ترانسفورماتور یکی از بنیادیترین تجهیزات الکتریکی در سیستمهای قدرت است؛ وسیلهای که بدون حضور آن، انتقال انرژی الکتریکی در مسافتهای طولانی تقریباً غیرممکن میشد. این دستگاه با تغییر سطح ولتاژ، امکان میدهد انرژی با تلفات کمتر در خطوط جریان یابد و سپس در محل مصرف به سطح قابل استفاده تبدیل شود.
با وجود ظاهر ساده و بدنه آهنین آن، ترانسفورماتور از مجموعهای از اجزای دقیق، حساس و مهندسیشده تشکیل شده که هریک نقشی کلیدی در کارکرد ایمن و پایدار آن دارند.
شناخت این اجزا نه تنها برای مهندسان برق اهمیت دارد، بلکه برای تکنسینها، دانشجویان و حتی افرادی که در حوزه بهرهبرداری شبکه فعالیت میکنند ضروری است. در ادامه، شما را با اجزا ترانسفورماتور اشنا خواهیم کرد.
اجزا اصلی یک ترانسفورماتور عبارتنداز:
هسته؛ ستون فقرات مغناطیسی ترانسفورماتور
در قلب هر ترانسفورماتور، هسته قرار دارد؛ مجموعهای از ورقههای نازک فولادی سیلیکونی که با دقت بالا رویهم قرار گرفتهاند. وظیفه این ورقهها هدایت شار مغناطیسی است که بین سیمپیچها جریان پیدا میکند. اگر هسته از جنس فولاد یکپارچه ساخته میشد، تلفات فوکو به شدت افزایش مییافت و ترانس از نظر حرارتی و الکتریکی با مشکل مواجه میشد.
بنابراین ورقهورقه بودن هسته و استفاده از پوشش عایقی میان لایهها باعث کاهش جریانهای سرگردان و افزایش بهرهوری دستگاه میشود. شکل هسته نیز معمولاً به دو گونه هستهای و پوششی طراحی میشود که انتخاب آن به ظرفیت، کاربرد و نحوه سیمپیچی بستگی دارد.
سیمپیچها؛ مجرای الکتریکی تبدیل ولتاژ
یکی دیگر از مهمترین اجزای ترانسفورماتور، سیمپیچهای آن است. یک ترانس معمولی حداقل دو سیمپیچ دارد: سیمپیچ اولیه که ولتاژ ورودی را دریافت میکند و سیمپیچ ثانویه که ولتاژ خروجی را تحویل میدهد. این سیمپیچها معمولاً از مس یا در برخی موارد آلومینیوم ساخته میشوند و با عایقهای مخصوصی چون کاغذ کرافت، روغن یا رزین از هم جدا شدهاند.
نسبت تعداد دورهای سیمپیچ اولیه به ثانویه تعیینکننده نسبت تبدیل ولتاژ است و همین نسبت ساده اساس عملکرد ترانسفورماتور را شکل میدهد. با این حال، ساخت سیمپیچها تنها به دور زدن سیم محدود نمیشود. چگونگی قرارگیری، نوع کویلبندی، میزان خنککاری و کیفیت عایقکاری عواملی هستند که بر تحمل ولتاژ، جریان و حتی طول عمر ترانس اثر مستقیم دارند.
مخزن اصلی؛ محافظ فلزی و پایگاه ساختار داخلی
تمامی اجزای هسته و سیمپیچ، درون یک مخزن فلزی بزرگ قرار میگیرند که به آن تانک اصلی گفتهمیشود. این محفظه که از ورقهای فولادی ضخیم ساختهمیشود، مسئول حفاظت مکانیکی اجزا در برابر ضربه، رطوبت، گرد و غبار و عوامل محیطی است. تانک اصلی معمولاً طوری طراحی میشود که در برابر فشارهای داخلی ناشی از انبساط روغن یا حوادث الکتریکی مقاوم باشد. در ترانسفورماتورهای قدرت، ضخامت بدنه به گونهای انتخاب میشود که حتی در شرایط اتصال کوتاه یا ارتعاشات شدید شبکه، ساختار آن دچار خمیدگی یا ترک نشود.
روغن ترانسفورماتور؛ خنککنندهای که همزمان عایق است
یکی از مواد کلیدی در عملکرد ترانسفورماتور، روغن مخصوص آن است. روغن ترانس دو وظیفه حیاتی بر عهده دارد: نخست اینکه بهعنوان عایق الکتریکی عمل میکند و بین سیمپیچها و هسته از ایجاد جرقه و تخلیه الکتریکی جلوگیری میکند؛ دوم اینکه حرارت تولیدشده توسط سیمپیچها و هسته را جذب کرده و به رادیاتورها منتقل میکند تا خنککاری بهدرستی انجام شود.
کیفیت روغن نقش بزرگی در عمر ترانس دارد و به همین دلیل در بازههای زمانی مشخص، نمونهگیری و آزمایش آن انجام میشود تا میزان اسیدی شدن، رطوبت و وجود گازهای محلول در آن بررسی گردد. در صورت کاهش کیفیت روغن، احتمال وقوع قوس داخلی و آسیب به سیمپیچها افزایش پیدا میکند.
رادیاتورها؛ ریههای ترانسفورماتور
بدنه ترانسفورماتور معمولاً به رادیاتورها یا پرههایی مجهز است که سطح تبادل حرارتی روغن را افزایش میدهند. وقتی روغن گرم درون سیمپیچها بالا میآید، از طریق مجاری داخلی وارد رادیاتورها میشود و با جاری شدن در میان پرهها، حرارت خود را به هوا منتقل میکند.
این مکانیزم خنککاری که غالباً به صورت طبیعی یا با کمک فن و پمپ (در ترانسهای بزرگ) انجام میشود، مانع از داغ شدن بیش از حد اجزای داخلی میگردد. اگر رادیاتورها دچار انسداد، آلودگی یا نشتی شوند، کل عملکرد ترانس در معرض خطر قرار میگیرد و دما بهطور غیرطبیعی افزایش مییابد.
بوشینگها؛ پل ارتباطی ولتاژ بالا میان داخل و خارج
یکی از ظریفترین و مهمترین اجزای ترانسفورماتور، بوشینگها هستند. این قطعات نقش عبور دادن هادیهای ولتاژ بالا از دیواره فلزی تانک را بر عهده دارند، بدون آنکه اتصال الکترونیکی بین رسانا و بدنه برقرار شود.
بوشینگها معمولاً از جنس سرامیک یا مواد مرکب با ساختار چندلایه ساختهمیشوند و به صورت دقیق طراحی میگردند تا فشارهای الکتریکی را تحمل کنند. شکست عایقی بوشینگ یکی از شایعترین علل انفجار ترانسفورماتورهاست، زیرا در صورت ایجاد جرقه در این نقطه، تخلیه الکتریکی شدید و انتشار فشار ناگهانی رخ میدهد.
کنسرواتور؛ تنظیمکننده تنفس ترانسفورماتور
در اغلب ترانسفورماتورها، مخزن کوچکی بالای تانک اصلی قرار دارد که نام آن کنسرواتور است. وظیفه آن جبران انبساط و انقباض حجم روغن در اثر تغییر دمای عملکرد ترانس است.
وقتی دمای سیمپیچها افزایش مییابد، حجم روغن بیشتر میشود و کنسرواتور فضای لازم برای این تغییر حجم را فراهم میکند. معمولاً داخل کنسرواتور یک بالون هواگیر یا نمد مخصوص قرار دارد تا از تماس مستقیم روغن با هوا جلوگیری شود، زیرا اکسیژن و رطوبت باعث فرسودگی سریع روغن و کاهش خواص عایقی آن میشود.
رله بوخهولتس؛ نگهبان نامرئی ترانسفورماتور
در مسیر میان تانک اصلی و کنسرواتور، رلهای قرار میگیرد که نقش حیاتی در حفظ امنیت ترانسفورماتور دارد: رله بوخهولتس. این نوع رله در برابر تجمع گازهای ناشی از خطاهای داخلی بسیار حساس است. اگر در داخل ترانس جرقه، قوس یا نقطه داغ ایجاد شود، روغن تجزیه و گاز تولید میشود.
این گاز در بوخهولتس تجمع می یابد و باعث فعال شدن رله میشود. در موارد شدیدتر، حرکت سریع روغن داخل لوله بین تانک و کنسرواتور موجب تحریک مرحله دوم رله و قطع کامل ترانس از مدار خواهد شد. به همین دلیل بوخهولتس یکی از مهمترین تجهیزات حفاظتی ترانسفورماتورهای روغنی به شمار میرود.
تپچنجر؛ تنظیمکننده نسبت تبدیل
برای آنکه ولتاژ خروجی ترانسفورماتور همیشه در محدوده مجاز باقی بماند، تجهیزی به نام تپچنجر روی سیمپیچ اولیه نصب میشود. این وسیله امکان تغییر تعداد دورهای مؤثر سیمپیچ را فراهم میکند و در نتیجه نسبت تبدیل ولتاژ به صورت stepped قابل تنظیم میشود.
تپچنجر دو نوع دارد: نوع بدون بار که تنها در زمان خاموشی ترانس قابل تغییر است. نوع دیگر زیر بار که حتی در هنگام عملکرد ترانس نیز قابل تنظیم است. تپچنجرهای زیر بار موتور محرک، مقاومتهای انتقالی و مکانیزمهای داخلی پیچیدهای دارند و نقش مهمی در پایداری ولتاژ شبکه ایفا میکنند.
ابزارهای اندازهگیری و حفاظتی؛ چشمان بیدار ترانسفورماتور
ترانسفورماتور برای عملکرد پایدار نیازمند تجهیزات اندازهگیری و حفاظتی متعددی است. یکی از این وسایل، دمانگار یا ترمومتر است که دمای روغن و دمای سیمپیچ را ثبت و نمایش میدهد.
این تجهیز معمولاً به کنتاکتهایی مجهز است که در صورت افزایش بیشازحد دما، هشدار صادر کرده یا ترانس را از مدار خارج میکند. علاوه بر آن، نشانگر سطح روغن روی کنسرواتور وضعیت حجم روغن را به اپراتور اطلاع میدهد. فشارشکن یا شیر اطمینان نیز در صورت افزایش ناگهانی فشار داخلی، باز می شود و فشار اضافی را تخلیه میکند تا از انفجار جلوگیری شود.
جمعبندی
اجزا ترانسفورماتور | ترانسفورماتور مجموعهای هماهنگ از اجزای الکتریکی، مکانیکی و حرارتی است که هریک نقشی حیاتی در عملکرد نهایی دستگاه دارند. از هستهای که مسیر شار را هدایت میکند، تا سیمپیچهایی که ولتاژ را تبدیل میکنند، مخزن و روغنی که حفاظت و خنککاری را انجام میدهند، بوشینگهایی که ولتاژ بالا را عبور میدهند، و رلههایی که امنیت کار را تضمین میکنند؛ همه اینها در کنار هم سیستم پیچیده و حیاتی ترانسفورماتور را شکل میدهند.
اهمیت شناخت این اجزا فقط در درک عملکرد فنی آنها نیست، بلکه برای پیشگیری از خرابیها، افزایش عمر مفید و بهبود کارایی شبکه نیز ضروری است. امروزه ترانسفورماتورها همچنان بهعنوان قلب سیستم قدرت شناخته میشوند و آگاهی از ساختار درونی آنها نهتنها ارزش علمی دارد، بلکه در حوزه عملی و صنعتی نیز اهمیت فراوانی پیدا کرده است.