ترانسفورماتور یا ترانسفورمر از جمله تجهیزات مهم صنعت برق محسوب می‌شوند که آشنایی با آن‌ها و نحوه عملکردشان برای هر شخص که با حوزه برق سروکار دارد، مهم است. در این مقاله با ترانسفورماتورها، اساس کار آن‌ها و کاربردشان آشنا خواهیم شد.

ترانسفورماتور چیست؟

ترانسفورماتور یا ” Transformer ” یا مبدل الکتریکی یکی از کلیدی‌ترین عناصر در انتقال انرژی الکتریکی است. این انتقال می‌تواند در شبکه‌های بزرگ قدرت یا حتی در انتقال انرژی الکتریکی به یک تجهیز کوچک الکتریکی باشد. ترانسفورمر، انرژی الکتریکی را با استفاده از القای الکتریکی که توسط دو یا چند سیم‌پیچ که بر روی هسته فلزی پیچیده شده‌اند، از مداری (سمت اولیه) به مداری دیگر (سمت ثانویه) انتقال می‌دهد.

پس از ایجاد جریان الکتریکی در سمت اولیه یک ترانسفورماتور، میدان مغناطیسی در اطراف سیم‌پیچ اولیه شکل می‌گیرد. میدان مغناطیسی ایجاد شده، موجب بوجود آمدن ولتاژ در سمت ثانویه می‌شود. در نهایت در صورت وجود یک بار الکتریکی در سمت ثانویه جریان برقرار می‌شود.

اصول کار ترانسفورماتور

اساس کار ترانسفورمرها، قانون القای فارادی است. قانون القای فارادی به این شکل تعریف می‌شود که: «با تغییر مقدار شار مغناطیسی عبوری از یک مدار بسته، نیروی محرکه‌ای در آن القا می‌شود که مقدار آن با میزان تغییرات شار مغناطیسی ارتباط مستقیم دارد.»

ترانسفورمرها براساس القای مغناطیسی که بین سمت اولیه و ثانویه ایجاد می‌شود، کار می‌کنند. یک ترانس ساده دارای هسته‌ای از جنس آهن نرم یا فولاد سیلیکونی است. با اتصال سیم‌پیچ اولیه به یک منبع تغدیه و جاری شدن جریان در آن، جریانی متناوب در هسته القا می‌شود. با عبور این جریان، نیروی محرکه‌ای در سمت ثانویه القا می‌شود. با وجود بار در سمت ثانویه، جریان در آن جاری خواهد شد.

کاربرد ترانسفورماتور

ترانسفورمرها دارای تقسیم‌بندی‌ها و انواع گوناگونی هستند. هر کدام از انواع ترانسفورمر کاربرد مخصوص به خود را دارد. قابلیتی که ترانسفورماتورها در اختیار کاربران قرار می‌دهد، موجب می‌شود تا آن‌ها بتوانند از وسایل الکتریکی با ولتاژ و جریان مختلف بهره ببرند. به عنوان نمونه کاربران می‌توانند در محل‌هایی که نیاز به افزایش ایمنی وجود دارد، سطح ولتاژ را کاهش دهند یا در مورد دستگاه جوش از جریان بالا استفاده کنند.

همچنین برخی از کاربردهای دیگر ترانس‌ ها عبارت است از:

• کوره‌های الکتریکی؛
• مدارهای جوشکاری؛
• مدارهای اندازه‌گیری؛
• راه‌اندازی موتورهای الکتریکی؛
• افزایش ولتاژ به منظور کاهش تلفات؛
• تطبیق ولتاژ مورد نیاز جهت تغذیه مصرف کننده؛
• جداکننده مدار با ولتاژهای زیاد از مدارهای با ولتاژ پایین؛
• و … .

ساختمان ترانسفورماتور

مهم‌ترین اجزای یک ترانس عبارت است از:

هسته

در ترانسفورماتورها برای اتصال شار مغناطیسی بین سیم‌پیچ‌ها از یک مسیر با مقاومت مغناطیسی (رلوکتانس) کم استفاده می‌شود. این مسیر همان هسته ترانس است. هسته ترانسفورماتور معمولا برای کاهش تلفات آهنی از ورقه‌های نازک تشکیل می‌شود. همچنین از کاغذهای مخصوص یا یک لایه نازک اکسید فسفات (یا سیلیکات) به عنوان عایق در بین این ورقه‌های نازک استفاده می‌شود.

سیم‌پیچ

سیم‌پیچ‌ها از هادی‌های مسی با روکش لاکی تشکیل شده است. معمولا مقطع این هادی‌ها گرد است، اما در ترانس‌ های قدرت به شکل تسمه هستند.

قرقره یا بوبین

جنس قرقره‌ها معمولا از کاغذ عایق سخت، فیبرهای استخوانی یا مواد ترموپلاستیک است. سیم‌پیچ‌ها بر روی قرقره پیچیده می‌شوند. از قرقره برای حفاظت و نگهداری سیم‌پیچ ترانسفورماتور استفاده می‌شود.

جهت شناخت بیشتر و دقیقتر اجزای ساختمان ترانسفورماتور به ویدئوی زیر توجه کنید.

مدار معادل ترانسفورمر

در تحلیل مدارهایی که ترانسفورمر نیز وجود دارد، گاهی به دلیل پیچیدگی محاسبات از مدار معادل ترانسفورماتور استفاده می‌شود. این مدار معادل در حالات مختلفی که برای ترانسفورماتور در نظر می‌گیریم متفاوت است. این حالات می‌تواند ایده‌آل یا واقعی باشد.

مدار معادل ترانسفورمر ایده‌آل

ترانسفورماتور ایده‌ال به ترانسی گفته می‌شود که ضریب نفوذپذیری مغناطیسی آن بی‌نهایت و تلفات آن صفر در نظر گرفته می‌شود. در حقیقت بازدهی این نوع ترانسفورماتور 100% در نظر گرفته می‌شود.

تصویر مدار معادل ترانسفورماتور ایده‌آل را در شکل زیر ملاحظه می‌کنید.

 

هرچند استفاده از مدار معادل ایده‌آل کار را در محاسبات و تحلیل‌ها بسیار راحت‌تر می‌کند، اما در حقیقت ما با یک ترانسفورمر ایده‌آل روبرو نیستیم. بنابراین برای افزایش دقت در محاسبات باید از مدار معادل واقعی استفاده کرد.

مدار معادل واقعی ترانسفورماتور

مدار معادل ترانسفورمر بسته به عوامل مختلفی نظیر فرکانس یا تعداد دور سیم‌پیچ‌ها می‌تواند متفاوت باشد. در حقیقت با توجه به هر کدام از این عوامل می‌توان با تقریب‌های مناسب مدار را دستخوش تغییر کرد. این موضوع در صورتی اتفاق می‌افتد که مجاز به تقریب‌ها در تحلیل‌ها و محاسباتمان باشیم.

در این معادل هر یک از حروف اختصاری بیانگر موارد زیر هستند:

1E: ولتاژ القایی اولیه

:E2 ولتاژ القایی ثانویه

V1 : ولتاژ ترمینال اولیه

V2 : ولتاژ ترمینال اولیه

I1 : جریان اولیه

I2 : جریان ثانویه

Ie : جریان تحریک

R1 : مقاومت سیم‌پیچ اولیه

R2 : مقاومت سیم‌پیچ ثانویه

X1 : راکتانس نشتی اولیه

X2 : راکتانس نشتی ثانویه

Im,Xm : جریان و راکتانس مغناطیس شوندگی

Ic,Rc : جریان و مقاومت مربوط به تلفات هسته