ترانسفورماتور تک فاز

ترانسفورماتور تک فاز و ترانسفورماتور ۳ فاز مبدل هایی هستند که جریان الکتریکی را به میدان های مغناطیسی تبدیل و سپس این میدان مغناطیسی را مجددا به جریان الکتریکی تبدیل می کنند.
یکی از مهمترین دلایل استفاده از ترانسفورماتور تک فاز و ترارنسفورماتور ۳ فاز ، ایجاد ایزولاسیون بین یک سیگنال به عنوان ورودی، نسبت به سیگنال خروجی آنست.
در واقع انرژی الکتریکی از طریق میدان مغناطیسی منتقل می شود و ارتباط الکتریکی بین ورودی و خروجی وجود ندارد.
البته در مواردی، از ترانسفورماتور تک فاز و ترانسفورماتور ۳ فاز صرفا به عنوان مبدل استفاده می شود و ورودی و خروجی دارای سر مشترک می باشند که در این موارد می توان توان بالاتری از توان نامی ترانسفورماتور را منتقل نمود (اتو ترانسفورمرها).
نسبت تبدیل ولتاژ ترانسفوماتور تک فاز و ترانسفورماتور ۳ فاز با نسبت تعداد دور سیم پیچ های اولیه و ثانویه آن نسبت مستقیم و نسبت تبدیل جریان آن ها با این نسبت دورها، رابطه عکس دارد. V1/V2 = I2/I1 = n1/n2

ترانسفورماتور تک فاز:

همانگونه که در شکل فوق نمایش داده شده، در ترانس ایزوله جریان سمت اولیه هنگام عبور از سیم پیچ اولیه ایجاد میدان مغناطیسی f را می کند و این میدان هنگام عبور از میان سیم پیچ ثانویه باعث القاء ولتاژ V2 را می کند که در صورت وجود مصرف کننده از آن، جریان I2 عبور خواهد نمود.در ترانسفورماتور تک فاز بین سمت اولیه و ثانویه هیچگونه ارتباط الکتریکی (سیمی) وجود ندارد و لذا سمت اولیه و ثانویه کاملا نسبت به هم ایزوله هستند.

در ترانسفورماتور تک فاز غیر ایزوله سر صفر بین اولیه و ثانویه مشترک می باشد و این دو نسبت به هم ایزوله نیستند ولی در عوض توان مورد نیاز ترانس برای انتقال توان، کمتر از حالت ایزوله می باشد که در مثال زیر بدان می پردازیم:
فرض کنید که می خواهیم یک مصرف کننده با توان ۹۹۰ وات و با ولتاژ نامی ۱۱۰ ولت را از برق شهر ۲۲۰ ولت تغذیه کنیم.
اگر راندمان ترانس را ۱۰۰% فرض کنیم در خصوص ترانس ایزوله مشخص است که نیاز به یک ترانس با توان نامی ۹۹۰ وات داریم و با نسبت تبدیل ۲/۱ (۲۲۰/۱۱۰=۲/۱) .
جریان ثانویه این ترانس I2=990/110=9A و جریان اولیه آن I1=990/220=4.5A می باشد .

در خصوص ترانس غیر ایزوله جریان ثانویه همان ۹ آمپر و جرین اولیه نیز همان ۵/۴ آمپر است ولی اختلاف این دو جریان I3=9-4.5=4.5A می باشد که توسط ترانس تامین می شود و چون ولتاژ دو سر این جریان برابر با ۱۱۰ ولت است توان انتقال یافته یا همان توان ترانس مورد نیاز Ptr=110×4.5=495W خواهد بود.

لذا توسط یک ترانسفورماتور تک فاز غیر ایزوله با توان ۴۹۵ می توان توان ۹۹۰ وات را با این نسبت تبدیل انتقال داد که نصف حالت ایزوله می باشد.

اگر صرفا تبدیل ولتاژ مطرح باشد و ایزوله بودن مهم نباشد می توان از حالت غیر ایزوله استفاده نمود.

ترانسفورماتور تک فاز معمولا (به جز موارد خاص) تا رنج ۱۰KVA مورد مصرف دارند و در توان های بالاتر از سیستم ترانسفورماتور ۳ فاز استفاده می شود.

در طراحی ترانسفورماتور تک فاز فاکتورهای مهمی از جمله، چگالی جریان سیم پیچ ها، نوع هسته بکار رفته، جریان بی باری ترانس، راندمان ترانس در بار نامی و کلاس کار ترانس وجود دارد.

معمولا برای ترانسفورماتور تک فاز، چگالی جریان ۳A/mm2 لحاظ می شود و هسته های با گوس ۸۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ مناسب است. جریان بی باری نبایستی از ۲% جریان نامی اولیه بیشتر باشد. برای ترانسفورماتور تک فاز بالای ۱KVA راندمان حداقل ۹۵% مناسب بوده و معمولا کلاس ۳ برای محاسبات ترانس ها قابل قبول است.

توضیح اینکه کلاس یک ترانسفورماتور تک فاز، مقدار ولتاژ تحت بار به ولتاژ بی بار خروجی ترانس در ورودی نامی و ثابت می باشد.

ترانسفورماتور سه فاز:

در سیستم سه فاز اصول کارکرد با ترانسفورماتور تک فاز یکی است و تنها محاسبات با توجه به انواع سربندیها متفاوت است که در اینجا به چند نمونه آن می پردازیم.

سربندی مثلت (دلتا) و ستاره (Y):

در این نوع سربندی ورودی نیازی به نول ندارد و تنها توسط ۳ فاز تغذیه می شود و یکی از کاربردهای آن ایجاد سر صفر برای مواردی است که سیم نول وجود ندارد.

در این نمونه اولیه بصورت مثلث یا دلتا (RST) و ثانویه به بصورت ستاره یا Y (UVW0) سربندی شده است.

بوبینهای R,S,T اولیه و U,V,W ثانویه هستند. بوبین U با بوبین R، بوبین V با بوبین S و بوبین W با بوبین T هم میدان هستند.

بر خلاف ترانسفورماتور تک فاز، ترانسفورماتور ۳ فاز بیشتر به ترانس های نول ساز معروف هستند و ضمن ایزوله کردن مصرف کننده از ورودی، سر صفر را برای مصرف کننده های تکفاز در خروجی تامین می کنند.

از آنجا که در ورودی ترانسفورماتور ۳ فاز برخلاف ترانسفورماتور تک فاز، سربندی نیازی به نول نیست، لذا دارای تغییرات کمتری در خروجی علی رغم نوسانات برق شهر دارند چرا که تغییرات ولتاژ برق شهر بیشتر (نه کاملا) بدلیل جابجایی نول است و فازها نسبت به هم تغییرات کمی دارند .

سربندی زیگزاک :

در این روش اولیه بصورت ستاره و ثانویه به صورت ترکیبی از مثلث و ستاره سربندی می شود .

برخلاف ترانسفورماتور تک فاز، هر فاز خروجی از دو سیم پیچ با تعداد دور معمولا مساوی تشکیل شده که یکی از این سیم پیچ ها روی بازوی یکی از فازهای ورودی و سیم پیچ دوم روی بازوی فاز دیگری از ورودی پیچیده می شود.

همین امر باعث می شود تا عدم تعادل جریانی در بارهای نامتقارن عینا به ورودی منتقل نشود و تا حدودی اصلاح گردد که این مزیت از کاربردهای ترانس های زیگزاک در بارهای نامتقارن است.

ترانس های زیگزاک دارای حجم مس بیشتری نسبت به ترانسفورماتور ۳ فاز با سربندی مثلث یا ستاره هستند و قیمت بالاتری دارند و جز در موارد خاص کاربرد زیادی ندارند.ولی در ترانسفورماتور تک فاز اینگونه نبود

اگر تعداد دور هر بوبین از ۲ بوبین خروجی هر فاز مساوی باشد برای ایجاد ولتاژ A در خروجی هر فاز نسبت به سر صفر، باید روی هر بوبین A/1.73 القاء شود. به عنوان مثال اگر ولتاژ خط ورودی ۳۸۰V باشد برای داشتن ۳۸۰V (نسبت به سر صفر) در خروجی بایستی روی هر یک از ۲ بوبین هر فاز خروجی ۲۲۰V القاء شود که بدین طریق تعداد دورهای سیم پیچ ها مشخص می شود.

در شکل زیر نحوه سربندی مشخص شده است.

بوبینهای هم رنگ ورودی و خروجی روی یک بازو پیچیده می شوند.با توجه به شکل فوق و نحوه سربندی و ولتاژهای القایی، نمایش برداری ولتاژها در شکل زیر ارائه شده است.

با توجه به رنگ بندی و مشخص بودن بردارهای هم سو بین اولیه و ثانویه، نحوه تشکیل ولتاژهای خروجی مشخص می باشد.

طبق نظریه فوریه، امواج متناوب سینوسی را می توان به صورت مجموع امواج سینوسی با فرکانس و دامنه های متفاوت نوشت.
در اتصال ستاره یا زیکزاک در ثانویه و ستاره در ورودی ، هارمونیک های مضرب ۳ که بالاترین انرژی را دارند در ورودی ظاهر نمی شوند.

اگر دو موج سینوسی غیر خالص (PURE) را که حاوی هارمونیک های مزاحم هستند را ۶۰ درجه نسبت به یکدیگر شیفت داده و با هم جمع کنیم یک موج متناوب سینوسی جدید بدست می آید که فاقد هارمونیک های مضرب ۳ خواهد بود.

همین اتفاق در اتصال مثلث – ستاره و ترانسفورماتور ستاره – زیگزاگ می افتد، برخلاف ترانسفورماتور تک فاز.

در اتصال زیگزاگ، جریان هارمونیکی هر فاز در ثانویه با جریان مشابه فاز دیگر که با آن ۱۲۰ درجه اختلاف فاز دارد ترکیب می شود. نتیجه ترکیب این دو جریان آن است که منتجه مغناطیسی یا mmf ناشی از این دو جریان روی هر ستون هسته فاقد مولفه هارمونیک ۳ و مضارب آن خواهد بود و در نتیجه جریان متناظر با آن از اولیه کشیده نخواهد شد. بدین ترتیب در اتصال ستاره –زیگزاگ با وجود حضور جریان های هارمونیکی مضرب ۳ در سمت بار این مولفه ها در سمت منبع وجود نخواهد داشت. همان اتفاقی که در اتصال مثلث – ستاره می افتد.

ترانسفورماتور تک فاز  و ترانسفورماتور ۳ فاز علاوه بر کاربرد در فرکانس های پایین، در فرکانس های بالا که در منابع تغذیه سوئیچینگ کاربرد دارند مورد مصرف بسیار دارند.

در منابع تغذیه سوئیچینگ ، به دلیل بالا بودن فرکانس کار ترانسفورماتور تک فاز و ترانسفورماتور ۳ فاز ، حجم و وزن بسیار کاهش پیدا می کند و نوع هسته بکار رفته نیز از نوع فریت می باشد که با هسته آهن ترانس های معمولی کاملا متفاوت است.

در مبحث منابع تغذیه و شارژر سوئیچینگ در همین سایت، انواع روش های سوئیچینگ ترانس های فریت توضیح داده شده است.

در اینجا مبحث مقایسه مختصر انواع متداول ترانسفورماتور تک فاز و ترانسفورماتور ۳ فاز به پایان می رسد.

از آنجا که داشتن دانش کاملتر مشتریان ارجمند از ترانسفورماتور ها باعث بالا بردن دقت آن ها در انتخاب نوع مورد نظرشان می شود و تبلیغات صرفا تجاری و نمایشی کمتر روی انتخاب آنها تاثیر میگذارد، امیدوارم این توضیحات و مقایسه ها تا حدودی برای تصمیم گیری و انتخاب سیستم مطلوب برای مصرف کننده مورد نظر شما دوستان عزیز موثر و مفید بوده باشد.