ترانسفورماتور برق چیست و چگونگی کار آن؟

مقدمه

ترانسفورماتور برق چیست و چگونگی کار آن یکی از مهم‌ترین تجهیزات در صنعت برق است که وظیفه اصلی آن انتقال و تبدیل انرژی الکتریکی بین مدارها با سطوح ولتاژ متفاوت می‌باشد. بدون وجود ترانسفورماتورها، امکان انتقال برق از نیروگاه‌ها به فواصل طولانی و توزیع ایمن آن به مصرف‌کنندگان وجود نداشت.

این تجهیزات در تمام سطوح شبکه برق از نیروگاه‌ها تا صنایع و منازل کاربرد دارند. از ترانسفورماتورهای قدرت عظیم در پست‌های انتقال گرفته تا ترانسفورماتورهای کوچک اندازه‌گیری در کنتورهای خانگی، همگی نقش کلیدی در پایداری و بهره‌وری شبکه ایفا می‌کنند.

این مقاله به‌طور جامع به تعریف ترانسفورماتور برق چیست و چگونگی کار آن، اجزا، انواع، اصول کاری، کاربردها، فناوری‌های نوین، الزامات توانیر و تولیدکنندگان داخلی و خارجی می‌پردازد.

فهرست مطالب

1. تعریف ترانسفورماتور برق
2. اصول کار ترانسفورماتور
3. اجزای اصلی ترانسفورماتور
4. انواع ترانسفورماتور و کاربردهای آن
5. کاربرد ترانسفورماتور در صنعت برق
6. تلفات و راندمان ترانسفورماتور
7. سیستم‌های خنک‌کاری ترانسفورماتور
8. الزامات توانیر و استانداردهای ترانسفورماتور
9. فناوری‌های نوین در طراحی ترانسفورماتور
10. تولیدکنندگان معتبر داخلی و خارجی
11. جمع‌بندی
12. منابع معتبر
13. پرسش و پاسخ‌های متداول

1. تعریف ترانسفورماتور برق:

ترانسفورماتور برق چیست و چگونگی کار آن وسیله‌ای الکترومغناطیسی است که انرژی الکتریکی را از یک مدار به مدار دیگر منتقل می‌کند و در این فرآیند، سطح ولتاژ و جریان را تغییر می‌دهد. این تجهیز با استفاده از قانون القای فاراده کار می‌کند و به کمک میدان مغناطیسی بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه انرژی منتقل می‌شود.

2. اصول کار ترانسفورماتور:

اساس کار ترانسفورماتور بر پایه القای الکترومغناطیسی است. زمانی که جریان متناوب از سیم‌پیچ اولیه عبور می‌کند، میدان مغناطیسی متغیری در هسته ایجاد می‌شود. این میدان در سیم‌پیچ ثانویه ولتاژی القا می‌کند که متناسب با نسبت تعداد دورهای سیم‌پیچ‌هاست:

که در آن:

• V1: ولتاژ اولیه
• V2: ولتاژ ثانویه
• N1: تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه
• N2: تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه

3. اجزای اصلی ترانسفورماتور:

ترانسفورماتور از چند جزء کلیدی تشکیل شده است:

• هسته (Core): از ورق‌های سیلیس دار ساخته می‌شود و مسیر شار مغناطیسی را فراهم می‌کند.
• سیم‌پیچ‌ها: شامل سیم‌پیچ اولیه و ثانویه، معمولاً از سیم مسی یا آلومینیومی عایق‌دار ساخته می‌شوند.
• عایق‌بندی: برای جلوگیری از اتصال کوتاه بین سیم‌پیچ‌ها و هسته.
• روغن ترانسفورماتور: در ترانس‌های روغنی برای خنک‌کاری و عایق‌بندی استفاده می‌شود.
• محفظه (Tank): محفظه فولادی که اجزای داخلی را در خود جای می‌دهد.
• بوشینگ‌ها (Bushings): برای عبور ایمن هادی‌ها به خارج از ترانس.
• سیستم خنک‌کاری: شامل رادیاتورها، فن‌ها و پمپ‌های روغن یا هوا.

4. انواع ترانسفورماتور و کاربردهای آن:

ترانسفورماتورها بر اساس معیارهای مختلف طبقه‌بندی می‌شوند:

• بر اساس سطح ولتاژ:
  • ترانسفورماتور قدرت (برای انتقال در سطوح بالا)
  • ترانسفورماتور توزیع (برای تحویل به مصرف‌کنندگان)
• بر اساس کاربرد:
  • ترانسفورماتور اندازه‌گیری (ولتاژ و جریان)
  • ترانسفورماتور ایزولاسیون
  • ترانسفورماتور آزمایشگاهی
• بر اساس محیط عایق:
  • ترانسفورماتور روغنی
  • ترانسفورماتور خشک (Dry Type)
  • ترانسفورماتور رزینی (Cast Resin)
• بر اساس ساختار:
  • ترانسفورماتور تک‌فاز
  • ترانسفورماتور سه‌فاز

5. کاربرد ترانسفورماتور در صنعت برق:

• انتقال برق از نیروگاه به شبکه انتقال
• کاهش ولتاژ در شبکه توزیع برای مصرف‌کنندگان خانگی و صنعتی
• ایزولاسیون الکتریکی برای ایمنی دستگاه‌ها
• اندازه‌گیری جریان و ولتاژ در پست‌ها و شبکه‌ها
• تأمین ولتاژ مورد نیاز تجهیزات خاص مانند کوره‌های القایی

6. تلفات و راندمان ترانسفورماتور:

هیچ ترانسفورماتوری راندمان ۱۰۰٪ ندارد. مهم‌ترین تلفات عبارت‌اند از:

• تلفات مسی (Copper Losses): ناشی از مقاومت سیم‌پیچ‌ها.
• تلفات آهنی (Iron Losses): شامل تلفات هیسترزیس و فوکو در هسته.
• تلفات نشتی: ناشی از شار مغناطیسی که به‌طور کامل به سیم‌پیچ ثانویه نمی‌رسد.

راندمان ترانسفورماتورهای قدرت معمولاً بین ۹۷ تا ۹۹ درصد است.

7. سیستم‌های خنک‌کاری ترانسفورماتور:

• ONAN (Oil Natural Air Natural): خنک‌کاری طبیعی با روغن و هوا.
• ONAF (Oil Natural Air Forced): استفاده از فن برای بهبود خنک‌کاری.
• OFAF (Oil Forced Air Forced): پمپ روغن و فن هوا.
• ODAF (Oil Directed Air Forced): گردش اجباری روغن به سمت نقاط داغ.
• ترانسفورماتورهای خشک: خنک‌کاری با جریان هوا یا رزین اپوکسی.

8. الزامات توانیر و استانداردهای ترانسفورماتور:

شرکت توانیر و شرکت‌های توزیع برق ایران برای تضمین کیفیت و ایمنی ترانسفورماتورها الزامات زیر را تدوین کرده‌اند:

• مطابقت با استانداردهای IEC و ملی ایران
• انجام آزمایش‌های تایپ تست (Type Test) و روتین تست
• استفاده از روغن‌های عایقی استاندارد (IEC 60296)
• قابلیت اتصال به سیستم‌های SCADA و مانیتورینگ هوشمند
• رعایت الزامات محیط زیستی و کاهش نشت روغن

9. فناوری‌های نوین در طراحی ترانسفورماتور:

• ترانسفورماتور هوشمند (Smart Transformer): قابلیت پایش لحظه‌ای پارامترها و اتصال به شبکه هوشمند.
• ترانسفورماتور دیجیتال: مجهز به سنسورها و سیستم‌های ارتباطی برای مدیریت پیشرفته.
• ترانسفورماتور خشک رزینی: ایمنی بالا، مناسب برای محیط‌های حساس مانند مترو و بیمارستان.
• ترانسفورماتورهای سازگار با انرژی‌های تجدیدپذیر: طراحی ویژه برای نیروگاه‌های خورشیدی و بادی.
• ترانسفورماتورهای کم‌تلفات: با هسته آمورف برای کاهش تلفات انرژی.

10. تولیدکنندگان معتبر داخلی و خارجی:

10.1. تولیدکنندگان داخلی:

• ایران ترانسفو: بزرگ‌ترین تولیدکننده انواع ترانسفورماتور قدرت و توزیع. وب‌سایت: www.irantransfo.com
• نیروترانس: تولیدکننده ترانسفورماتورهای توزیع و قدرت.
• پارس سوئیچ: سازنده تابلو و تجهیزات جانبی ترانسفورماتور.

10.2. تولیدکنندگان خارجی:

• Siemens آلمان: ترانسفورماتورهای قدرت و هوشمند. وب‌سایت: www.siemens.com
• Schneider Electric فرانسه: ترانسفورماتورهای خشک و GIS. وب‌سایت: www.se.com
• ABB سوئیس: ترانسفورماتورهای قدرت و دیجیتال. وب‌سایت: global.abb
• Eaton آمریکا: ترانسفورماتورهای توزیع و حفاظتی. وب‌سایت: www.eaton.com

11. جمع‌بندی:

ترانسفورماتور برق چیست و چگونگی کار آن قلب تپنده شبکه برق است. این تجهیز با کاهش و افزایش ولتاژ، امکان انتقال ایمن و اقتصادی انرژی را فراهم می‌سازد. شناخت اجزا، انواع، اصول کار و فناوری‌های نوین در ترانسفورماتورها برای مهندسان و فعالان حوزه برق حیاتی است.

با توسعه ترانسفورماتورهای هوشمند و دیجیتال، آینده صنعت برق به سمت کاهش تلفات، افزایش ایمنی و هوشمندسازی شبکه پیش می‌رود.

12. منابع معتبر:

1. وب‌سایت شرکت توانیر: www.tavanir.org.ir
2. استانداردهای IEC: www.iec.ch
3. شرکت ایران ترانسفو: www.irantransfo.com
4. IEEE Power & Energy Journal: ieee.org