ترانسفورماتورها را با توجه به کاربرد و خصوصیات آنها به سه دسته کوچک متوسط و بزرگ دسته بندی کرد. ساختن ترانسفورماتورهای بزرگ و متوسط به دلیل مسایل حفاظتی و عایق بندی و امکانات موجود ، کار ساده ای نیست ولی ترانسفورماتورهای کوچک را می توان بررسی و یا ساخت. برای ساختن ترانسفورماتورهای کوچک ، اجزای آن مانند ورقه آهن ، سیم و قرقره را به سادگی می توان تهیه نمود.
اجزای تشکیل دهنده یک ترانسفورماتور به شرح زیر است؛
هسته ترانسفورماتور:
هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقه های نازک است که سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتور ها محاسبه می شود. برای کم کردن تلفات آهنی هسته ترانسفورماتور را نمی توان به طور یکپارچه ساخت. بلکه معمولا آنها را از ورقه های نازک فلزی که نسبت به یکدیگر عایق‌اند، می سازند. این ورقه ها از آهن بدون پسماند با آلیاژی از سیلیسیم (حداکثر 4.5 درصد) که دارای قابلیت هدایت الکتریکی و قابلیت هدایت مغناطیسی زیاد است ساخته می شوند.
در اثر زیاد شدن مقدار سیلیسیم ، ورقه‌های دینام شکننده می شود. برای عایق کردن ورقهای ترانسفورماتور ، قبلا از یک کاغذ نازک مخصوص که در یک سمت این ورقه چسبانده می شود، استفاده می کردند اما امروزه بدین منظور در هنگام ساختن و نورد این ورقه ها یک لایه نازک اکسید فسفات یا سیلیکات به ضخامت 2 تا 20 میکرون به عنوان عایق در روی آنها می مالند و با آنها روی ورقه ها را می پوشانند. علاوه بر این ، از لاک مخصوص نیز برای عایق کردن یک طرف ورقه ها استفاده می شود. ورقه های ترانسفورماتور دارای یک لایه عایق هستند.
بنابراین ، در مواقع محاسبه سطح مقطع هسته باید سطح آهن خالص را منظور کرد. ورقه‌های ترانسفورماتورها را به ضخامت های 0.35 و 0.5 میلی متر و در اندازه های استاندارد می سازند. باید دقت کرد که سطح عایق شده ى ورقه های ترانسفورماتور همگی در یک جهت باشند (مثلا همه به طرف بالا) علاوه بر این تا حد امکان نباید در داخل قرقره فضای خالی باقی بماند. لازم به ذکر است ورقه ها با فشار داخل قرقره جای بگیرند تا از ارتعاش و صدا کردن آنها نیز جلوگیری شود.
سیم پیچ ترانسفورماتور :
معمولا برای سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور از هادی های مسی با عایق (روپوش) لاکی استفاده می‌کنند. اینها با سطح مقطع گرد و اندازه‌های استاندارد وجود دارند و با قطر مشخص می‌شوند. در ترانسفورماتورهای پرقدرت از هادیهای مسی که به صورت تسمه هستند استفاده می‌شوند و ابعاد این گونه هادی‌ها نیز استاندارد است.
توضیح سیم پیچی ترانسفورماتور به این ترتیب است که سر سیم پیچها را به وسیله روکش عایقها از سوراخهای قرقره خارج کرد، تا بدین ترتیب سیم ها قطع (خصوصا در سیمهای نازک و لایه‌های اول) یا زخمی نشوند. علاوه بر این بهتر است رنگ روکش‌ها نیز متفاوت باشد تا در ترانسفورماتورهای دارای چندین سیم پیچ ، را به راحتی بتوان سر هر سیم پیچ را مشخص کرد. بعد از اتمام سیم پیچی یا تعمیر سیم پیچهای ترانسفورماتور باید آنها را با ولتاژهای نامی خودشان برای کنترل و کسب اطمینان از سالم بودن عایق بدنه و سیم پیچ اولیه ، بدنه و سیم پیچ ثانویه و سیم پیچ اولیه آزمایش کرد.
قرقره ترانسفورماتور:
برای حفاظ و نگهداری از سیم پیچهای ترانسفورماتور خصوصا در ترانسفورماتورهای کوچک باید از قرقره استفاده نمود. جنس قرقره باید از مواد عایق باشد قرقره معمولا از کاغذ عایق سخت ، فیبرهای استخوانی یا مواد ترموپلاستیک می سازند. قرقره هایی که از جنس ترموپلاستیک هستند معمولا یک تکه ساخته می شوند ولی برای ساختن قرقره های دیگر آنها را در چند قطعه ساخت و سپس بر روی همدگر سوار کرد. بر روی دیواره های قرقره باید سوراخ یا شکافی ایجاد کرد تا سر سیم پیچ از آنها خارج شوند.
اندازه قرقره باید با اندازه ى ورقه‌های ترانسفورماتور متناسب باشد و سیم پیچ نیز طوری بر روی آن پیچیده شود. که از لبه های قرقره مقداری پایین تر قرار گیرد تا هنگام جا زدن ورقه‌های ترانسفورماتور ، لایه ى رویی سیم پیچ صدمه نبیند. اندازه قرقره های ترانسفورماتورها نیز استاندارد شده است اما در تمام موارد ، با توجه به نیاز ، قرقره مناسب را می توان طراحی کرد.
تئوری و تعاریفی از ترانسفورماتورها
ترانسفورماتورها به زبان ساده و شکل اولیه وسیله‌ای است که تشکیل شده از دو مجموعه سیم پیچ اولیه و ثانویه که در میدان مغناطیسی و اطراف ورقه‌هایی از آهن مخصوص به نام هسته ترانسفورماتور قرار می‌گیرند. مقره‌ها یا بوشینگها یا ایزولاتورها و بالاخره ظرف یا محفظه ترانسفورماتور.
کار ترانسفورماتورها بر اساس انتقال انرژی الکتریکی از سیستمی با یک ولتاژ و جریان معین به سیستم دیگری با ولتاژ و جریان دیگر است. به عبارت دیگر ترانسفورماتور دستگاهی است استاتیکی که در یک میدان مغناطیسی جریان و فشار الکتریکی را بین دو سیم پیچ یا بیشتر با همان فرکانس و تغییر اندازه یکسان منتقل می‌کند.
انواع ترانسفورماتورها
سازندگان و استانداردها در کشورهای مختلف هر یک به نحوی ترانسفورماتورها را تقسیم بندی کرده و تعاریفی برای درجه بندی آنها ارائه داده‌اند. برخی ترانسها را بنا بر موارد و ترتیب بهره برداری آنها متفاوت شناخته‌اند، مانند ترانس های انتقال قدرت ، اتو ترانس و یا ترانسهای تقویتی و گروهی از ترانسها را به غیر از ترانسفورماتور اینسترومنتی(ترانس جریان و ولتاژ) ، ترانس قدرت می‌نامند و اصطلاحا ترانس قدرت را آنهایی می‌دانند که در سمت ثانویه آنها فشار الکتریکی تولید می‌شود.
این نوع تقسیم بندی در عمل دامنه وسیعی را در بر می‌گیرد که در یک طرف آن ترانسفورماتورهای کوچک و قابل حمل با ولتاژ ضعیف برای لامپهای دستی و مشابه آن قرار می‌گیرند و طرف دیگر شامل ترانسهای خیلی بزرگ برای تبدیل ولتاژ خروجی ژنراتور به ولتاژ شبکه و خطوط انتقال نیرو است. در بین این دو اندازه (حد متوسط) ترانسهای توزیع و یا انتقال در مؤسسات الکتریکی و ترانسهای تبدیل به ولتاژهای استاندارد قرار دارند.
ترانسها اغلب به صورت هسته‌ای یا جداری طراحی می‌شوند. در نوع هسته‌ای در هر یک از سیم پیچها شامل نیمی از سیم پیچ فشار ضعیف و نیمی از سیم پیچ فشار قوی هستند و هر کدام روی یک بازوی هسته‌ای قرار دارند. در نوع جداری ، سیم پیچها روی یک هسته پیچیده شده‌اند و نصف مدار فلزی مغناطیسی از یک طرف و نصف دیگر از طرف هسته بسته می‌شود.
در اکثر اوقات نوع جداری برای ولتاژ ضعیف و خروجی بزرگ و نوع هسته‌ای برای ولتاژ قوی و خروجی کوچک بکار می‌روند (بصورت سه فاز یا یک فاز(
ترانسهای تغذیه و قدرت مانند ترانس اصلی نیروگاه ترانس توزیع و اتو ترانسفورماتور ، ترانسفورماتورهای قدرت معمولا سه فاز هستند، اما گاهی ممکن است در قدرتهای بالا به دلیل حجم و وزن زیاد و مشکل حمل و نقل از سه عدد ترانس تک فاز استفاده کنند. ترانسهای صنعتی مانند ترانسهای جوشکاری ، ترانسهای راه اندازی و ترانسهای مبدل ترانس برای سیستمهای کشش و جذب که در راه آهن و قطارهای الکتریکی بکار می‌رود. ترانسهای مخصوص آزمایش ، اندازه گیری ، حفاظت مصارف الکتریکی و غیره.
ساخت ترانسفورماتور قدرت خشک
در ژوئیه 1999، شرکت ABB، یک ترانسفور ماتور فشار قوی خشک به نام “Dryformer “ ساخته است که نیازی به روغن جهت خنک شدن بار به عنوان دی الکتریک ندارد.در این ترانسفورماتور به جای استفاده از هادیهای مسی با عایق کاغذی از کابل پلیمری خشک با هادی سیلندری استفاده می شود.تکنولوژی کابل استفاده شده در این ترانسفورماتور قبلاً در ساخت یک ژنراترو فشار قوی به نام "Power Former" در شرکتABB به کار گرفته شده است. نخستین نمونه از این ترانسفورماتور اکنون در نیروگاه هیدروالکترولیک “Lotte fors” واقع در مرکز سوئد نصب شده که انتظار می رود به دلیل نیاز روزافزون صنعت به ترانسفورماتور هایی که از ایمنی بیشتری برخوردار باشند و با محیط زیست نیز سازگاری بیشتری داشته باشند، با استقبال فراوانی روبرو گردد.
ایده ساخت ترانسفورماتور فاقد روغن در اواسط دهه 90 مطرح شد. بررسی، طراحی و ساخت این ترانسفورماتور از بهار سال 1996 در شرکت ABB شروع شد. ABB در این پروژه از همکاری چند شرکت خدماتی برق از جمله Birka Kraft و Stora Enso نیز بر خوردار بوده است.
تکنولوژی
ساخت ترانسفورماتور فشار قوی فاقد روغن در طول عمر یکصد ساله ترانسفورماتورها، یک انقلاب محسوب می شود. ایده استفاده از کابل با عایق پلیمر پلی اتیلن (XLPE) به جای هادیهای مسی دارای عایق کاغذی از ذهن یک محقق ABB در سوئد به نام پرفسور “Mats lijon” تراوش کرده است.
تکنولوژی استفاده از کابل به جای هادیهای مسی دارای عایق کاغذی، نخستین بار در سال 1998 در یک ژنراتور فشار قوی به نام “ Power Former” ساخت ABB به کار گرفته شد. در این ژنراتور بر خلاف سابق که از هادیهای شمشی ( مستطیلی ) در سیم پیچی استاتور استفاده می شد، از هادیهای گرد استفاده شده است. همانطور که از معادلات ماکسول استنباط می شود، هادیهای سیلندری ، توزیع میدان الکتریکی متقارنی دارند. بر این اساس ژنراتوری می توان ساخت که برق را با سطح ولتاژ شبکه تولید کند بطوریکه نیاز به ترانسفورماتور افزاینده نباشد. در نتیجه این کار، تلفات الکتریکی به میزان 30 در صد کاهش می یابد.
در یک کابل پلیمری فشار قوی، میدان الکتریکی در داخل کابل باقی می ماند و سطح کابل دارای پتانسیل زمین می باشد.در عین حال میدان مغناطیسی لازم برای کار ترانسفورماتور تحت تاثیر عایق کابل قرار نمی گیرد.در یک ترانسفورماتور خشک، استفاده از تکنولوژی کابل، امکانات تازه ای برای بهینه کردن طراحی میدان های الکتریکی و مغناطیسی، نیروهای مکانیکی و تنش های گرمایی فراهم کرده است.