ترانسفورماتور چگونه کار میکند

ترانسفورماتور (Transformer)، یکی از اجزای اساسی سیستم‌های قدرت الکتریکی است. این تجهیزات، اغلب برای تغییر سطوح ولتاژ مختلف به کار می‌روند. با استفاده از ترانس می‌توان ولتاژ تولیدی نیروگاه‌ها را به سطح بهینه ولتاژ سیستم انتقال رساند و و در نهایت برای سیستم توزیع تغییر داد. از ترانسفورماتور ولتاژ و جریان نیز به ترتیب برای اندازه‌گیری ولتاژها یا جریان‌های بسیار بزرگ نیز استفاده می‌شود. تطبیق امپدانس و ایزوله کردن مدارها، از دیگر کاربرد ترانسفورماتورها است.

اصول عملکرد ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور تکفاز، اساساً از دو سیم‌پیچی اصلی روی یک هسته مغناطیسی تشکیل می‌شود. یکی از سیم‌پیچ‌ها که «سیم‌پیچ اولیه» (primary winding) نام دارد، به منبع توان AC متصل می‌شود و یک شار متغیر با زمان را در هسته ترانسفورماتور ایجاد می‌کند. در نتیجه، ولتاژ روی سیم‌پیچ دوم یا «سیم‌پیچ ثانویه» (secondary winding) القا می‌شود. وقتی یک بار الکتریکی به سیم‌پیچ ثانویه متصل کنیم، جریان در سیم‌پیچ برقرار خواهد شد.
شکل زیر، مدار یک ترانسفورماتور تکفاز را نشان می دهد. سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه ترانس، به ترتیب N1 و N2 دور دارند. ولتاژ و جریان مربوط به هر سیم‌پیچ به فرم فازور روی شکل نشان داده شده است.

مشخصه ترانسفورماتور ایده‌آل

یک ترانسفورماتور ایده‌آل، مشخصه‌های زیر را دارد:
1. نشتی شار (flux leakage) ندارد؛ به این معنی که جریان‌های اولیه و ثانویه به هسته محدود می‌شوند.

2. سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه، مقاومت ندارند. این بدین معنی است که ولتاژ اعمال شده به ترانسفورماتور (v1v1) برابر با ولتاژ القا شده در سیم‌پیچ اولیه (e1e1) است و به طریق مشابه v2=e2v2=e2.

3. نفوذپذیری هسته مغناطیسی، بی‌نهایت و در نتیجه، رلوکتانس آن صفر است. بنابراین، به جریان کمی برای برقراری شار مغناطیسی نیاز است.

4. هسته بدون تلفات است؛ یعنی تلفات هیسترزیس و فوکو ناچیز است.

ترانسفورماتور چگونه کار می‌کند؟

به‌طورکلّی یک عملکرد ترانسفورماتور بر دو اصل استوار است:

1. جریان الکتریکی متناوب می‌تواند میدان مغناطیسی متغیر پدیدآورد.
2. میدان مغناطیسی متغیر در یک سیم‌پیچ می‌تواند موجب به وجود آمدن جریان الکتریکی متناوب در یک سیم‌پیچ دیگر شود.

ساده‌ترین طراحی برای یک ترانسفورماتور در شکل ۲ آمده‌است. جریان سیم‌پیچ اولیه موجب به‌وجود آمدن یک میدان مغناطیسی می‌گردد. هر دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه روی یک هسته که دارای خاصیت نفوذپذیری مغناطیسی بالایی است (مانند آهن) پیچیده شده‌اند. بالا بودن نفوذپذیری مغناطیسی هسته موجب می‌شود تا بیش‌تر میدان تولیدشده توسط سیم‌پیچ اولیه از داخل هسته عبور کرده و به سیم‌پیچ ثانویه برسَد.

قانون القا[ویرایش]

میزان ولتاژ القاء شده در سیم‌پیچ ثانویه را می‌توان به وسیله قانون فارادی به‌دست‌آورد:

{\displaystyle V_{S}=N_{S}{\frac {d\Phi }{dt}}}

در فرمول بالا، V_S ولتاژ لحظه‌ای، N_S تعداد دورهای سیم‌پیچ در ثانویه و Φ برابر مجموع شار مغناطیسی است که از یک دور سیم‌پیچ می‌گذرد. با توجه به این معادله تا زمانی که شار درحال تغییر از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه عبور کند، ولتاژ لحظه‌ای اولیه یک ترانسفورماتور ایدئال از معادله زیر به‌دست می‌آید:

{\displaystyle V_{P}=N_{P}{\frac {d\Phi }{dt}}}

و با توجه به تعداد دور سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه و این معادله ساده می‌توان میزان ولتاژ القایی ثانویه را به‌دست‌آورد:

{\displaystyle {\frac {V_{S}}{V_{P}}}={\frac {N_{S}}{N_{P}}}}

معادله توان[ویرایش]

اگر سیم‌پیچ ثانویه یک‌بار متصل شده باشد، جریان در سیم‌پیچ ثانویه جاری خواهد شد و به‌این ترتیب توان الکتریکی بین دو سیم‌پیچ منتقل می‌شود. اگر ترانسفورماتور ایدئال بدون تلفات کار کند و تمام توانی که به ورودی وارد می‌شود، به خروجی برسد و به این ترتیب توان ورودی و خروجی برابر شود، در این حالت داریم:

{\displaystyle P_{\mathrm {incoming} }=I_{P}V_{P}=I_{S}V_{S}=P_{\mathrm {outgoing} }}

و هم‌چنین در حالت ایده‌آل خواهیم داشت:

{\displaystyle {\frac {V_{S}}{V_{P}}}={\frac {N_{S}}{N_{P}}}={\frac {I_{P}}{I_{S}}}}

بنابراین، اگر ولتاژ ثانویه از اولیه بزرگ‌تر باشد، جریان ثانویه به‌همان نسبت از جریان اولیه باید کوچک‌تر باشد. در واقع، همان‌طور که در بالا اشاره شد، بیش‌تر ترانسفورماتورها بازدهٔ بسیار بالایی دارند و به‌این ترتیب نتایج به‌دست آمده از این معادلات به مقادیر واقعی بسیار نزدیک خواهد بود.

مباحث فنی[ویرایش]

تعاریف ساده‌شده در بالا بسیاری از مباحث پیچیده دربارهٔ ترانسفورماتورها را در نظر نمی‌گیرد.

در یک ترانسفورماتور ایده ال، ترانسفورماتور دارای یک هسته بدون مقاومت مغناطیسی و دو سیم‌پیچ بدون مقاومت الکتریکی است. زمانی که ولتاژ به ورودی‌های اولیه ترانسفورماتور اعمال می‌شود، برای به‌وجود آوردن شار در مدار مغناطیسی هسته باید جریانی کوچکی در سیم‌پیچ اولیه جاری شود. از آن‌جایی که در ترانسفورماتور ایده‌آل هسته فاقد مقاومت مغناطیسی است، این جریان قابل چشم‌پوشی خواهد بود و این در حالی که در یک ترانسفورماتور واقعی این جریان بخشی از تلفات ترانسفورماتور را تشکیل خواهد داد.