بارگذاری ترانسفورماتور چیست؟ 

در بارگذاری ترانسفورماتور ها باید بدانیم که ترانسفورماتور می‌تواند یک ولتاژ بر روی سیم‌پیچ ثانویه خود مهیا کند اما برای انتقال توان الکتریکی بین ورودی و خروجی خود نیاز به بارگزاری شدن دارند.

ترانسفورماتور

در آموزش‌های ترانسفورماتور قبلی، فرض کردیم که ترانسفورماتور ایده‌آل است، ترانسفورماتوری است که هیچ تلفات هسته یا تلفات کوپری در سیم‌پیچ‌های آن وجود ندارد. اگرچه، در دنیای واقعی ترانسفورماتورها  همیشه تلفاتی همراه با بارگذاری ترانسفورماتورها  هنگامی که آنها “بار روشن” می‌گیرند وجود دارد. اما منظور ما از: بارگذاری ترانسفورماتور چیست.

در ابتدا بیایید بر وضعیت ترانسفورماتور هنگامی که در موقعیت “بدون بار” است بپردازیم، هیچ بار الکتریکی به سیم‌پیچ ثانویه آن وصل نیست و درنتیجه هیچ جریان ثانویه‌ای در آن شارش نمی‌یابد. گفته می‌شود یک ترانسفورماتور در حالت “بدون بار” است زمانیکه بخش سیم‌پیچ ثانویه آن  مدار باز است، در بیان دیگر  هیچ چیزی وصل نشده است و بارگذاری ترانسفورماتور صفر است. هنگامی که یک منبع سینوسی AC به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور وصل شد، یک جریان کوچک I_OPEN از سیم‌پیچ اولیه به دلیل حضور ولتاژ تغذیه اولیه جاری خواهد شد.

به مدار باز ثانویه، هیچ چیزی وصل نشده است، نیروی محرکه القایی برگشتی همراه با مقاومت سیم‌پیچ اولیه برای محدود کردن شارش این جریان اولیه عمل می‌کند. قطعا، این جریان اولیه بدون بار (IO) برای حفظ میدان مغناطیسی کافی برای تولید نیروی محرکه القایی مورد نیاز باید کافی باشد. مدار زیر را در نظر بگیرید.

وضعیت ترانسفورماتور “بدون بار”

آمپرسنج فوق یک شارش جریان کوچک در سیم‌پیچ اولیه را با وجود باز بودن مدار ثانویه نشان خواهد داد. این مدار اولیه بدون بار از دو مولفه زیر ساخته شده است:

جریان هم فاز، IEکه تلفات هسته را تغذیه می‌کند ( جریان گردابی و هیسترزیس). یک جریان کوچک IM در 90 درجه نسبت به ولتاژ که شار مغناطیسی را تنظیم می‌کند.

توجه داشته باشد که جریان اولیه بدون بار IO در مقایسه با جریان بار کامل نرمال ترانسفورماتور بسیار کوچک است. همچنین به دلیل تلفات آهن موجود در هسته همانند مقدار تلفات کوپر کوچک در سیم‌پیچ اولیه IO از ولتاژ تغذیه VP به اندازه دقیقا 90 درجه عقب نمی‌افتد. در انجا مقدار کوچکی تفاوت تغییر زاویه وجود خواهد داشت.

مثال شماره 1 بارگذاری ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور تک فاز دارای مولفه انرژی IE 2 آمپر  و مولفه مغناطیسی IM=5A است. جریان بدن بار IOو فاکتور توان حاصل را محاسبه کنید.

[latexpage]

[

I_O=√(〖I_M〗^2+〖I_E〗^2 )

]

[latexpage]

[

I_O=√(5^2+2^2 )

]

[latexpage]

[

I_O=5∙4 آمپر

]

[latexpage]

[

I_M=I_O sinϕ

]

[latexpage]

[

sinϕ=I_M/I_O =5/(5∙4)=0∙9259

]

[latexpage]

[

∴〖sinϕ〗^(-1)=〖67∙8〗^°

]

ترانسورماتور “بار دار”

هنگامی که یک جریان الکتریکی به سیم‌پیچ ثانویه یک ترانسفورماتور وصل شد درنتیجه بارگذاری ترانسفورماتور بزرگتر از صفر است، جریان در سیم‌پیچ ثانویه شارش می‌یابد و به بار می‌رود. این جریان ثانویه به دلیل ولتاژ ثانویه القا شده که توسط شار مغناطیسی تنظیم شده است در هسته از جریان اولیه تشکیل می‌شود.

جریان ثانویه، IS که توسط ویژگی‌های بار تعیین شده است، یک میدان مغناطیسی ثانویه خود القا شده ΦS در هسته ترانسفورماتور که دقیقا در جهت مخالف با میدان اولیه اصلی ΦP شارش می‌یابد بوجود می‌‌آورد. این دو میدان مغناطیسی مخالف یکدیگر در یک میدان مغناطیسی ترکیب شده از قدرت مغناطیسی کمتر از میدان واحد تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه تنها زمانی که مدار ثانویه مدار باز بود، حاصل می‌شود.

این میدان مغناطیسی ترکیب شده نیروی محرکه القایی برگشتی سیم‌پیچ ثانویه را کاهش می‌دهد و باعث افزایش جزئی جریان اولیه IP می‌شود. جریان اولیه به افزایش یافتن تا زمانی که میدان مغناطیسی هسته به قدرت اصلی خود برگردد ادامه می‌دهد و برای عملکرد صحیح یک ترانسفورماتور یک وضعیت متعادل باید همیشه بین میدان‌های مغناطیسی اولیه و ثانویه وجود داشته باشد. این منجر به متعادل شدن توان در هر دو بخش اولیه و ثانویه می‌شود. مدار زیر را در نظر بگیرید.

می‌دانیم که نسبت دورها یک ترانسفورماتور بیان می‌کند که ولتاژ القا شده مجموع در هر سیم پیچ متناسب با تعداد دورها در آن سیم‌پیچ است و همچنین خروجی توان و ورودی توان یک ترانسفورماتور معادل با ولت در آمپر (V×I) است. درنتیجه:

اما ما همچنان از قبل می‌دانیم که نسبت ولتاژ یک ترانسفورماتور معادل با نسبت دورهای یک ترانسفورماتور است: “نسبت ولتاژ = نسبت دورها”. سپس رابطه بین ولتاژ، جریان و تعداد دورها در یک ترانسفورماتور می‌تواند به یکدیگر پیوند یابد و درنتیجه به صورت زیر بیان می‌شود.

نسبت ترانسفورماتور

[latexpage]

[

n=N_P/N_S =V_P/V_S =I_P/I_S

]

به طوریکه:

توجه داشته باشید که جریان به صورت عکس متناسب با هر دو ولتاژ و تعداد دورها است. این بدان معنی است که با بارگذاری یک ترانسفورماتور در سیم‌پیچی ثانویه، برای حفظ یک سح توان متعادل در دوسر سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور، اگر ولتاژ تنظیم شده باشد، جریان باید به پایین برود و برعکس. در بیان دیگر، “ولتاژ بالاتر- جریان پایین‌تر” یا ” ولتاژ پایین‌تر- جریان بالاتر”.

از آنجا که نسبت ترانسفورماتور رابطه بین تعداد دورها در سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه است، ولتاژ دو سر هر سیم‌پیچ و جریان درون سیم‌پیچ، می‌توان روابط نسبت ترانسفورماتور فوق را برای یافتن هر ولتاژ مجهول (V)، جریان (I) یا تعداد دورها (N) مرتب کنیم که در زیر نشان داده شده است:

[latexpage]

[

V_P=(V_S N_P)/N_S =(V_S I_S)/I_P . V_S=(V_P N_S)/N_P =(V_P I_P)/I_S .

]

[latexpage]

[

N_P=(V_P N_S)/N_P =(N_S I_S)/I_P . N_S=(V_S N_P)/N_S =(N_P I_P)/I_S

]

[latexpage]

[

I_P=(V_S I_S)/V_P =(N_S I_S)/N_P . I_(S=) (V_P I_P)/V_S = (N_P I_P)/N_S

]

جریان کلی گرفته شده از منبع تغذیه توسط سیم‌پیچ اولیه جمع برداری جریان بدون بار  IO و جریان تغذیه اضافی I1 به عنوان نتیجه بارگذاری ترانسفورماتور ثانوی‌هاست بطوریکه با ولتاژ تغذیه با یک زاویه Φ اختلاف فاز دارد. ما این رابطه را به صورت یک نمودار فازوری نشان داده‌ایم.

جریان بارگذاری ترانسفورماتور

اگر جریان IS و IO را داشته باشیم می‌توانیم جریان اولیه IP را با روش‌های زیر محاسبه کنیم.

مثال شماره 2 بارگذاری ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور تک فاز دارای 1000 دور در سیم‌پیچ اولیه خود و 200 دور بر سیم‌پیچ ثانویه خود است. جریان “بدون بار” ترانسفورماتور گرفته شده از تغذیه در فاکتور توان تاخیر 0/2 3 آمپر است.

جریان سیم پیچ اولیه IPو فاکتور توان متناظر آن φ هنگامی که جریان ثانویه که یک بارگذاری ترانسفورماتور را تغذیه می‌کند 280 آمپر در 8/0 تاخیر است.

ممکن است متوجه شده باشید که فاز زاویه جریان اولیه φP خیلی نزدیک به همان زاویه فاز φS  جریان ثانویه است. این بدلیل این واقعیت است که جریان بدون بار 3 آمپر در مقایسه با 56 آمپر بزرگتر که توسط سیم‌پیچ اولیه از تغذیه کشیده شده بزرگتر است.

زندگی حقیقی واقعی، سیم‌پیچی‌های ترانسفورماتور دارای امپدانس هر دو XL و R هستند. این امپدانس‌ها نیاز دارند تا در هنگام کشیدن نمودار فازوری  در نظر گرفته شوند زیرا این امپدانس‌های داخلی باعث افت ولتاژ درون سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور می‌شوند. امپدانس‌های داخلی به دلیل مقاومت سیم‌پیچ‌ها و افت ظرفیت القایی که راکتانس نشتی نامیده می‌شود از شار نشتی حاصل می‌شوند. این امپدانس‌های داخلی به صورت زیر هستند:

بنابراین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه یک ترانسفورماتور دارای هر دو مقاومت و ظرفیت القایی هستند. گاهی اوقات، آن بسیار مناسب است اگر این امپدانس‌ها در یک سمت ترانسفورماتور باشند تا محاسبات را آسان‌تر کنند.

امکان اینکه امپدانس‌های اولیه را به ثانویه و ثانویه را به اولیه انتقال دهیم وجود دارد. مقادیر ترکیبی امپدانس‌های R و L  “امپدانس‌های ارجاع شده” یا “مقادیر ارجاع شده” نامیده می‌شود. موضوع در اینجا یکی کردن امپدانس‌ها در داخل ترانسفورماتور و داشتن تنها یک مقدار R و XL در محاسبات است که نشان داده شده است.

ترکیب امپدانس ترانسفورماتور

برای جابه جایی یک مقاومت از یک سمت ترانسفورماتور به دیگری، باید در ابتدا در محاسبات آنها را با یکدیگر با مربع نسبت دورها ضرب کرد (نسبت دورها² ) . بنابراین برای مثال، برای جابه‌جایی یک مقاومت 2 اهم از یک سمت به دیگری در یک ترانسفورماتور که دارای نسبت دور 8:1 است دارای مقدار مقاومتی جدید 2×8²=128Ω خواهد بود.

توجه داشته باشید که اگر یک مقاومت را از سمت ولتاژ بالاتر جابه جا کنید مقدار مقاومت جدید افزایش خواهد یافت و اگر از سمت ولتاژپایین تر جابه‌جا کنید مقدار جدید آن کاهش خواهد یافت. این بر مقاومت بار و راکتانس نیز اعمال می‌شود.

تنظیم ولتاژ ترانسفورماتور

تنظیم ولتاژ یک ترانسفورماتور به صورت تغییر در ولتاژ پایانه ثانویه هنگامی که بارگذاری ترانسفورماتور در بیشینه خود است  تعریف می‌شود به طور مثال، بار کامل در حالی که ولتاژ تغذیه اولیه ثابت نگه داشته شده، اعمال می‌شود. تنظیم، افت ولتاژ (یا افزایش) درون ترانسفورماتور را تعیین می‌کند زیرا که ولتاژ بار خیلی پایین می‌شود که به عنوان نتیجه بالا بودن بارگذاری ترانسفورماتور است که درنتیجه عملکرد و کارآیی آن را تحت تاثیر قرار می‌دهد .

تنظیم ولتاژ به صورت یک درصد (یا در هر واحد)  ولتاژ بدون بار بیان می‌شود. سپس اگر E ولتاژ ثانویه بدون بار را نشان دهد و V ولتاژ ثانویه بار کامل را نشان دهد، درصد تنظیم یک ترانسفورماتور به صورت زیر است:

بنابراین برای مثال، یک ترانسفورماتور 100 ولت را در بدون بار تحویل می‌دهد و افت ولتاژ تا 95 ولت در بار کامل، تنظیم 5% خواهد شد. مقدار E-V بر امپدانس داخلی سیم پیچ که شامل مقاومت آن R و مهمتر راکتانس AC آن X، جریان و زاویه فاز  بستگی دارد.

همچنین تنظیم ولتاژ عموما با تاخیر دار شدن بیشتر فاکتور توان بار افزایش می‌یابد (القایی). تنظیم ولتاژ با توجه به بارگذاری ترانسفورماتور می‌تواند در مقدار مثبت یا منفی باشد که به عنوان مرجع ولتاژ بدون بار است، تغییرات در تنظیم با اعمال بار یا با بار کامل به عنوان مرجع به پایین، و با کاهش بار یا حذف بار در تظیم رو به بالا می‌شود.

به طور کلی، تنظیم بار گذاری ترانسفورماتور نوع هسته بالا است  و به خوبی ترانسفورماتور نوع غشا نیست. این بدان دلیل است که ترانسفورماتور نوع غشا دارای توزیع شار بهتر به دلیل اتصال سیم پیچ ها است.

در آموزش بعدی درباره ترانسفورماتورها بر ترانسفورماتور چند سیم‌پیچی که دارای سیم‌پیچ اولیه بیشتر از یک و سیم‌پیچ ثانویه بیشتر از  یک است خواهیم پرداخت و می‌بینیم که چگونه میتوان دو یا چند سیم‌پیچ ثانویه را برای تغذیه ولتاژ بیشتر یا جریان بیشتر به بار وصل شده، بهم وصل کرد.