روش سیمپیچی ترانسفورماتورهای القائی
سیمپیچی ترانسفورماتورهای القائی یک فرآیند تخصصی و پیچیده است که در آن سیمهای مسی به طور دقیق و پیچیدهای دور هسته ترانسفورماتور پیچیده میشوند. این فرآیند شامل دو بخش اصلی است: سیمپیچی اولیه و سیمپیچی ثانویه. در این مقاله، ابتدا با ترانسفورماتور و اجزای آن آشنا میشویم و سپس اصول عملکرد آنها را بررسی میکنیم. همچنین دلایل نامگذاری ترانسفورماتورها به عنوان ترانسهای القائی توضیح داده شده است.
ترانسفورماتور چیست؟
ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی است که برای انتقال جریان متناوب (AC) از یک مدار به مدار دیگر با فرکانس پایدار و از طریق فرآیند القای الکترومغناطیسی استفاده میشود. این دستگاه برای افزایش یا کاهش ولتاژ در مدارها طراحی شده است. هر ترانسفورماتور شامل قطعات مختلفی مانند هسته، سیمپیچها، مواد عایق، محافظها، روغن، هواگیر، رلهها، لولههای خنککننده و دریچههای انفجار است، اما سیمپیچ ترانسفورماتور در عملکرد آن نقش کلیدی دارد. یک ترانسفورماتور هیچ قسمت متحرک داخلی ندارد و معمولاً برای تغییر ولتاژ و انتقال انرژی از یک مدار به مدار دیگر از طریق فرآیند القای الکترومغناطیسی به کار میرود. به همین دلیل، ترانسفورماتورها به نام ترانسهای القائی شناخته میشوند.
نمادهای شماتیک ترانسفورماتورها: بررسی انواع و کاربردها
در شکل زیر، نمادهای شماتیک معمولی برای ترانسفورماتورها نمایش داده شده است. ترانسفورماتور با هسته هوایی با نماد A نشان داده میشود. قسمتهای B و C نمایانگر ترانسفورماتورهای هسته آهنی هستند. میلههای بین سیمپیچها برای نمایش هسته آهنی استفاده میشود. معمولاً، اتصالات اضافی به سیمپیچهای ترانسفورماتور در نقاطی غیر از انتهای سیمپیچها ایجاد میشود. این اتصالات اضافی به نام تپ شناخته میشوند. نمای C از شکل زیر، نمایش شماتیک ترانسفورماتور هسته آهنی با ضربه مرکزی را نشان میدهد.
اجزای یک ترانسفورماتور
یک ترانسفورماتور ابتداییترین شکل خود شامل سه جزء اصلی است:
-
سیمپیچی اولیه که انرژی را از منبع AC دریافت میکند.
-
سیمپیچی ثانویه که انرژی را از سیمپیچی اولیه دریافت کرده و به بار منتقل میکند.
-
هسته که مسیر برای خطوط مغناطیسی شار فراهم میکند و عمل انتقال انرژی را از طریق القای الکترومغناطیسی ممکن میسازد.
این اجزا در کنار یکدیگر کار میکنند تا فرآیند انتقال انرژی الکتریکی با کارایی بالا انجام شود.
سیمپیچهای اولیه و ثانویه معمولاً بر روی نوعی از مواد هسته پیچیده میشوند. در برخی موارد، سیمپیچها بر روی یک فرم غیر مغناطیسی استوانهای یا مستطیلی پیچیده میشوند. به طور کلی، اگر مواد هسته هوا باشند، به این نوع ترانسفورماتور، ترانسفورماتور هسته هوا گفته میشود.
برای ترانسفورماتورهایی که در فرکانسهای پایین مانند 50 و 60 هرتز استفاده میشوند، به هستهای از مواد مغناطیسی کم رلوکتانس مانند آهن نیاز دارند. این نوع ترانسفورماتورها که با هستههای آهنی طراحی میشوند، به نام ترانسفورماتور هسته آهنی شناخته میشوند. هستههای آهنی به دلیل خاصیت مغناطیسی خود، موجب افزایش بهرهوری و کارایی ترانسفورماتور در این فرکانسها میشوند.
اصول کارکرد ترانسفورماتور
ترانسفورماتورها به دلیل اصول عملکرد خود به نام ترانسفورماتورهای القائی شناخته میشوند. این دستگاهها بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی و به شکل القای متقابل عمل میکنند.
القای متقابل فرآیندی است که در آن یک سیمپیچ با استفاده از خاصیت مغناطیسی، ولتاژی را به سیمپیچ دیگری که در نزدیکی آن قرار دارد، القا میکند. به این ترتیب، میتوان گفت که ترانسفورماتورها در حوزه مغناطیسی کار میکنند و نام خود را از این ویژگی گرفتهاند که قادرند یک سطح ولتاژ یا جریان را به سطح دیگری منتقل کنند.
انتخاب سیمپیچ و قطر سیم لاکی
برای تعیین جریان قابل تحمل سیم، سطح مقطع آن را محاسبه کرده و با توجه به چگالی جریان مجاز، حداکثر جریان را بدست میآوریم. این انتخاب باعث میشود ترانسفورماتور جریان و ولتاژ مورد نیاز را بدون خطر اضافی انتقال دهد.
جدول نمونه برای تعیین جریان مجاز سیم مسی
| قطر سیم (میلیمتر) | جریان قابلتحمل (آمپر) | کاربرد معمول |
|---|---|---|
| 0.3 | 0.6 | ترانسهای کوچک |
| 0.6 | 1.2 | منابع تغذیه متوسط |
| 1.0 | 2.5 | ترانس صنعتی کوچک |
| 1.5 | 4.5 | ترانس توان بالا |
ترانسفورماتورها میتوانند سطوح ولتاژ و جریان منبع تغذیه خود را افزایش یا کاهش دهند، بدون آن که فرکانس آن را تغییر دهند. همچنین، آنها توان الکتریکی را از یک سیمپیچ به سیمپیچ دیگر از طریق مدار مغناطیسی منتقل میکنند. این ویژگیها باعث میشود ترانسفورماتورها ابزارهای اساسی در انتقال و تنظیم انرژی الکتریکی در بسیاری از سیستمها باشند.
سیمپیچ ترانس القائی چیست؟
سیمپیچ ترانسفورماتور معمولاً از آلومینیوم و مس ساخته میشود که این دو ماده از مهمترین هادیها در ساخت سیمپیچهای ترانسفورماتور هستند. مس به دلیل داشتن استحکام و رسانایی بالا در مکانیکی و الکتریکی، در ترانسفورماتورهای بزرگتر استفاده میشود. در حالی که آلومینیوم به دلیل هزینه کمتر و وزن سبکتر، در ترانسفورماتورهای کوچک و متوسط به کار میرود.
یک ترانسفورماتور القائی اساساً از دو سیمپیچ الکتریکی تشکیل میشود: یکی سیمپیچ اولیه و دیگری سیمپیچ ثانویه. سیمپیچ اولیه به عنوان بخش دریافتکننده انرژی الکتریکی از منبع عمل میکند، در حالی که سیمپیچ ثانویه انرژی را به بار منتقل میکند.
این دو سیمپیچ از نظر الکتریکی با یکدیگر در تماس نیستند، بلکه هر دو در اطراف یک مدار مغناطیسی مشترک به نام هسته آهنی پیچیده شدهاند. هسته آهنی معمولاً از لایههای جداگانه متصل به هم تشکیل میشود تا از تلفات مغناطیسی کاسته شود. هنگامی که جریان الکتریکی از سیمپیچ اولیه عبور میکند، یک میدان مغناطیسی ایجاد میشود که موجب القای ولتاژ در سیمپیچ ثانویه و در نتیجه کارکرد ترانسفورماتور میشود.
فرمول سیمپیچ ترانسفورماتور
ترانسفورماتورهایی که در سیستمهای توزیع شبکه برق استفاده میشوند، معمولاً از طرحهای سادهای پیروی میکنند که از سیمپیچی در اطراف هسته مغناطیسی استفاده میکنند. این سیمپیچها جریان ورودی را دریافت کرده و ولتاژ را طبق نسبت چرخش ترانسفورماتور تغییر میدهند. تعداد دورهای سیمپیچ اولیه و سیمپیچ ثانویه به ترتیب Np و Ns، و ولتاژ سیمپیچها به ترتیب Vp و Vs هستند.
فرمول کسری سیمپیچ ترانسفورماتور نشان میدهد که ولتاژ سیمپیچ به طور مستقیم با تعداد دورهای سیمپیچها متناسب است. این فرمول به شکل زیر است:
Vp / Vs = Np / Ns
این فرمول نشان میدهد که ولتاژ ورودی را به چه نسبتی میتوان تغییر داد و اینکه نسبت چرخش ترانسفورماتور مستقیماً با تعداد دورهای سیمپیچها ارتباط دارد.
برای مثال، اگر در سیمپیچ اولیه یک دور و در سیمپیچ ثانویه چهار دور داشته باشیم، این با کسری 4/1 مطابقت دارد که به معنای کاهش ولتاژ به اندازه 1/4 است. در حالی که نسبت 1:4 نشاندهنده این است که برای هر یک دور سیمپیچ اولیه، چهار دور در سیمپیچ ثانویه وجود دارد.
ترانسفورماتورهای القائی میتوانند ولتاژ را افزایش یا کاهش دهند. به عبارت دیگر، بسته به عملکرد آنها، به ترانسفورماتورهای افزاینده یا کاهنده معروف هستند. این بدان معناست که نسبت چرخش ترانسفورماتور همیشه مثبت خواهد بود، اما ممکن است بیشتر از یک برای ترانسفورماتورهای افزاینده یا کمتر از یک برای ترانسفورماتورهای کاهنده تغییر کند.
مونتاژ سیمپیچ ترانسفورماتور: انواع کویلها و ساختارها
در ساخت ترانسفورماتور، کویلهای سیمپیچ معمولاً روی قالب هسته پیچیده میشوند و سپس در لاک عایق فرو میروند، پخته شده و در نهایت با هسته مونتاژ میشوند. این فرآیند باعث میشود سیمپیچها در قالبهای مستطیلی قرار گیرند که هزینه ساخت هسته را کاهش میدهد، چرا که هستههای با پایه مستطیلی سادهتر تولید میشوند.
در ترانسفورماتورهای کوچک، استفاده از کویلهای متحدالمرکز مستطیلی انتخابی مقرون به صرفه است. اما در ترانسفورماتورهای بزرگ که نیروهای دافعه قوی بین سیمپیچهای اولیه و ثانویه در شرایط اتصال کوتاه ایجاد میشود، نیاز به کویلهای استوانهای متحدالمرکز است. این کویلها از آسیب دیدن عایق جلوگیری کرده و استحکام مکانیکی بیشتری دارند.
انواع سیمپیچها
-
سیمپیچهای متحدالمرکز: در این آرایش، سیمپیچها دارای یک مرکز مشترک هستند و در هر مقطع دایرهای شکل قرار میگیرند. این نوع سیمپیچها بیشتر در ترانسفورماتورهای نوع هسته استفاده میشوند.
-
سیمپیچهای ساندویچی: در این نوع، سیمپیچهای ولتاژ بالا و پایین به صورت متناوب در امتداد ارتفاع سیمپیچ قرار میگیرند. این نوع سیمپیچها به طور ویژه در ترانسفورماتورهای نوع پوسته به کار میروند.
ویژگیها و مزایا
-
در سیمپیچهای متحدالمرکز، به دلیل عایقبندی سادهتر، سیمپیچ ولتاژ پایین به هسته نزدیکتر قرار میگیرد.
-
در سیمپیچهای ساندویچی، فضای عایق میان سیمپیچها به تسهیل فرآیند خنکسازی کمک میکند و سیمپیچ ولتاژ پایین معمولاً در خارج قرار میگیرد.
این ساختارها باعث بهبود عملکرد و مقاومت در برابر آسیبهای الکتریکی میشوند و در نهایت، طول عمر ترانسفورماتور را افزایش میدهند.
ویژگیهای فلز مس و آلومینیوم
| ویژگی | واحد | فلز مس | آلومینیوم |
|---|---|---|---|
| مقاومت در ۲۰ درجه سانتیگراد | Ω mm²/m | ۰٫۰۱۷۵ | ۰٫۰۲۸۵ |
| هدایت الکتریکی در ۲۰ درجه سانتیگراد | m / Ω mm² | ۵۷٫۱ | ۳۵٫۴ |
| ضریب دمایی مقاومت الکتریکی در ۲۰ درجه سانتیگراد | – | ۰٫۰۰۴۲۷ | ۰٫۰۰۴۴ |
| رسانایی گرمایی | W / m °C | ۳۹۳ | ۲۰۳ |
| گرمای خاص | وات ثانیه / کیلوگرم درجه سانتیگراد | ۳۸۵ | ۹۲۰ |
| نقطه ذوب | درجه سانتیگراد | ۱۰۸۴ | ۶۵۸ |
| نقطه جوش | درجه سانتیگراد | ۲۵۹۵ | ۲۰۶۰ |
| وزن مخصوص | کیلوگرم بر متر مکعب | ۸۹۰۰ | ۲۷۰۰ |
| استحکام کششی | kgf/mm² | ۲۴ | ۱۰ |
| حد الاستیک | kgf/mm² | ۶-۸ | ۲-۵ |
| ضریب انبساط خطی در ۲۰ درجه سانتیگراد | – | ۱۷ × ۱۰⁻⁶ | ۲۴ × ۱۰⁻⁶ |
روش سیمپیچی ترانسفورماتورها
سیمپیچی ترانسفورماتورها یک فرآیند پیچیده است که نیاز به تخصص و دانش فنی دارد. در اینجا، مراحل اصلی سیمپیچی ترانسفورماتور به طور خلاصه توضیح داده شده است:
🛠️ انتخاب هسته ترانسفورماتور
هسته ترانسفورماتور معمولاً از ورقهای فولادی سیلیکونی با خواص مغناطیسی مناسب ساخته میشود. این هسته نقش کلیدی در انتقال مغناطیسی و عملکرد ترانسفورماتور دارد.
✏️ طراحی الگوی پیچش سیمها
در این مرحله، الگوی پیچش برای ترانسفورماتور طراحی میشود. این الگو شامل تعداد پیچها، تعداد کلافها، تعداد دورها و نوع سیمهای مورد نیاز میباشد که برای عملکرد صحیح ترانسفورماتور بسیار مهم است.
🔄 پیچیدن سیمها به دور هسته طبق الگوی طراحی شده
در این مرحله، سیمها طبق الگوی طراحی شده به دور هسته پیچیده میشوند. این کار با استفاده از دستگاههای خاص انجام میشود تا پیچها به کلافهای مختلف تبدیل شوند.
🔗 اتصال کلافها
پس از پیچیدن سیمها، کلافها به یکدیگر متصل میشوند تا ترانسفورماتور به صورت کامل ساخته شود و آماده کار باشد.
🔍 تست و بررسی عملکرد ترانسفورماتور
در این مرحله، ترانسفورماتور تست و بررسی میشود تا اطمینان حاصل شود که به درستی کار میکند و هیچ مشکلی در عملکرد آن وجود ندارد.
این مراحل با دقت و تخصص بالا انجام میشوند تا یک ترانسفورماتور با کیفیت و کارایی مناسب تولید گردد.
نحوه عایقبندی و چیدمان لایههای ترانسفورماتور
عایقبندی یکی از مهمترین مراحل در ساخت ترانسفورماتور است، چرا که ضعف در این بخش میتواند منجر به خرابیهای جدی شود. هر لایه از سیمپیچ باید با کاغذ عایق، نوار چسب نسوز یا صفحات فشرده مخصوص پوشانده شود تا از اتصالهای ناخواسته جلوگیری کرده و از برخورد دورهای جدید با دورهای قبلی پیشگیری کند.
چیدمان لایهها باید با دقت و نظم کامل انجام شود. فشرده کردن بیش از حد لایهها نه تنها باعث کاهش کیفیت عایق میشود، بلکه موجب ایجاد لرزش و نویز در ترانسفورماتور میشود. استفاده از چسب رزینی سبک بین لایهها یکی از تکنیکهای مؤثر برای کاهش لرزش و افزایش استحکام ساختار ترانس است.
برای ترانسهای توان بالا، فاصله دقیق میان لایهها ضروری است. همچنین، انتخاب مناسب عایقهای کلاس A، B یا F برای تحمل حرارت دستگاه بسیار مهم است. استفاده از عایق نامناسب ممکن است باعث تجزیه آن تحت دمای بالا و در نتیجه آسیب دیدن ترانسفورماتور شود.
مزایای سیمپیچ ترانسهای القایی
از مزایای سیمپیچ ترانسهای القایی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-
جلوگیری از نشت شار مغناطیسی و کاهش از دست دادن آهن.
-
بالا بودن استحکام مکانیکی که باعث افزایش دوام و عملکرد ترانسفورماتور میشود.
-
کارایی بالا در فرکانسهای بالا که این نوع ترانسفورماتورها را برای کاربردهای مختلف مناسب میسازد.
-
هزینه تولید کم که این ویژگی باعث کاهش هزینههای کلی تولید ترانسفورماتورها میشود.
معایب سیمپیچ ترانسهای القایی
از معایب سیمپیچ ترانسهای القایی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-
سخت بودن سیمپیچی ترانسهای القایی که نیازمند تخصص و دقت بالا در فرایند تولید است.
-
هزینههای بالاتر برای سیمپیچی دستی ترانسها که ممکن است در صورت تولید به صورت دستی، هزینهها افزایش یابد.
کاربردهای سیمپیچ ترانسفورماتور
سیمپیچهای ترانسفورماتور دو نوع اصلی دارند: سیمپیچ اولیه که انرژی را از منبع اصلی دریافت میکند و سیمپیچ ثانویه که انرژی را به بار منتقل میکند. از کاربردهای سیمپیچهای ترانسفورماتور میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-
در مدارهای AC، سیمپیچها میتوانند مقدار خازن، مقاومت یا سلف را افزایش یا کاهش دهند.
-
سیمپیچهای ترانسفورماتورهای القایی میتوانند سطح ولتاژ یا جریان را افزایش یا کاهش دهند، بسته به نیاز مدار و عملکرد ترانسفورماتور.
این ویژگیها باعث میشود سیمپیچهای ترانسفورماتور در بسیاری از کاربردهای صنعتی، الکتریکی و توزیع انرژی به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند.
طراحی و ساخت ترانسفورماتور: از سیمپیچ تا انتخاب قطر سیم لاکی
ساختمان ترانسفورماتور
ترانسفورماتورها از سیمپیچهای اولیه و ثانویه ساخته میشوند که ولتاژ ورودی را تغییر میدهند. سیمپیچ اولیه به برق ۲۲۰ ولت وصل میشود، و سیمپیچ ثانویه ولتاژ دلخواه را تولید میکند. هرچه تعداد دورهای سیمپیچ ثانویه بیشتر از اولیه باشد، ولتاژ در آن بیشتر خواهد بود.
هسته آهنی در ترانسفورماتورهای صنعتی
برای کاهش اتلاف انرژی و افزایش کارایی، ترانسفورماتورها از هسته آهنی استفاده میکنند. ورقهای آهنی از آهن سیلیسدار ساخته شده و معمولاً برای هر وات ۲۰ تا ۲۲ گرم آهن استفاده میشود. این ساختار در ترانسفورماتورهای کوچک و تقویتکنندههای ولتاژ کاربرد دارد.
تعیین دور ولت ترانسفورماتورها
برای محاسبه دور ولت، سطح مقطع هسته ترانسفورماتور را بر حسب سانتیمتر مربع تقسیم بر ۴۸ میکنیم. این عدد برای ترانسفورماتورهای صنعتی ممکن است به ۴۵ یا ۴۹ تغییر کند.
انتخاب درست سیمپیچها، هسته آهنی و قطر سیم لاکی باعث بهبود کارایی و کاهش اتلاف انرژی در ترانسفورماتورها میشود. این موارد در طراحی و ساخت ترانسفورماتورهای صنعتی و کوچک بسیار مهم هستند.
