ترانسفورماتورها دستگاه های الکتریکی متشکل از دو یا چند سیم پیچ سیمی هستند که برای انتقال انرژی الکتریکی بوسیله یک میدان مغناطیسی در حال تغییر استفاده می شوند. یک ساختار ترانسفورماتور دو سیم پیچه ساده شامل پیچانده شدن هر سیم پیچ بر روی یک جز یا هسته آهنی نرم جداگانه است که مدار مغناطیسی لازم را فراهم می کند. در این مطلب با انواع ترانسفورماتور، کاربرد و اساس کار ترانسفورماتورها آشنا می شویم. ضمنا جهت خرید ترانسفورماتور با قیمتی مناسب و کیفیتی عالی می توانید به فروشگاه اینترنتی دیجی قطعه مراجعه کنید.
فهرست مطالب
اساس ترانسفورماتور ها
یكی از اصلی ترین دلایلی كه ما در خانه ها و محل كار خود از ولتاژ و جریانهای AC استفاده می‌كنیم این است كه منابع AC میتواند به راحتی در ولتاژ مناسب تولید شود، به ولتاژهای بسیار بالاتر تبدیل شود (از این رو نام ترانسفورماتور انتخاب شده است) و سپس با استفاده از یک شبکه ملی از تابلو ها وکابل ها در مسافت های بسیار طولانی در سرتاسر كشور توزیع می شوند.
دلیل تبدیل ولتاژ به سطح بسیار بالاتر این است که ولتاژهای توزیع بالاتر جریان پایین تری را برای همان توان اعمال می‌کنند و در نتیجه تلفات [latex]Rtimes I^{2} [/latex] کمتری در امتداد شبکه کابلها خواهیم داشت. این ولتاژها و جریانهای انتقال AC بالاتر می‌توانند سپس به سطح ولتاژ بسیار پایین تر، ایمن تر و سطح ولتاژ قابل استفاده تری کاهش یابند که می‌توان از آن برای تغذیه تجهیزات الکتریکی در خانه ها و محل های کارمان استفاده کنیم که همه اینها به لطف ترانسفورماتور ولتاژ پایه امکان پذیر است.
ترانسفورماتور ولتاژ را می توان به عنوان یک قطعه الکتریکی به جای یک قطعه الکترونیکی در نظر گرفت. یک ترانسفورماتور در اصل یک دستگاه الکتریکی غیر فعال الکترومغناطیسی استاتیک (یا ثابت) است که بر اساس اصل القایی فارادی با تبدیل انرژی الکتریکی از یک مقدار به مقدار دیگر، کار می کند.
ترانسفورماتور این کار را با اتصال دو یا بیشتر مدارهای الکتریکی با استفاده از یک مدار مغناطیسی نوسان کننده معمولی که توسط خود ترانسفورماتور تولید می شود، انجام می‌دهد. ترانسفورماتور مبتنی بر اصول “القاء الکترومغناطیسی”، در حالت القا متقابل عمل می‌کند.
القای متقابل فرایندی است که در آن سیم پیچ سیم به صورت مغناطیسی ولتاژ را به سیم پیچ دیگری که در نزدیکی آن قرار دارد، القا می‌کند. سپس می‌توان گفت که ترانسفورماتور ها در “حوزه مغناطیسی” کار می‌کنند ، و ترانسفورماتور ها نام خود را از این واقعیت که یک سطح ولتاژ یا جریان را به دیگری “تبدیل” می‌کنند، می گیرند.
ساختار ترانسفورماتور
این مدار مغناطیسی، برای آگاهی بیشتر معروف به “هسته ترانسفورماتور” برای ایجاد مسیری برای شارش میدان مغناطیسی طراحی شده است که برای القای ولتاژ بین دو سیم پیچ ضروری است.
اگرچه، این نوع از ساختار ترانسفورماتور که در آن دو سیم پیچ بر روی جزهای جداگانه پیچیده شده اند بسیار کارآمد نیست زیرا سیم پیچ های اولیه و ثانویه به خوبی از یکدیگر جدا شده اند. این منجر به پیوند مغناطیسی کم بین دو سیم پیچ و همچنین مقدار زیاد نشت شار مغناطیسی از خود ترانسفورماتور می شود. اما همانند این ساختار “”O شکل، انواع مختلفی از “ساختار ترانسفورماتور” و طراحی ها موجود وجود دارند که برای غلبه بر این ناکارآمدی ها بکار می‌روند و یک ترانسفورماتور فشرده و کوچکتر تولید می‌کنند.
عملکرد ترانسفورماتور
کارایی ساختار یک ترانسفورماتور ساده میتواند با آوردن دو سیم پیچ در تماس نزدیک با یکدیگر و در نتیجه بهبود پیوند مغناطیسی، افزایش یابد. افزایش و تمرکز مدار مغناطیسی در اطراف سیم پیچ ها ممکن است باعث بهبود پیوند مغناطیسی بین دو سیم پیچ شود، اما همچنین دارای اثر افزایش تلفات مغناطیسی هسته ترانسفورماتور است.
بعلاوه فراهم کردن مسیر مقاومت مغناطیسی کم برای میدان مغناطیسی، هسته به منظور جلوگیری از گردش جریان های الکتریکی در درون خود آهن، طراحی شده است. جریانهای در گردش “جریانهای گردابی” نامیده می شوند و باعث داغی و اتلاف انرژی در هسته می شوند که کارایی ترانسفورماتورها را کاهش می دهد.
این تلفات بیشتر ناشی از ولتاژهای القایی در مدار آهنی است که به طور مداوم در معرض تنظیم میدان مغناطیسی متناوب توسط ولتاژ تغذیه سینوسی خارجی است. یکی از راه های کاهش این اتلاف های توان ناخواسته، ساخت هسته ترانسفورماتور از لایه های استیل نازک است.
در انواع ساختار ترانسفورماتور، هسته آهنی مرکزی از موادی با نفوذپذیری بالا ساخته شده از لایه های استیل سیلیکونی نازک ساخته شده است. این لایه های نازک با هم جمع شده اند تا مسیر مغناطیسی لازم را با حداقل تلفات مغناطیسی فراهم کنند. مقاومت ورق استیل به خودی خود زیاد است، بنابراین با نازک کردن لایه ها، هرگونه تلفات جریان گردابی کاهش می یابد.
این لایه های ترانسفورماتور استیل در ضخامتی بین [latex] 0.25 [/latex] میلی متر تا [latex] 0.5 [/latex] میلی متر تغییر می‌کنند و از آنجا که استیل یک رسانا است، لایه ها و هر نوع میخ ثابت، پرچ یا پیچ ها توسط یک پوشش بسیار نازک از لاک عایق یا با استفاده از یک لایه اکسیدی روی سطح بصورت الکتریکی از یکدیگر عایق بندی شده اند.
ترانسفورماتور ها قادر به افزایش یا کاهش سطوح ولتاژ و سطح جریان منابع خود بدون تغییر در فرکانس آن یا مقدار توان الکتریکی که از یک سیم پیچ به سیم دیگر از طریق مدار مغناطیسی منتقل می شود، هستند.
یک ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز در اصل از دو سیم پیچ سیم الکتریکی تشکیل شده است، که یکی “سیم پیچ اولیه” و دیگری “سیم پیچ ثانویه” خوانده می‌شوند. برای این آموزش ما سمت “اولیه” ترانسفورماتور، سمتی که معمولا توان را می‌گیرد و “ثانویه” سمتی که معمولا توان را انتقال می‌دهد را تعریف خواهیم کرد.
این دو سیم پیچ با یکدیگر در تماس الکتریکی نیستند اما در عوض با همدیگر در اطراف مدار آهنی مغناطیسی بسته که “هسته” نامیده میشود، پیچیده می‌شوند. این هسته آهنی نرم جامد نیست اما از ورقه های تنها که به هم متصل شده اند تا به کاهش تلفات هسته کمک کنند، تشکیل شده است.
دو سیم پیچ سیم بصورت الکتریکی از یکدیگر جدا شده اند، اما بصورت مغناطیسی از طریق هسته مشترک در ارتباط هستند که اجازه انتقال توان الکتریکی از یک سیم پیچ به دیگری را می‌دهد. هنگامی که یک جریان الکتریکی از سیم پیچ اولیه عبور می کند، یک میدان مغناطیسی که ولتاژ را به سیم پیچ دومی القا می‌کند، توسعه می‌یابد که در شکل زیر نشان داده شده است.
ساختار ترانسفورماتور نوع هسته
به طور کلی، نام اختصاص یافته با ساختار ترانسفورماتور بستگی به نحوه پیچاندن سیم پیچ های اولیه و ثانویه در اطراف هسته استیل لایه لایه شده مرکزی دارد. دو طراحی رایج و اساسی از ساختار ترانسفورماتور، ترانسفورماتور هسته –بسته و ترانسفورماتور هسته- صدفی است.
در ترانسفورماتور نوع “هسته بسته” (فرم هسته)، سیم پیچ های اولیه و ثانویه به بیرون پیچیده می شوند و حلقه هسته را محاصره می کنند. در ترانسفورماتور “نوع صدفی” (فرم پوسته)، سیم پیچ های اولیه و ثانویه از درون مدار مغناطیسی استیلی (هسته) عبور می کنند که مطابق شکل زیر صدفی در اطراف سیم پیچ ها تشکیل می دهد.
ساختار هسته ترانسفورماتور
در هر دو نوع طراحی هسته ترانسفورماتور، شار مغناطیسی که سیم پیچ های اولیه و ثانویه را به هم متصل می کند، کاملاً درون هسته و بدون تلفات شار مغناطیسی در هوا حرکت می کند. در ساختار ترانسفورماتور نوع هسته نیمی از هر سیم پیچ در اطراف هر پایه (یا جز) از مدار مغناطیسی ترانسفورماتورها پیچیده شده است که در بالا نیز نشان داده شده است.
سیم پیچ ها با سیم پیچ اولیه در یک پایه و ثانویه در طرف دیگر مرتب نشده اند اما در عوض نیمی از سیم پیچ اولیه و نیمی از سیم پیچ های ثانویه یکی پس از دیگری بر روی یکدیگر متمرکزا روی هر پایه قرار می گیرند تا پیوند مغناطیسی را افزایش دهند و تمام خطوط مغناطیسی نیرو همزمان از سیم پیچ های اولیه و ثانویه عبور می کنند. اما، با این نوع ساختار ترانسفورماتور، درصد کمی از خطوط مغناطیسی نیرو در خارج از هسته جریان می یابد و این ” نشتی شار” نامیده میشود.
هسته های ترانسفورماتور نوع صدفی بر این نشتی شار غلبه می کنند زیرا سیم پیچ های اولیه و ثانویه بر همان پایه یا جز مرکزی که دارای دو برابر سطح مقطع دو جز بیرونی است، پیچانده می شوند. مزیت در اینجا این است که شار مغناطیسی دارای دو مسیر مغناطیسی بسته برای گردش در اطراف سیم پیچ ها در دو طرف چپ و راست قبل از بازگشت به سیم پیچ های مرکزی است.
این بدان معنی است که شار مغناطیسی در گردش در اطراف جزهای بیرونی این نوع ساختار ترانسفورماتور برابر با Φ / 2 است. از آنجا که شار مغناطیسی مسیر بسته ای را در اطراف سیم پیچ ها دارد، این مزیت را برای کاهش تلفات هسته و افزایش کارایی کلی دارد.
لایه های ترانسفورماتور
اما ممکن است تعجب کنید که چگونه سیم پیچ های اولیه و ثانویه در اطراف این هسته های آهنی یا استیل لایه لایه شده برای این نوع ساختارهای ترانسفورماتور پیچیده شده اند. سیم پیچ ها ابتدا روی قسمت قبلی پیچیده می شوند که دارای یک سطح مقطع استوانه ای، مستطیلی یا بیضی شکل برای تناسب ساختار هسته لایه لایه است. در هر دو نوع از ساختار صدفی و هسته ترانسفورماتور، به منظور سوار كردن سیم پیچ های كویل، لایه های های جدا گانه از ورق های استیل بزرگتر پرچ یا سوراخ می شوند و به نوارهایی از استیل نازك شبیه به حروف “E” ، “L” ،”U” و “I” ها تبدیل می شوند که در زیر نشان داده شده است:
انواع هسته ترانسفورماتور
این تمبرهای لمینیت هنگام اتصال به یکدیگر، شکل هسته مورد نیاز را تشکیل می دهند. به عنوان مثال، دو ورق “E” به همراه دو ورق “I” که در انتها بسته شده اند، یک هسته E-I می دهند که یک عنصر از یک هسته ترانسفورماتور نوع صدف استاندارد را تشکیل می دهد. این لایه های جداگانه در طول ساخت ترانسفورماتورها به شدت با یکدیگر محکم می شوند تا مقاومت مغناطیسی شکاف هوایی در محل اتصال را کاهش دهند و یک چگالی شار مغناطیسی اشباع شده بالا را تولید کنند.
لایه های هسته ترانسفورماتور معمولاً بصورت متناوب با زوج لایه های بیشتری که به آن اضافه می شود تا ضخامت هسته صحیح را جبران کند، روی یکدیگر انباشته می شوند تا اتصال هم پوشانی شده با یکدیگر تولید کنند. این انباشت متناوب لایه ها همچنین به ترانسفورماتور مزیت کاهش نشت شار و تلفات آهن را می بخشد. ساختار ترانسفورماتور چند لایه هسته E-I بیشتر در ترانسفورماتورهای جداسازی، ترانسفورماتورهای افزاینده و کاهنده و همچنین ترانسفورماتورهای خودکار استفاده می شود.
آرایش سیم پیچ ترانسفورماتور
شکل سیم پیچ های ترانسفورماتور بخش مهم دیگری از ساختار ترانسفورماتور را تشکیل می دهند، زیرا آنها از اصلی ترین رساناهای جریان اصلی هستند که در اطراف بخش های چند لایه هسته پیچیده شده اند. در ترانسفورماتور دو سیم پیچ تک فاز، دو سیم پیچ همانطور که نشان داده شده است میتواند وجود داشته باشد. آن بخشی که به منبع ولتاژ وصل شده و شار مغناطیسی را تولید می‌کند سیم پیچ اولیه نامیده شده، و سیم پیچ دوم به نام ثانویه نامیده میشود که در آن یک ولتاژ در نتیجه القاء متقابل القا می شود.
اگر ولتاژ خروجی ثانویه کمتر از ولتاژ ورودی اولیه باشد، ترانسفورماتور به عنوان “ترانسفورماتور کاهنده” شناخته می شود. اگر ولتاژ خروجی ثانویه بیشتر باشد، سپس ولتاژ ورودی اولیه “ترانسفورماتور افزاینده” نامیده میشود.
نوع سیم مورد استفاده به عنوان رسانای حامل جریان اصلی در یک سیم پیچ ترانسفورماتور مس یا آلومینیوم است. در حالی که سیم آلومینیوم از سیم مسی سبک تر و به طور کلی ارزانتر است، سطح مقطع بزرگتر رسانا باید برای حمل همان مقدار جریان مانند مس استفاده می شود بنابراین به طور عمده در کاربردهای ترانسفورماتور توان بالا استفاده میشود.
ترانسفورماتورهای ولتاژ و توان kVA کوچک که در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی با ولتاژ کم استفاده می شود تمایل دارند از رساناهای مس استفاده کنند زیرا اینها مقاومت مکانیکی بالاتری دارند و اندازه رسانای کمتری نسبت به انواع معادل آلومینیوم دارند. نکته منفی این است که وقتی که با هسته شان کامل می‌شوند، این ترانسفورماتورها بسیار سنگین تر می‌شوند.
سیم پیچ ها و کویل های ترانسفورماتور را می توان به طور گسترده ای به سیم پیچ های متحدالمرکز و کویل های ساندویچی طبقه بندی کرد. در ساختار ترانسفورماتور نوع هسته، سیم پیچ ها معمولاً همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است در اطراف جز هسته بصورت متمرکز آرایش می‌یابند بطوریکه سیم پیچ اولیه با ولتاژ بالاتر بر روی سیم پیچ ثانویه با ولتاژ پایین تر پیچیده می شود.
سیم پیچ های ساندویچی و یا “پنکیک” متشکل از رساناهای مسطح به شکل مارپیچ سیم پیچی می‌شوند که به دلیل آرایش رسانا ها در دیسک ها به این نام نامگذاری شده اند. دیسک های جایگزین برای مارپیچ از خارج به سمت مرکز در یک چیدمان بین لایه ای ساخته شده اند که سیم پیچ های جداگانه بر روی هم انباشته شده و توسط مواد عایق مانند کاغذ یا ورق پلاستیکی جدا می شوند. سیم پیچ ها و کویل های ساندویچی بیشتر در نوع ساختار هسته صدفی متداول هستند.
سیم پیچ های حلزونی که به عنوان سیم پیچ پیچ نیز معروف هستند، یکی دیگر از آرایش های سیم پیچ استوانه ای بسیار رایج است که در کاربردهای ترانسفورماتور جریان بالا با ولتاژ کم استفاده می شود. سیم پیچ ها از رساناهای مستطیلی شکل با سطح مقطع بزرگ ساخته شده اند که در طرف آن که با رشته های عایق به طور موازی به طور پیوسته در طول استوانه پیچیده می شوند، با فاصله های مناسب درج شده بین چرخش های مجاور یا دیسک ها تا جریانهای گردشی بین رشته های موازی به حداقل برسد، پیچانده شده اند. سیم پیچ همانطور که مارپیچ شباهت دارد بصورت مارپیچ به سمت خارج پیشرفت می کند.
عایق مورد استفاده برای جلوگیری از اتصال کوتاه رسانا ها در ترانسفورماتور معمولاً یک لایه نازک از لاک یا مینا در ترانسفورماتورهای خنک کننده هوا است. این لاک نازک یا رنگ مینا قبل از اینکه در اطراف هسته پیچ شود روی سیم رنگ می شود.
در ترانسفورماتورهای توان بالا و توزیعی، رسانا ها با استفاده از کاغذ یا پارچه آغشته به روغن از یکدیگر عایق بندی می شوند. کل هسته و سیم پیچ ها در یک مخزن محافظ حاوی روغن ترانسفورماتور غوطه ور می شوند. روغن ترانسفورماتور به عنوان عایق و همچنین به عنوان خنک کننده عمل می کند.
جهت گیری نقطه ترانسفورماتور
ما بسادگی نمی توانیم فقط یک هسته چند لایه را بگیریم و یکی از کویل ها پیکربندی را در اطراف آن بپیچیم. ما می توانیم اما ممکن است دریابیم که ولتاژ ثانویه و جریان ممکن است با ولتاژ و جریان اولیه غیر هم فاز باشند. دو سیم پیچ سیم نسبت به یکدیگر جهت گیری متفاوتی دارند. در هر صورت سیم پیچ می تواند در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت دور هسته پیچیده شود، بنابراین برای پیگیری جهت گیری های نسبی خود از “نقاط” برای شناسایی انتهای معین از هر سیم پیچ استفاده می شود.
به این روش تعیین جهت گیری یا جهت یابی سیم پیچ های ترانسفورماتور “قرارداد نقطه” گفته می شود. سپس سیم پیچ های ترانسفورماتور پیچیده شده اند و در نتیجه روابط فاز صحیح بین ولتاژهای سیم پیچ با قطبیت ترانسفورماتورها که بعنوان قطبیت نسبی ولتاژ ثانویه نسبت به ولتاژ اولیه همانطور که در شکل زیر مشخص شده است، وجود دارد.
ساختار ترانسفورماتور با استفاده از جهت یابی نقطه
ترانسفورماتور اول دو “نقطه” خود را در کنار هم در دو سیم پیچ نشان می دهد. جریان خارجی از نقطه ثانویه “هم فاز” با جریان ورودی به نقطه سمت اولیه است. بنابراین قطبهای ولتاژ در انتها های نیز هم فاز هستند بنابراین وقتی که ولتاژ در انتهای نقطه سیم پیچ اولیه مثبت است، ولتاژ دو سر سیم پیچ ثانویه نیز در انتهای نقطه مثبت است.
ترانسفورماتور دوم دو نقطه را در انتهای مخالف سیم پیچ ها نشان می دهد که بدان معنی است که سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور در جهت های مخالف پیچیده شده اند. نتیجه آن این است که جریان خارج از نقطه ثانویه 180 درجه “خارج از فاز” با جریان ورودی به نقطه اولیه است. بنابراین قطبهای ولتاژ در انتهای نقطه نیز خارج از فاز هستند بنابراین وقتی ولتاژ در انتهای نقطه سیم پیچ اولیه مثبت باشد ولتاژ دو سر سیم پیچ ثانویه مربوطه منفی خواهد بود.
سپس ساختار ترانسفورماتور می تواند به گونه ای باشد که ولتاژ ثانویه ممکن است “هم فاز” یا “خارج از فاز” با توجه به ولتاژ اولیه باشد. در ترانسفورماتورها که دارای تعدادی سیم پیچ ثانویه مختلف هستند که هر یک از آنها به صورت الکتریکی از یکدیگر جدا شده اند، مهم است که قطبیت نقطه ای سیم پیچ های ثانویه را بدانیم درنتیجه آنها می‌توانند با یکدیگر در پیکربندی هایی به صورت سری (ولتاژ ثانویه جمع شده است) یا مخالف سری (ولتاژ ثانویه تفاضل شده است ) اتصال یابند.
امکان تنظیم نسبت چرخش یک ترانسفورماتور معمولاً برای جبران تأثیر تغییرات ولتاژ تغذیه اولیه، تنظیم ترانسفورماتور یا شرایط بار متغیر، مطلوب است. کنترل ولتاژ ترانسفورماتور معمولاً با تغییر نسبت چرخش انجام می شود و بنابراین نسبت ولتاژ آن به وسیله آن قسمتی از سیم پیچ اولیه در سمت ولتاژ بالا بیرون کشیده شده و امکان تنظیم آسان را فراهم می آورد. بهره برداری در طرف ولتاژ بالا ترجیح داده می شود زیرا ولتاژ در هر چرخش از طرف ثانویه ولتاژ پایین، کمتر است.
تغییرات تپ اولیه ترانسفورماتور
در این مثال ساده، تغییرات تپ اولیه برای تغییر ولتاژ تغذیه 5٪ ± محاسبه شده است، اما هر مقدار می تواند انتخاب شود. بعضی از ترانسفورماتورها ممکن است دارای دو یا چند سیم پیچ اولیه یا دو یا چند سیم پیچ ثانویه برای استفاده در برنامه های مختلف برای ارائه ولتاژهای مختلف از یک هسته واحد باشند.
تلفات هسته ترانسفورماتور
توانایی آهن یا استیل برای حمل شار مغناطیسی بسیار بیشتر از آن در هوا است و به این توانایی اجازه شارش شار مغناطیسی، نفوذپذیری می‌گویند. بیشتر هسته های ترانسفورماتور از استیل های کم کربن ساخته شده اند که در مقایسه با هوا با نفوذپذیری فقط 1 می توانند دارای نفوذپذیری 1500 باشند.
این بدان معنی است که یک هسته چند لایه استیل می تواند یک شار مغناطیسی 1500 برابر بهتر از هوا حمل کند. اگرچه، هنگامی که یک شار مغناطیسی در هسته استیل ترانسفورماتور جریان می یابد، دو نوع تلفات در استیل رخ می دهد. یکی به عنوان “تلفات جریان گردابی” و دیگری با عنوان “تلفات هیسترزیس” نامیده می شود.
تلفات هیسترزیس
تلفات هیسترزیس ترانسفورماتور به دلیل اصطکاک مولکول ها در مقابل جریان خطوط مغناطیسی نیرو مورد نیاز برای مغناطیسی کردن هسته ایجاد می شوند که دائماً در مقدار و جهت ابتدا در یک جهت و سپس دیگری به دلیل تأثیر سینوسی ولتاژ تغذیه تغییر می‌کنند.
این اصطکاک مولکولی باعث ایجاد گرما و گسترش آن میشود که نشان دهنده اتلاف انرژی برای ترانسفورماتور است. تلفات گرمای بیش از حد می تواند عمر مواد عایق مورد استفاده در ساخت سیم پیچ ها و ساختارها را کوتاه کند. بنابراین خنک کننده ترانسفورماتور از اهمیت بالایی برخوردار است.
همچنین ترانسفورماتورها به گونه ای طراحی شده اند که در یک فرکانس تغذیه خاص کار کنند. کاهش فرکانس تغذیه باعث افزایش هیسترزیس و دمای بالاتر در هسته آهن خواهد شد. بنابراین کاهش فرکانس تغذیه از 60 هرتز به 50 هرتز باعث افزایش میزان هیسترزیس موجود و کاهش ظرفیت VA ترانسفورماتور خواهد شد.
تلفات جریان گردابی
از طرف دیگر تلفات جریان گردابی ترانسفورماتور به دلیل شارش جریانهای گردشی القا شده در استیل ناشی از جریان شار مغناطیسی در اطراف هسته می‌باشد. این جریان های گردشی تولید می شوند زیرا عنوان شار مغناطیسی هسته مانند یک حلقه واحد سیم عمل می کند. از آنجا که هسته آهن رسانای خوبی است، جریانهای گردابی القا شده توسط یک هسته آهن جامد، بزرگ خواهند بود.
جریان های گردابی هیچ چیزی در جهت عدم مفید بودن ترانسفورماتور به اشتراک نمی‌گذارند اما در عوض با عملکردی مانند نیروی منفی که باعث تولید گرمایش مقاومتی و تلفات توان در هسته می شود، با شارش جریان القایی مخالف می کنند.
لایه لایه کردن هسته آهنی
تلفات جریان گردابی درون هسته یک ترانسفورماتور را نمی توان به طور کامل از بین برد، اما با کاهش ضخامت هسته استیل می توان آنها را تا حد زیادی کاهش داد و کنترل کرد. به جای داشتن یک هسته بزرگ آهنی جامد به عنوان ماده هسته مغناطیسی ترانسفورماتور یا کویل، مسیر مغناطیسی به بسیاری شکل های استیل نازک فشاری به نام “لایه لایه شدن” تقسیم می شود.
لایه های مورد استفاده در ساختار ترانسفورماتور از نوارهایی بسیار نازک از فلز عایقی متصل به یکدیگرساخته شده اند تا همانطور که در بالا دیدیم یک هسته جامد اما لایه لایه تشکیل دهند. این لایه ها با استفاده از یک پوششی از لاک یا کاغذ برای افزایش مقاومت موثر هسته از یکدیگر عایق بندی شده اند و از این طریق مقاومت کلی را افزایش می دهند تا شارش جریانهای گردابی را محدود کنند.
نتیجه تمام این عایق سازی این است که تلفات توان جریان گردابی القا شده ناخواسته در هسته بصورت چشمگیر کاهش یابد و آن به این دلیل است که مدار آهنی مغناطیسی هر ترانسفورماتور و سایر دستگاههای الکترومغناطیسی همه لایه لایه شده اند. استفاده از لایه ها در ساختار ترانسفورماتور باعث کاهش تلفات جریان گردابی می شود.
تلفات انرژی، که به صورت گرما به دلیل جریانهای گردابی و هیسترزیس در مسیر مغناطیسی ظاهر می شوند، معمولاً به عنوان “تلفات هسته ترانسفورماتور” شناخته می شوند. این تلفات در تمام مواد مغناطیسی به عنوان نتیجه میدان مغناطیسی متناوب اتفاق می افتد.
تلفات هسته ترانسفورماتور همیشه در یک ترانسفورماتور وجود دارد زمانی که اولیه حامل انرژی شود، حتی اگر هیچ باری به سیم پیچ ثانویه وصل نشده باشد. همچنين اين تلفات هيسترزيس و جريانهای گردابی گاهي اوقات بعنوان “تلفات آهنی ترانسفورماتور” شناخته مي شوند، و از آنجا که شار مغناطيسي باعث این تلفات میشود، در تمام بارها ثابت است.
تلفات مس
اما نوع دیگری از اتلاف انرژی برای ترانسفورماتورها به نام “تلفات مس” نیز وجود دارد. تلفات مس ترانسفورماتور عمدتا به دلیل مقاومت الکتریکی سیم پیچ اولیه و ثانویه است. بیشتر سیم پیچ های ترانسفورماتور از سیم مسی ساخته شده اند که دارای مقاومت در واحد اهم (Ω) هستند. این مقاومت با جریانهای مغناطیسی که درون آنها جریان می یابد، مخالف می‌کند.
ساخت هسته ترانس
هنگامی که یک بار به سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتورها متصل می شود، جریان های الکتریکی بزرگی در سیم پیچ های اولیه و ثانویه جریان می یابند، تلفات انرژی الکتریکی و توان (یا I2 R) بصورت گرما ظاهر می‌شوند. به طور کلی تلفات مس با جریان بار تغییر می‌کند، تقریبا همیشه در حالت بدون بار صفر است و در بار کامل حداکثر است، هنگامی که شارش جریان حداکثر است.
نرخ VA ترانسفورماتور را می توان با طراحی بهتر و ساختار ترانسفورماتور برای کاهش این تلفات هسته و مس افزایش داد. ترانسفورماتورها با ولتاژ بالا و نرخ جریان نیازمند رسانا هایی با سطح مقطع بزرگ برای کمک به حداقل رساندن تلفات مس هستند. افزایش نرخ اتلاف گرما (خنک سازی بهتر) توسط هوای اجباری یا روغن یا بهبود عایق ترانسفورماتورها، در نتیجه آن در برابر درجه حرارت بالاتر مقاومت می کند همچنین می تواند باعث افزایش نرخ VA ترانسفورماتور شود.
سپس می توانیم یک ترانسفورماتور ایده آل را به شرط داشتن شرایط زیر تعریف کنیم:
بدون هیچ حلقه هیسترزیس یا تلفات هیسترزیس
مقاومت نامتناهی مواد هسته که باعث تلفات جریان گردابی صفر میشود
مقاومت سیم پیچی صفر که منجر به تلفات مس I2R صفر میشود
در آموزش بعدی درباره ترانسفورماتورها به بررسی بارگذاری سیم پیچ ثانویه با توجه به بار الکتریکی ترانسفورماتور خواهیم پرداخت و تأثیر یک ترانسفورماتور “بدون بار” و متصل به “بار” را در جریان سیم پیچ اولیه مشاهده خواهیم کرد.
ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز
به عبارت دیگر ، برای یک ترانسفورماتور هیچ ارتباط الکتریکی مستقیمی بین دو سیم پیچ سیم وجود ندارد، از این رو می توان آن را یک ترانسفورماتور جداساز (عایق) نیز نامید. به طور کلی، سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور به منبع ولتاژ ورودی وصل میشود و توان الکتریکی را به یک میدان مغناطیسی تبدیل یا تغییر می‌دهد. در حالی که وظیفه سیم پیچ ثانویه تبدیل این میدان مغناطیس متناوب به توان الکتریکی که ولتاژ خروجی موردنیاز را تولید می‌کند، است که در شکل زیر نشان داده شده است.
ساختار ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز
به طوری که:
VP – ولتاژ اولیه است
VS – ولتاژ ثانویه است
NP – تعداد سیم پیچ های اولیه است
NS – تعداد سیم پیچ های ثانویه است
Φ – شار است
توجه کنید که دو سیم پیچ سیم بصورت الکتریکی به یکدیگر وصل نیستند بلکه فقط بصورت مغناطیسی به هم وصل می‌شوند. یک ترانسفورماتور تک فاز می تواند برای افزایش یا کاهش ولتاژ اعمال شده در سیم پیچ اولیه عمل کند. هنگامی که ترانسفورماتوری برای “افزایش” ولتاژ در سیم پیچ ثانویه خود با توجه به اولیه بکار می‌رود، به آن ترانسفورماتور افزاینده گفته می شود و هنگامی که از آن برای “کاهش” ولتاژ سیم پیچ ثانویه با توجه به اولیه استفاده می شود، ترانسفورماتور کاهنده نامیده می شود.
با این حال، شرط سوم برای ترانسفورماتور این است که در آن ترانسفورماتور همان ولتاژ را در ثانویه خود تولید می کند که در سیم پیچ اولیه آن اعمال میشود. به عبارت دیگر، خروجی آن با توجه به ولتاژ، جریان و توان منتقل شده یکسان است. این نوع ترانسفورماتور “ترانسفورماتور امپدانس” نامیده می شود و اکثرا برای تطبیق امپدانس یا جداسازی مدارهای الکتریکی مجاور استفاده میشود.
اختلاف ولتاژ بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه با تغییر تعداد دور سیم پیچ در سیم پیچ اولیه (NP) در مقایسه با تعداد دور سیم پیچ های سیم پیچ ثانویه (NS) حاصل می شود.
از آنجا که ترانسفورماتور اساساً یک قطعه خطی است، اکنون یک نسبت بین تعداد دور سیم پیچ اولیه تقسیم شده بر تعداد دور سیم پیچ ثانویه وجود دارد. این نسبت، نسبت تبدیل خوانده شده، که بیشتر به عنوان “نسبت چرخش(حلقه)” (TR) ترانسفورماتور شناخته میشود. مقدار نسبت چرخش، عملکرد ترانسفورماتور و ولتاژ متناظر موجود در سیم پیچ ثانویه را بیان می کند.
ضروری است تا نسبت تعداد چرخش سیم در سیم پیچ اولیه در مقایسه با سیم پیچ ثانویه را بدانیم. نسبت چرخش، هیچ واحدی ندارد و دو سیم پیچ را به ترتیب مقایسه کرده و با دو نقطه مانند 1: 3 (3 به 1) نوشته میشود. در این مثال این به این معنی است که اگر در ولتاژ اولیه 3 ولت وجود داشته باشد، یک ولت در سیم پیچ ثانویه وجود خواهد داشت، که بصورت3 ولت به1 ولت است. سپس می‌توانیم ببینیم که اگر نسبت بین تعداد چرخش تغییر کند، ولتاژهای حاصل نیز باید با همان نسبت تغییر کنند و این درست است.
ترانسفورماتور ها کلا چیزی در مورد “نسبت ها” هستند. نسبت اولیه به ثانویه، نسبت ورودی به خروجی و نسبت چرخش هر ترانسفورماتور معین دقیقا با نسبت ولتاژ آن برابر خواهد شد. به عبارت دیگر برای یک ترانسفورماتور: “نسبت چرخش‌ها = نسبت ولتاژ” است. تعداد واقعی چرخش سیم در هر سیم پیچ عموما مهم نیست، فقط نسبت چرخش مهم است و این رابطه نسبت به این صورت است:
نسبت چرخش ترانسفورماتور
[latex] n=(frac{N_{p}}{N_{s}})=(frac{V_{p}}{V_{s}}) [/latex]
با فرض یک ترانسفورماتور ایده آل و زاویه های فاز: ΦP ≡ ΦS
توجه داشته باشید که ترتیب اعداد هنگام بیان مقدار نسبت چرخش ترانسفورماتور ها بسیار مهم است زیرا نسبت چرخش 1: 3 یک ارتباط بین ولتاژ خروجی و ترانسفورماتور متفاوت از نسبت چرخش 3: 1 را نشان می‌دهد.
مثال شماره 1 مبانی ترانسفورماتور
یک ترانسفورماتور ولتاژ در سیم پیچ اولیه خود دارای 1500 حلقه سیم و 500 حلقه سیم برای سیم پیچ ثانویه خود است. نسبت چرخش (TR) ترانسفورماتور چه خواهد بود.
[latex] T.R=(frac{N_{p}}{N_{s}})=(frac{1500}{500})=3:1 [/latex]
این نسبت 1: 3 (3 به 1) این معنی را می‌دهد که برای هر سیم پیچ ثانویه سه سیم پیچ اولیه وجود دارد. از آنجا که این نسبت از یک عدد بزرگتر در سمت چپ به یک عدد کوچکتر در سمت راست حرکت می‌کند، بنابراین ولتاژ اولیه همانطور که نشان داده می شود از نظر عددی پایین می رود.
مثال شماره 2 مبانی ترانسفورماتور
اگر ولتاژ 240 ولت 1rms به سیم پیچ اولیه همان ترانسفورماتورکه در بالا گفته شد اعمال شود، ولتاژ بار ثانویه حاصل چه خواهد شد.
[latex] T.R=3:1-OR(frac{3}{1})=(frac{V_{p}}{V_{s}})=(frac{240}{V_{s}}) [/latex]
ولتاژ ثانویه [latex] V_{s}=(frac{V_{p}}{3})=(frac{240}{3})=80V [/latex]
دوباره تائید میشود که ترانسفورماتور یک ترانسفورماتور”کاهنده” است بطورکه ولتاژ اولیه 240 ولت و ولتاژ ثانویه متناظر کمتر از 80 ولت است.
سپس هدف اصلی ترانسفورماتور تبدیل ولتاژ در نسبتهای فعلی است و می توانیم ببینیم که سیم پیچ اولیه مقدار مشخصی یا تعداد سیم پیچ های (سیم پیچ سیم) تنظیمی بر روی خود برای تنظیم ولتاژ ورودی دارد. اگر ولتاژ خروجی ثانویه به همان مقدار ولتاژ ورودی در سیم پیچ اولیه باشد، سپس همان تعداد سیم پیچ باید به هسته ثانویه پیچانده شود که در هسته اولیه وجود دارد و نسبت چرخش 1: 1 خواهد بود (1به1). به عبارت دیگر، هر چرخش سیم پیچ سیم در ثانویه معادل با یک سیم پیچ سیم در اولیه است.
اگر ولتاژ ثانویه خروجی از ولتاژ ورودی بیشتر یا بالاتر باشد (ترانسفورماتور افزاینده)، سپس باید چرخش بیشتری در ثانویه وجود داشته باشد که نسبت 1: N (1 به N) را می‌دهد، بطوریکه N نشان دهنده تعداد نسبت چرخش است. به همین ترتیب ، اگر نیاز باشد که ولتاژ ثانویه پایین تر یا کمتر از اولیه باشد، (ترانسفورمر کاهنده)، باید تعداد سیم پیچ های ثانویه کمتر باشد و نسبت چرخش آن N:1 باشد (N به 1).
رفتار ترانسفورماتور
دیدیم که تعداد سیم پیچ های سیم پیچ ثانویه در مقایسه با سیم پیچ اولیه، نسبت چرخش، بر میزان ولتاژ موجود در سیم پیچ ثانویه تأثیر می‌گذارد. اما اگر این دو سیم پیچ از نظرالکتریکی از یکدیگر جدا باشند، این ولتاژ ثانویه چگونه تولید خواهد شد؟
قبلاً گفتیم که یک ترانسفورماتور اساساً از دو سیم پیچ در اطراف یک هسته آهنی نرم مشترک تشکیل شده است. هنگامی که یک ولتاژ متناوب (VP) بر روی سیم پیچ اولیه اعمال می شود، جریان درون سیم پیچ جریان می‌یابد که به نوبه خود در اطراف خود توسط این شارش جریان و طبق قانون القا الکترومغناطیسی فارادی، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. قدرت میدان مغناطیسی ایجاد شده با شارش جریان از صفر به حداکثر مقدار خود که به صورت dΦ/dt داده می شود، افزایش می‌یابد.
وقتی که خطوط مغناطیسی نیرو تنظیم شده توسط این الکترومغناطیس به بیرون از سیم پیچ گسترش می‌یابد، هسته آهنی نرم مسیری را تشکیل داده و شار مغناطیسی را متمرکز می‌کند. این شار مغناطیسی چرخش های هر دو سیم پیچ را که تحت تأثیر منبع AC، در جهت های مخالف افزایش و کاهش می یابند، به‌هم متصل می‌کند.
اگرچه، قدرت میدان مغناطیسی القا شده در هسته آهنی نرم بستگی به میزان جریان و تعداد چرخش سیم پیچ دارد. هنگامی که جریان کاهش می یابد ، قدرت میدان مغناطیسی کاهش می یابد.
هنگامی که خطوط مغناطیسی شار در اطراف هسته جریان می یابند، آنها از حلقه های سیم پیچ ثانویه عبور می‌کنند و باعث القا یک ولتاژ به سیم پیچ ثانویه می‌شوند. مقدار ولتاژ القایی بصورت N × dΦ / dt (قانون فارادی) تعیین خواهد شد، بطوری که N تعداد چرخش سیم پیچ ها است. همچنین این ولتاژ القایی دارای همان فرکانس ولتاژ سیم پیچ اولیه است.
سپس می توانیم ببینیم که در هر چرخش سیم پیچ ولتاژ یکسانی القا شده است زیرا شار مغناطیسی یکسان، چرخش های هر دو سیم پیچ را به هم پیوند می دهد. در نتیجه، ولتاژ کلی القا شده در هر سیم پیچ مستقیما با تعداد چرخش های آن سیم پیچ متناسب است. اما، در صورت زیاد بودن تلفات مغناطیسی هسته، دامنه اوج ولتاژ خروجی موجود در سیم پیچ ثانویه کاهش خواهد یافت.
اگر بخواهیم سیم پیچ اولیه یک میدان مغناطیسی قوی تری برای غلبه بر تلفات مغناطیسی هسته تولید کند، می توانیم جریان بیشتری را در سیم پیچ جاری کنیم، یا همان شارش جریان را حفظ کنیم و در عوض تعداد چرخش های سیم پیچ (NP) را افزایش دهیم. محصول چرخش زمانی آمپر “چرخش -آمپر” نام دارد که نیروی مغناطیسی سیم پیچ را تعیین می کند.
بنابراین فرض می‌کنیم ترانسفورماتوری با یک چرخش در اولیه و فقط یک چرخش در ثانویه داریم. اگر یک ولت بر روی یک چرخش سیم پیچ در اولیه اعمال شود، با فرض هیچ اتلافی، جریان کافی باید شارش یابد و شار مغناطیسی کافی باید تولید شود تا در یک چرخش ثانویه یک ولت ایجاد شود. یعنی هر سیم پیچ از همان تعداد ولت در هر چرخش حمایت می‌کند.
از آنجا که شار مغناطیسی بصورت سینوسی تغییر می‌کند، Φ = Φmax ×sinωt، سپس رابطه اصلی بین emf القایی ، (E) در N چرخش از سیم پیچ بصورت زیر بیان میشود:
emf = تعداد حلقه × نسبت تغییرات شار
[latex] E=N(frac{dPhi }{dt}) [/latex]
[latex] E=Ntimes omega times times phi _{max}times cos(omega t) [/latex]
[latex] E_{max}=Nomega Phi _{max} [/latex]
[latex] E_{rms}=(frac{Nomega }{sqrt{2}})times Phi _{max}=(frac{2Pi }{sqrt{2}})times ftimes Ntimes Phi _{max}[/latex]
[latex] E_{rms}=4.44fNPhi _{max} [/latex]
بطوریکه:
f – فرکانس شار در هرتز ، =ω / 2π است
Ν – تعداد سیم پیچ سیم است.
Φ – مقدار شار در وبرز است
این به صورت رابطه ترانسفورماتور EMF معروف است. برای emfسیم پیچ اولیه N، تعداد چرخش سم پیچ اولیه خواهد بود (NP)، برای emf سیم پیچ ثانویهN تعداد چرخش سیم پیچ ثانویه (NS) خواهد بود.
همچنین توجه داشته باشید که از آنجا که ترانسفورماتور ها برای عملکرد صحیح به شار مغناطیسی متناوب نیاز دارند، از این رو نمی توان از ترانسفورماتور ها برای تبدیل یا تأمین ولتاژ یا جریان DC استفاده کرد، زیرا میدان مغناطیسی برای القای ولتاژ در سیم پیچ ثانویه باید تغییر کند. به عبارت دیگر ، ترانسفورماتور ها در ولتاژهای DC حالت پایدار کار نمی‌کنند، فقط ولتاژهای متناوب یا پالس کننده اعمال می‌شوند.
اگر سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور ها به منبع DC متصل شده باشد، راکتانس القایی سیم پیچ صفر خواهد بود زیرا DC هیچ فرکانس ندارد، بنابراین امپدانس موثر سیم پیچ بسیار کم و تنها برابر با مقاومت مس استفاده شده خواهد بود. بنابراین سیم پیچ جریان بسیار بالایی را از منبع DC خواهد کشید و باعث گرم شدن بیش از حد آن و در نهایت سوختن آن می شود، زیرا همانطور که می دانیم I = V / R است.
مثال شماره 3 مبانی ترانسفورماتور
یک ترانسفورماتور تک فاز دارای 480 سیم پیچ اولیه و 90 سیم پیچ در سیم پیچ ثانویه است. بیشینه مقدار چگالی شار مغناطیسی 1/1 تسلا است بطوری که ولتاژ 220 ولت و فرکانس 50 هرتز به سیم پیچ اولیه اعمال شده است.محاسبه کنید:
1_ماکزیمم شار در هسته
[latex] E_{rms}=(frac{Nomega }{sqrt{2}})times Phi _{max} [/latex]
[latex] Phi _{max}=(frac{E_{rms}}{Nomega })times sqrt{2}=(frac{2200}{480times 2Pi times 50})times sqrt{2} [/latex]
[latex] Phi _{max}=0.0206Wb [/latex]
2 – سطح مقطع هسته
[latex] Phi _{max}=beta times A [/latex]
[latex] A=(frac{Phi _{max}}{beta })=(frac{0.0206}{1.1})=0.0187m^{2} [/latex]
3- emf القایی ثانویه
[latex] T.R=(frac{N_{p}}{N_{s}})=(frac{V_{p}}{V_{s}}) [/latex]
[latex] V_{s}=(frac{V_{p}times N_{s}}{N_{p}})=(frac{2200times 90}{480})=412.5V [/latex]
توان ترانسفورماتور
یکی دیگر از پارامترهای مبانی ترانسفورماتور، نرخ توان آن است. نرخ توان ترانسفورماتور با ضرب ساده جریان با ولتاژ برای بدست آوردن نرخ در ولت -آمپر (VA) بدست می‌آید. ترانسفورماتور های تک فاز کوچک ممکن است فقط در ولت-آمپرها رتبه بندی شوند، اما ترانسفورماتور های قدرتی بسیار بزرگتر در واحدهای کیلو ولت-آمپر (kVA) که در آن 1 کیلو ولت-آمپر برابر است با 1000 آمپر ولت ، و واحد های مگا ولت-آمپر (MVA) که در آن آمپر 1 مگا ولت برابر با 1 میلیون ولت آمپر است بیان می‌شوند.
در یک ترانسفورماتور ایده آل (نادیده گرفتن هرگونه تلفات)، توان موجود در سیم پیچ ثانویه برابر با همان توان در سیم پیچ اولیه خواهد بود، آنها قطعاتی با وات ثابت هستند و توان را تغییر نمی‌دهند و تنها نسبت ولتاژ به جریان تغیی می‌یابد. بنابراین، در یک ترانسفورماتور ایده آل ، ضریب توان برابر با یک (یکپارچگی)است، زیراکه ولتاژ V ضرب شده در جریان I، ثابت خواهند ماند.
به همین دلیل است که انرژی الکتریکی در یک سطح ولتاژ / جریان در اولیه در همان فرکانس، با همان ولتاژ / جریان در سمت ثانویه به توان الکتریکی “تبدیل” شده است. اگرچه ترانسفورماتور می توانند ولتاژ را بالا (یا پایین) ببرد، اما نمی تواند توان را افزایش دهد. بنابراین، هنگامی که یک ترانسفورماتور یک ولتاژ را بالا می برد، جریان را کاهش می دهد و برعکس، به طوری که همیشه توان خروجی در مقدار برابر با توان ورودی است. سپس می توان گفت که توان اولیه برابر با ثانویه (PP = PS) است.
توان (اولیه)=توان (ثانویه)
[latex] P_{prime}=P_{secound}=V_{p}I_{p}cosTheta _{p}=V_{s}I_{s}cosTheta _{s} [/latex]
بطوریکه: [latex] Theta _{p} [/latex] زاویه فاز اولیه و [latex] Theta _{s} [/latex] زاویه فاز ثانویه است.
توجه داشته باشید که از آنجایی که از افت توان متناسب با مربع جریان انتقال یافته است، یعنی: RI2 ، افزایش ولتاژ، بیایید بگوییم که با دو برابر شدن (2×) ولتاژ، جریان با همان مقدار کاهش می‌یابد (2 ÷) در حالتی که همان مقدار از توان را به بار انتقال می‌دهد و در نتیجه تلفات را با ضریب 4 کاهش می‌دهد. اگر مقدار ولتاژ با ضریب 10 افزایش یابد، جریان با همان ضریب کاهش می یابد و باعث کاهش تلفات کلی با ضریب 100 می شود.
مبانی ترانسفورماتور- بازده
یک ترانسفورماتور برای انتقال انرژی به هیچ قسمت متحرک نیازی ندارد. این بدان معناست که هیچ گونه اصطکاک و یا تلفات سیم پیچی در ارتباط با سایر ماشین های الکتریکی وجود ندارد. با این حال، ترانسفورماتور ها از انواع دیگر تلفات به نام های “تلفات مس” و “تلفات آهن” رنج می برند، اما به طور کلی این موارد بسیار ناچیز هستند.
تلفات مس، که همچنین با تلفات RI2 شناخته میشود، توان الکتریکی است که در اثر گردش جریان ها در اطراف سیم پیچ های مسی ترانسفورماتور، بصورت گرما از دست می رود، از این رو تلفات مس نام دارد. تلفات مس بیانگر بزرگترین افت در عملکرد ترانسفورماتور است. وات واقعی توان از دست رفته میتواند با مربع آمپرها و ضرب شدن در مقاومت در اهم سیم پیچ (RI2) برای هر سیم پیچ تعیین کرد.
تلفات آهن ، که به عنوان هیسترزیس نیز شناخته می شود، عقب ماندن مولکول های مغناطیسی در هسته در پاسخ به شار مغناطیسی متناوب، است. این وضعیت عقب ماندن (یا خارج از فاز) ناشی از این حقیقت است که برای معکوس کردن مولکول های مغناطیسی نیاز به توان است؛ آنها تا زمانی که شار به اندازه کافی نیرو برای معکوس کردن آنها به دست نیاورده باشد، معکوس نمی‌شوند.
وارونگی آنها منجر به اصطکاک می شود و اصطکاک گرما را در هسته ایجاد می‌کند که این نوعی از افت توان است. هیسترزیس درون ترانسفورماتور میتواند با ساخت هسته از آلیاژهای فلزی ویژه کاهش یابد.
شدت اتلاف نیرو در ترانسفورماتور، راندمان آن را تعیین می‌کند. راندمان ترانسفورماتور در افت توان (وات) بین سیم پیچ های اولیه (ورودی) و ثانویه (خروجی) منعکس میشود. سپس راندمان حاصل ترانسفورماتور برابر است با نسبت توان خروجی سیم پیچ ثانویه، PS به توان ورودی سیم پیچ اولیه، PP و به همین دلیل زیاد است.
ترانسفورماتور ایده آل بصورت100٪ ،کارآمد است زیرا تمام انرژی دریافت شده را انتقال می‌دهد. از طرف دیگر ترانسفورماتور های واقعی بصورت 100٪ ، کارآمد و در بار کامل نیستند، راندمان یک ترانسفورماتور بین 94٪ تا 96٪ است که بسیار خوب است. برای ترانسفورماتوری که با ولتاژ و فرکانس ثابت با ظرفیت بسیار بالا کار می‌کند، راندمان ممکن است به بزرگی 98٪ باشد. راندمان η ترانسفورماتور به شرح زیر است:
راندمان ترانسفورماتور
راندمان ترانسفورماتور، 100% × (توان خروجی/توان ورودی) η=
100%× (توان ورودی/ توان ورودی- تلفات)=
100%× (توان ورودی/تلفات)-1=
بطوریکه: ورودی، خروجی و تلفات همه در واحدهای توان بیان شده اند.
به طور کلی زمانی که با ترانسفورماتور ها سرو کار داریم، وات اولیه “ولت-آمپر” VA گفته می شود تا آنها را از وات ثانویه متمایز کند. سپس رابطه راندمان در بالا بصورت زیر تغییر می‌یابد:
راندمان ترانسفورماتور، (VA اولیه(ورودی)/وات ثانویه(خروجی)) η=
گاهی اوقات به خاطر سپردن رابطه بین ورودی، خروجی و راندمان ترانسفورماتور با استفاده از تصاویر ساده تر است. در اینجا سه مقدار VA ، W و η در یک مثلث قرار داده شده است که توان را در وات در بالا با ولت آمپر و راندمان را در پایین قرار داده است. این چیدمان موقعیت واقعی هر مقدار در روابط راندمان را نشان می دهد.
مثلث راندمان ترانسفورماتور
و انتقال مقادیر مثلث فوق، ترکیبهایی از همان مقادیر را به ما می دهد:
سپس برای یافتن وات(خروجی)= × VAراندمان. یا برای یافتنVA (ورودی)= راندمان/W. یا برای یافتن راندمان بازده=W/VA و غیره را انجام می‌دهیم.
خلاصه مبانی ترانسفورماتور
سپس برای خلاصه کردن آموزش مبانی ترانسفورماتور: ترانسفورماتور با استفاده از یک میدان مغناطیسی، سطح ولتاژ (یا سطح جریان) را در سیم پیچ ورودی خود به مقدار دیگری در سیم پیچ خروجی خود تغییر می‌دهد. ترانسفورماتور از دو سیم پیچ جدا شده از نظر الکتریکی تشکیل شده است و بر اساس “القای متقابل” قانون فارادی عمل می‌کند، که در آن یک EMF در سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور ها توسط شار مغناطیسی ایجاد شده توسط شارش ولتاژها و جریانها در سیم پیچ اولیه ایجاد می شود.
هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه سیم پیچ در اطراف یک هسته مشترک آهنی نرم ساخته شده از ورقه های تکی برای کاهش جریان گردابی و تلفات توان، پیچانده می شوند. سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور به منبع تغذیه AC متصل شده است که باید ماهیت سینوسی داشته باشد، در حالی که سیم پیچ ثانویه توان الکتریکی را در بار تغذیه می‌کند. ترانسفورماتور می تواند به صورت معكوس با منبع تغذیه متصل به سیم پیچ ثانویه، به شرط آنكه نرخ ولتاژ و جریان مشاهده شود، بکار رود.
می توانیم ترانسفورماتور را به صورت دیاگرام بلوکی به صورت زیر نمایش دهیم:
نمایش پایه ترانسفورماتور
نسبت سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور ها نسبت به یکدیگر، یک ترانسفورماتور ولتاژ افزاینده یا ترانسفورماتور ولتاژ کاهنده با نسبت بین تعداد چرخش های سیم پیچ اولیه به تعداد چرخش های ثانویه که نسبت “چرخش” “یا” نسبت ترانسفورماتور ” نامیده میشود، تولید می‌کند.
اگر این نسبت کمتر از یک باشد n <1 آنگاه NS از NP بزرگتر است و ترانسفورماتور به عنوان ترانسفورماتور افزاینده طبقه بندی میشود، و اگر این نسبت از یک بیشتر باشد، n> 1 ، یعنی NP از NS بزرگتر است، ترانسفورماتور به عنوان ترانسفورماتور کاهنده طبقه بندی میشود. توجه داشته باشید که ترانسفورماتور تک مرحله ای کاهنده نیز می تواند به عنوان یک ترانسفورماتور افزاینده به سادگی با معکوس کردن اتصالات خود و با قراردادن سیم پیچ ولتاژ پایین آن به عنوان اولیه، و بالعکس مورد استفاده قرار گیرد تا زمانی که ترانسفورماتور در نرخ طراحی VA اصلی خود کار کند.
اگر نسبت چرخش برابر با یک باشد، یعنی n = 1 ، هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه دارای تعداد یکسان از سیم پیچ ها هستند، بنابراین ولتاژ ها و جریان ها برای سیم پیچ های اولیه و ثانویه یکسان خواهد بود.
این نوع ترانسفورماتور 1: 1 به عنوان ترانسفورماتور ایزولاسیون طبقه بندی میشود زیرا سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور تعداد یکسانی از ولت در هر چرخش دارند. سپس راندمان ترانسفورماتور، نسبت توان انتقال یافته به بار به توانی که آن از منبع جدب می‌کند است. در ترانسفورماتور ایده آل هیچ تلفاتی نداریم درنتیجه تلفات توان هم نداریم و
POUT = PIN.
در آموزش بعدی برای کار با مبانی ترانسفورماتور، به ساخت فیزیکی یک ترانسفورماتور خواهیم پرداخت و انواع مختلف هسته های مغناطیسی و ورقه های مورد استفاده برای پشتیبانی از سیم پیچ های اولیه و فرعی را خواهیم دید.
Root Mean Square1 .1
