همه چیز درباره ترانس افزاینده
ترانس یا ترانسفورماتور، یک دستگاه الکتریکی عایقبندیشده است که انرژی را طبق قوانین الکترومغناطیس از یک مدار به مدار دیگر یا مدارهای دیگر، بسته به کاربرد، انتقال میدهد. یکی از مهمترین کاربرد ترانسها، تغییر سطح ولتاژ ورودی اعمالشده به پایههای آن میباشد.
از نظر کارکرد و تغییر میزان ولتاژ، ترانسها به دو دسته کاهنده و افزاینده دستهبندی میشوند. ترانسفورماتور افزاینده ولتاژ هنگامی استفاده میشود که انرژی ورودی به ترانس دارای ولتاژ متناوب پایین و جریان متناوب خیلی زیاد باشد؛ باتوجه به اینکه مقدار جریان و ولتاژ یک سیگنال رابطه عکس دارند، هدف از بهکارگیری ترانس افزاینده، افزایش میزان ولتاژ و کاهش دامنه جریان به منظور کاهش تلفات انرژی یا آسیب دستگاههای مختلف در اثر جریان زیاد است.
ترانسفورماتور کاهنده هم هنگامی کاربرد دارد که ولتاژ ورودی دارای دامنه زیاد و جریان مقدار کمیداشته باشد؛ در خروجی ترانس کاهنده ولتاژ تا حد زیادی کاهش خواهد یافت و دامنه جریان زیاد خواهد شد.
در ادامه این مقاله، به بررسی جزئیتر ساختار ترانس افزاینده میپردازیم.
ترانسفورماتور یا ترانس افزاینده
همانطور که اشاره شد، ترانس افزاینده به منظور بالابردن سطح ولتاژ در خروجی ترانس، به کار میرود. به عبارت دیگر نتیجه فرایند داخل ترانس افزاینده، بیشتربودن دامنه ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی است؛ البته در این فرایند طبق قانون پایستگی انرژی، جریان خروجی نسبت به ورودی کاهش خواهد یافت تا انرژی ورودی و خروجی ترانس ثابت باقی بماند.
از ترانسهای افزاینده عموما در نیروگاهها و ایستگاههای تولید برق به منظور کاهش تلفات انرژی در طول خطوط انتقال و همچنین در قسمت توزیع برق به منظور دسترسی به سطح ولتاژ و جریان لازم مصارف مختلف، استفاده میشود.
همانطور که میدانید، ترانسها شامل یک هسته مغناطیسی و دو سیمپیچ ورودی و خروجی هستند(برای ترانسی با یک سمت خروجی). در مورد ترانسهای افزاینده ولتاژ، تعداد دور سیمپیچ ثانویه یا خروجی بسیار بیشتر از تعداد دور سیمپیچ اولیه یا ورودی خواهد بود.
به منظور تولید یک ترانس افزاینده، در ابتدا سیمپیچهای اولیه و ثانویه ساخته میشوند و سپس به همراه تجهیزات دیگر در راستای هسته ترانس قرار میگیرند. اکثر ترانسها یک محفظه روغن دارند که روغن داخل آن به منظور ایجاد عایق در مدار ورودی و خروجی و جلوگیری از ایجاد جرقه و آتشسوزی کاربرد دارد.
ساختار هسته ترانس افزاینده
هسته در ترانسفورماتور به منظور ایجاد مسیری برای انتقال شار مغناطیسی تولیدشده ناشی از تغییر جریان متناوب ورودی و انتقال آن به سیمپیچ ثانویه قرار میگیرد. اگر هسته را در بین سیمپیچها قرار ندهیم، بیشتر شار تولیدشده در هوا پراکنده شده و به عبارت بهتر تلف میشود.
برای ساخت هسته ترانس افزاینده، عموما از موادی با ضریب نفوذپذیری مغناطیسی زیاد مانند آهن، آلیاژهای آهن، فولاد سیلیکونی و فریت(ترکیب آهن، روی و نیکل) استفاده میشود تا هسته قابلیت بالاتری برای متمرکزکردن شار مغناطیسی در درون خود و جلوگیری از ایجاد شار نشتی و تلفات قابلتوجه داشته باشد.
هسته ترانس افزاینده معمولا بصورت لایهلایه تولید میشود تا تلفات ناشی از جریان گردابی هم به حداقل برسد؛ به طور مثال، به منظور ساخت هستههایی که از جنس فولاد سیلیکونی هستند، ورقههای نازک فولاد سیلیکون روی هم قرار میگیرند و بصورت لایهای در طول یک پروسه، روی هم فشرده میشوند.
هسته ترانس افزاینده بسته به توان و سطح ولتاژی که افزايش ميدهد در ابعاد مختلف و به شكل E، Iو يا به صورت حلقوي ساخته ميشود.
ساختار سیمپیچهای ترانس افزاینده
سیمپیچ های ورودی و خروجی ترانس افزاینده در تعداد دورهای مختلف، به دور هسته پیچیده میشوند. اشاره کردیم که برای ترانس افزاینده، تعداد دور سیمپیچ خروجی در مقایسه با سیمپیچ ورودی بیشتر است. البته برای اینکه سیمپیچ اولیه بتواند جریان زیاد و ولتاژ کم ورودی را تحمل کند، با ضخامت بیشتری نسبت به سیمپیچ ثانویه ساخته میشود.
برای ساخت سیمپیچهای ترانس افزاینده از فلزات با قابلیت رسانایی بالا مانند مس و آلومینیوم استفاده میشود؛ مس، رسانایی بهتری دارد و استفاده از آن برای افزایش طول عمر ترانس بهتر است؛ اما به دليل گران بودن اين فلز، عموما از آلومينيوم براي ساختن سيمپيچ ها استفاده ميشود.
ترانس افزاینده چگونه سطح ولتاژ را افزایش میدهد؟
حتما میدانید که جریان و ولتاژ در شبکه برق، به صورت متناوب سینوسی است. هنگامیکه جریان سمت ورودی ترانس به صورت متناوب تغییر میکند، طبق قوانین القای مغناطیسی، یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان در سیمپیچ اولیه القا میشود. شار فرضی ناشی از این میدان از سیمپیچ ثانویه یا خروجی عبور کرده و براساس قانون القای فارادی یک ولتاژ در سیمپیچ دوم القا میشود و به خروجی میرسد.
با توجه به اینکه تعداد دور سیمپیچ ثانویه ترانس افزاینده بیشتر است، ولتاژ القاشده در طرف خروجی دامنه بیشتری خواهد داشت. بین تعداد دورهای سیمپیچهای ثانویه و اولیه (و )، ولتاژ (و) و جریان ثانویه و اولیه (و ) رابطه زیر برقرار است:
بطور مثال یک ترانس افزاینده 110 به 400 یعنی این ترانس ولتاژ ورودی 110 ولت را در خروجی به ولتاژ 400 ولت تبدیل میکند.
ذکر این نکته لازم است که توان یا قدرت نامی ترانس و همچنین فرکانس ترانس در سمت ورودی و خروجی تقریبا ثابت باقی میمانند. تنها ولتاژ و جریان است که به نسبت عکس یکدیگر طبق رابطه فوق تغییر میکنند.
کاربرد ترانس افزاینده در صنعت
علاوه بر افزایش سطح ولتاژ تولیدی نیروگاهها، امروزه از ترانسهای افزاینده در بخش توزیع برق مصارف مختلف هم استفاده زیادی میشود. در فرایندهایی مانند استفاده از انرژیخورشیدی، ولتاژ ثابت گذرنده از مبدل الکترونیک قدرت پس از تبدیلشدن به ولتاژ متناوب وارد ترانس افزاینده میشود تا سطح ولتاژ بصورت کنترلشده افزایش یابد.
همچنین ترانس افزاینده در چنین مصارفی، سمت اولیه و ثانویه را که به مصارف مختلف وصل است، ایزوله میکند؛ در این حالت دستگاههای الکترونیکی کمتر دچار آسیب ناشی از نوسانات برق میشوند.
مزایای استفاده از ترانس افزاینده
علاو بر افزایش سطح ولتاژ به میزان دلخواه و ایجاد عایقبندی مناسب، استفاده از این ترانس مزایای دیگری هم دارد که شامل موارد زیر میشوند:
- عملکرد بیوقفه و متوالی ترانس در طول شبانهروز
- نیاز به نگهداری و بازدید کم
- کارایی و راندمان بالا
- انتقال صحیح انرژی برق از سمت اولیه به ثانویه
ترانسهای افزاینده جزء جدانشدنی شبکه قدرت در بخش انتقال و توزیع محسوب میشوند. امروزه با پیشرفت در حوزه الکترونیک قدرت و تولید برق از انرژیهای تجدیدپذیر، تولید ترانس افزاینده صنعتی در سطوح ولتاژ و توانهای نامی مختلف با افزایش قابلتوجهی همراه بوده است.