده می شود. اگر چه به طور گسترده در کاربردهای تجاری و صنعتی استفاده می شود، برق سه فاز معمولاً در کاربردهای مسکونی استفاده نمی شود.