ترانسفورماتور ها در انواع مختلف ساخته می شوند و یکی از مهم‌ترین تجهیزات در صنعت برق هستند که بدون وجود آن‌ها انتقال ایمن و کارآمد انرژی الکتریکی در شبکه‌های قدرت تقریباً غیرممکن است. این دستگاه‌ها وظیفه دارند ولتاژ را بدون تغییر در فرکانس، بالا یا پایین ببرند تا بتوان برق را در مسیرهای طولانی منتقل کرد یا برای مصرف خانگی و صنعتی آماده‌سازی نمود. شناخت انواع ترانسفورماتورها و کاربرد هر یک، برای دانشجویان برق، مهندسان و علاقه‌مندان به سیستم‌های قدرت اهمیت زیادی دارد.
مفهوم و اساس کار ترانسفورماتور
ترانسفورماتور وسیله‌ای است که بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی کار می‌کند. این وسیله معمولاً از دو سیم‌پیچ اصلی به نام‌های اولیه و ثانویه تشکیل شده است که دور یک هسته مغناطیسی پیچیده شده‌اند. وقتی جریان متناوب از سیم‌پیچ اولیه عبور می‌کند، میدان مغناطیسی متغیری ایجاد می‌شود که موجب القای ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه می‌گردد. نسبت ولتاژ ورودی به خروجی به تعداد دور این دو سیم‌پیچ بستگی دارد. اگر سیم‌پیچ ثانویه دور بیشتری نسبت به اولیه داشته باشد، ترانسفورماتور افزاینده خواهد بود و برعکس، در صورت کمتر بودن تعداد دور، ترانسفورماتور کاهنده می‌شود. در ادامه شما را با انواع ترانسفورماتور ها آشنا خواهیم کرد.
ترانسفورماتورهای افزاینده و کاهنده
این دو نوع از رایج‌ترین انواع ترانسفورماتور ها هستند و در تمام شبکه‌های برق استفاده می‌شوند. ترانسفورماتور افزاینده (Step-Up) در نیروگاه‌های برق نصب می‌شود تا ولتاژ تولیدی را به مقدار بسیار بالا افزایش دهد. این افزایش ولتاژ باعث کاهش جریان و به‌تبع آن کاهش تلفات در خطوط انتقال می‌شود. در طرف دیگر، درکنار محل مصرف، از ترانسفورماتور کاهنده (Step-Down) استفاده می‌شود تا ولتاژ بالا را به مقادیر قابل‌استفاده برای تجهیزات و وسایل برقی کاهش دهد.
ترانسفورماتورقدرت
ترانسفورماتورهای قدرت برای کار در ولتاژها و توان‌های بالا طراحی شده‌اند و معمولاً در پست‌های انتقال برق به‌کار می‌روند. این نوع ترانسفورماتورها می‌توانند توان‌هایی در حد صدها مگاولت‌آمپر (MVA) را مدیریت کنند. به دلیل ظرفیت بالایشان، این ترانس‌ها از سیستم‌های خنک‌کاری پیشرفته مانند روغن یا گردش هوا استفاده می‌کنند. کارکرد مستمر و بدون توقف آن‌ها اهمیت زیادی دارد، زیرا خرابی آن‌ها می‌تواند موجب قطع برق در مناطق گسترده شود.
ترانسفورماتور توزیع
در نقطه مقابل ترانس‌های قدرت، ترانسفورماتورهای توزیع قرار دارند که وظیفه تأمین برق نهایی برای مصرف‌کنندگان را بر عهده دارند. این ترانس‌ها معمولاً روی تیرهای برق یا در پست‌های کوچک شهری نصب می‌شوند و ولتاژ را از سطح متوسط (مثلاً 20 کیلوولت) به سطح پایین (مثلاً 400 یا 220 ولت) کاهش می‌دهند. ظرفیت این ترانس‌ها نسبتاً پایین‌تر است و برای بارهای سبک‌تر طراحی شده‌اند.
ترانسفورماتور ایزوله
ترانسفورماتور ایزوله نوع خاصی از ترانسفورماتور است که هدف اصلی آن جداسازی الکتریکی بین مدار ورودی و خروجی است. در این ترانس‌ها، ولتاژ ورودی و خروجی ممکن است برابر باشد، اما از نظر ایمنی، این جداسازی باعث می‌شود جریان نشتی یا اختلالات در یک سمت، به طرف دیگر منتقل نشود. این نوع ترانسفورماتور در محیط‌هایی مانند اتاق عمل، آزمایشگاه‌ها، یا سیستم‌های صوتی و الکترونیکی حساس کاربرد دارد.
ترانسفورماتور خودکار (اتوترانسفورماتور)
در اتوترانسفورماتورها برخلاف ترانس‌های معمولی، فقط یک سیم‌پیچ وجود دارد که هم برای ورودی و هم برای خروجی استفاده می‌شود. به این ترتیب بخشی از سیم‌پیچ نقش اولیه و بخشی دیگر نقش ثانویه را ایفا می‌کند. این طراحی باعث کاهش اندازه، وزن و هزینه تولید ترانس می‌شود. البته یکی از معایب این ترانس‌ها، نبود جداسازی الکتریکی کامل بین ورودی و خروجی است. از این ترانسفورماتورها در راه‌اندازی موتورهای صنعتی و تنظیم ولتاژ شبکه‌های توزیع استفاده می‌شود.
ترانسفورماتور اندازه‌گیری
در سیستم‌های قدرت، اندازه‌گیری دقیق ولتاژ و جریان اهمیت زیادی دارد. چون ولتاژ و جریان واقعی بسیار بالا هستند، نمی‌توان آن‌ها را مستقیماً به دستگاه‌های اندازه‌گیری متصل کرد. به همین دلیل از ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری استفاده می‌شود. این ترانس‌ها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: ترانس جریان (CT) برای کاهش جریان و ترانس ولتاژ (PT یا VT) برای کاهش ولتاژ. این ترانس‌ها علاوه‌بر اندازه‌گیری، نقش مهمی در حفاظت از تجهیزات نیز دارند.
ترانسفورماتورخشک
ترانسفورماتورهای خشک برخلاف بسیاری از انواع دیگر، از روغن برای خنک‌کاری استفاده نمی‌کنند. در عوض، این ترانس‌ها با جریان هوا خنک می‌شوند و به همین دلیل مناسب نصب در محیط‌های بسته، مانند داخل ساختمان‌ها یا بیمارستان‌ها هستند. مزیت مهم آن‌ها کاهش خطر آتش‌سوزی و عدم نیاز به نگهداری از روغن است. البته معمولاً ظرفیت کمتری نسبت به ترانس‌های روغنی دارند.
ترانسفورماتور زمین
در برخی از شبکه‌ها، مخصوصاً در سیستم‌های سه‌فاز مثلثی (Δ)، نقطه نوترال وجود ندارد. ترانسفورماتور زمین در این موارد به کار می‌رود تا امکان ایجاد اتصال زمین و حفاظتی مناسب فراهم شود. این نوع ترانسفورماتورها به جلوگیری از اضافه‌ولتاژها در هنگام بروز خطاهای زمین کمک می‌کنند و پایداری شبکه را افزایش می‌دهند.
ترانسفورماتور با فرکانس بالا (High-Frequency Transformer)
یکی از انواع ترانسفورماتور ها، ترانسفورماتور با فرکانس بالا است. ترانسفورماتورهای با فرکانس بالا یکی از مهم‌ترین اجزای الکترونیکی در سیستم‌های مدرن هستند. برخلاف ترانسفورماتورهای معمول که در فرکانس‌های پایین مانند ۵۰ یا ۶۰ هرتز (فرکانس برق شهری) کار می‌کنند، این نوع ترانس‌ها در فرکانس‌های بسیار بالاتر – از چند کیلوهرتز (kHz) تا حتی چند مگاهرتز (MHz) – طراحی شده‌اند. همین ویژگی باعث شده تا آن‌ها ابعاد کوچک‌تر، وزن کمتر و بازده بالاتری داشته باشند و در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی امروزی، به‌خصوص در منابع تغذیه سوئیچینگ، کاربرد گسترده‌ای پیدا کنند.
نتیجه‌گیری
ترانسفورماتورها قلب تپنده سیستم‌های قدرت هستند. از برق‌رسانی خانگی گرفته تا کاربردهای صنعتی، پزشکی و مخابراتی، هیچ سیستم الکتریکی بدون وجود ترانسفورماتور کارایی کامل ندارد. انتخاب نوع مناسب ترانسفورماتور بر اساس توان، ولتاژ، محیط کاربرد و نیاز سیستم از اهمیت زیادی برخوردار است. با پیشرفت تکنولوژی، ترانسفورماتورهای هوشمند و دیجیتال نیز وارد میدان شده‌اند که امکان مانیتورینگ، کنترل و بهینه‌سازی عملکرد را در لحظه فراهم می‌کنند.