انواع ترانسفورماتور و مدار معادل آن

  • ترانسفورماتور چیست؟

ترانسفورماتور ماشینی است که انرژی الکتریکی را از یک سطحی به سطح دیگر تبدیل می کند. ترانسفورماتور به منظور کاهش و ﻳﺎ اﻓﺰاﻳﺶ وﻟﺘﺎژ و ﻳﺎ ﺟﺮﻳﺎن ﺑﻜﺎر ﻣﻲ رود ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﻣﻲ ﺗﻮان ﮔﻔﺖ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﻣﺎﺷﻴﻨﻲ اﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﺎﻋﺚ اﻓﺰاﻳﺶ و ﻳﺎ ﻛﺎﻫﺶ ﺟﺮﻳﺎن و ﻳﺎ وﻟﺘﺎژ ﺷﺪه و ﺗﻮان و ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ را ﺗﻐﻴﻴﺮ ﻧﻤﻲ دﻫﺪ.

عملکرد ترانسفورماتور به گونه ای است که در اثر القای مغناطیسی بین سیم پیچ ها انرژی الکتریکی از مدار سیم پیچ اولیه به ثانویه انتقال می یابد؛ به طوری که نوع انرژی و مقدار آن دچار تغییر نمی شود، اما ولتاژ و جریان تغییر می کند.

بنابراین با صرف نظر از تلفات ترانس روابط زیر را داریم:

P1=P2   V1I1=V2I2     V1/V2=I2/I1=N1/N2

اجزای-ترانسفورماتور

اصول کار ترانس بر اساس القای متقابل سیم پیچ هاست.

اجزای ترانسفورماتورشامل موارد زیر است:

هسته

سیم پیچ ها

مخزن روغن

رادیاتور

بوشینگ های فشار قوی و ضعیف

تپ چنجر و تابلوی مکانیزم آن

تابلوی فرمان

وسایل اندازه گیری و حفاظتی

شیرها و لوله های ارتباطی

وسایل خنک کننده

ترانس جریان

شاسی و چرخ و …

 

 



  • ساختمان ترانس

ﺗﺮاﻧﺲ از ﻳﻚ ﻫﺴﺘﻪ آﻫﻨﻲ و دو ﻋﺪد ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻳﺎﻓﺘﻪ اﺳﺖ ﻛﻪ ﻳﻜﻲ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اوﻟﻴﻪ و دﻳﮕﺮي ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ. ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اوﻟﻴﻪ ﺑﻪ ﺳﻴﻢ ﭘﻴچی اﻃﻼق ﻣﻲ ﺷﻮد ﻛﻪ ﺑﻪ ﻣﻨﺒﻊ ﻣﺘﺼﻞ ﺑﺎﺷﺪ و ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﻧﻴﺰ ﺑﻪ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭽﻲ اﻃﻼق می ﺷﻮد ﻛﻪ ﺑﻪ ﺑﺎر ﻣﺘﺼﻞ ﺑﺎﺷﺪ.

 

  • هسته ترانس

هسته ترانس در واقع یک مدار مغناطیسی با حداقل فاصله هوایی و حداقل مقاومت مغناطیسی جهت عبور راحت فلوی مغناطیسی است.

ساخت هسته ترانس به صورت ورقه-ورقه، و ضخامت ورقه ها حدود ۳/۰ میلی متر است.

به طور کلی هسته ترانس باعث القای ولتاژ از اولیه به ثانویه می شود و در صورت عدم وجود هسته به خاطر پراکندگی مغناطیسی عمل القای ولتاژ انجام نمی شود.

 

هسته-آهنی-ترانسفورماتور

 

ﺗﺮاﻧﺲ ﻫﺎ را در دو ﮔﺮوه اﻓﺰاﻳﻨﺪه و ﻛﺎﻫﻨﺪه ﻧﻴﺰ ﺗﻘﺴﻴﻢ ﺑﻨﺪي می نمایند. اﮔﺮ ﭼﻨﺎﻧﭽﻪ وﻟﺘﺎژ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ اوﻟﻴﻪ ﺑﻴشتر باشد اصطلاحاً ترانس را افزاینده گویند و اگر ولتاژ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﻛﻢ ﺗﺮ از وﻟﺘﺎژ اوﻟﻴﻪ ﺑﺎﺷﺪ ﺗﺮاﻧﺲ را ﻛﺎﻫﻨﺪه ﻣﻲ ﻧﺎﻣﻨﺪ.

 

                                                                                     

                                                                                                                   مدار معادل ترانس

 

  • نحوۀ کار ترانسفورماتور

 

                                                                                               

                                                                                                        اجزای تشکیل دهندۀ یک ترانس

 

 

ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر وﺳﻴﻠﻪ اي اﺳﺖ ﻛﻪ اﻧﺮژي اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ را ﺑﻪ وﺳﻴﻠﻪ دو ﻳﺎ ﭼﻨﺪ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ و از ﻃﺮﻳﻖ اﻟﻘﺎي اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ از ﻳﻚ ﻣﺪار ﺑﻪ ﻣﺪاري دﻳﮕﺮ ﻣﻨﺘﻘﻞ ﻣﻲ ﻛﻨﺪ.

ﺑﻪ اﻳﻦ ﺻﻮرت ﻛﻪ ﺟﺮﻳﺎن ﺟﺎري در ﻣﺪار اول (اوﻟﻴﻪ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر) ﻣﻮﺟﺐ ﺑﻪ وﺟﻮد آﻣﺪن ﻳﻚ ﻣﻴﺪان ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ در اﻃﺮاف ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اول ﻣﻲ ﺷﻮد، اﻳﻦ ﻣﻴﺪان ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ ﺑﻪ ﻧﻮﺑﻪ ﺧﻮد ﻣﻮﺟﺐ ﺑﻪ وﺟﻮد آﻣﺪن ﻳﻚ وﻟﺘﺎژ در ﻣﺪار دوم ﻣﻲ ﺷﻮد ﻛﻪ ﺑﺎ اﺿﺎﻓﻪ ﻛﺮدن ﻳﻚ ﺑﺎر ﺑﻪ ﻣﺪار دوم این ولتاژ می تواند به ایجاد یک جریان در ثانویه بینجامد. ولتاژ القا شده در ثانویه VS و ولتاژ دو سر سیم پیچ اولیه VP دارای یک نسبت با یکدیگرند که به طور ایده آل برابر نسبت تعداد دور سیم پیچ ثانویه به سیم پیچ اولیه است:

                                                                           

ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺑﺎ اﺧﺘﺼﺎص دادن اﻣﻜﺎن ﺗﻨﻈﻴﻢ ﺗﻌﺪاد ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﻫﺎي ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر، می ﺗﻮان اﻣﻜﺎن ﺗﻐﻴﻴﺮ وﻟﺘﺎژ در ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺗﺮاﻧﺲ را ﻓﺮاﻫﻢ ﻛﺮد. ﻳﻜﻲ از ﻛﺎرﺑﺮد ﻫﺎي ﺑﺴﻴﺎر ﻣﻬﻢ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎي ﻛﺎﻫﺶ ﺟﺮﻳﺎن ﭘﻴﺶ از ﺧﻄﻮط اﻧﺘﻘﺎل اﻧﺮژي اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ اﺳﺖ.

دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه هادی های الکتریکی دارای میزان مشخصی مقاومت الکتریکی هستند، این مقاومت می تواند موجب اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی شود. میزان تلفات در یک هادی یا مجذور جریان عبوری از هادی رابطه مستقیم دارد (P= I2 × R).

بنابراین با کاهش جریان می توان تلفات را به شدت کاهش داد. ﺑﺎ اﻓﺰاﻳﺶ وﻟﺘﺎژ در ﺧﻄﻮط اﻧﺘﻘﺎل ﺑﻪ ﻫﻤﺎن ﻧﺴﺒﺖ ﺟﺮﻳﺎن ﺧﻄﻮط ﻛﺎﻫﺶ ﻣﻲ ﻳﺎﺑﺪ و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﻫﺰﻳﻨﻪ ﻫﺎي اﻧﺘﻘﺎل اﻧﺮژي ﻧﻴﺰ ﻛﺎﻫﺶ می ﻳﺎﺑﺪ، اﻟﺒﺘﻪ ﺑﺎ ﻧﺰدﻳﻚ ﺷﺪن ﺧﻄﻮط اﻧﺘﻘﺎل به مراکز مصرف برای بالا بردن ایمنی ولتاژ خطوط در چند مرحله و باز به وسیله ترانسفورماتورها کاهش می یابد تا به میزان استاندارد مصرف برسد. به این ترتیب بدون استفاده از ترانسفورماتورها امکان استفاده از منابع دور دست انرژی فراهم نمی آمد.

ترانسفورماتورها یکی از پربازده ترین تجهیزات الکتریکی هستند به طوری که در برخی ترانسفورماتورهای بزرگ راندمان به ۹۹٫۷۵ %  نیز می رسد.

امروزه از ترانسفورماتورها در اندازه ها و توان های مختلفی استفاده می شود. از یک ترانسفورماتور بند انگشتی که در یک میکروفن قرار دارد تا ترانسفورماتورهای غول پیکر چند گیگا ولت- آمپری، همه این ترانسفورماتورها اصول کار یکسانی دارند اما در طراحی و ساخت متفاوت هستند.

 

نمونه ای-از-ترانسفورماتور-RF

 

  • انواع ترانسفورماتور از نظر نوع سیم پیچی

نوع اول: سیم پیچی روی یک هسته، اما سیم پیچ اولیه و ثانویه جداگانه در دو طرف هسته باشند.

نوع دوم: سیم پیچی ها روی یک هسته، اما سیم پیچ اولیه و ثانویه با هم و یک سیم پیچ هستند.(اتو ترانس)

  • انواع ترانسفورماتور از نظر کاربرد

  • ترانس قدرت

به منظور تبدیل سطح ولتاژ در نیروگاه ها و پست های فشار قوی

 

نمونه ای-از-ترانسفورماتور-قدرت

 

ترانس قدرت برای موارد خاص مانند کوره های ذوب آلومینیوم

  • ترانس توزیع داخلی

به منظور ایجاد نول جهت تشخیص خطای اتصال زمین و نامتعادلی مصرف بار فازها

ترانس های توزیع در پست های زمینی و هوایی به  منظور توزیع انرژی د رسطح شهر و کارخانه ها استفاده می شود.

  • ترانس جریان CT

به منظور اندازه گیری جریان و حفاظت جریان

  • ترانس ولتاژ PT

 به منظور اندازه گیری ولتاژ و و حفاظت ولتاژ

  • ترانس ولتاژ CVT

به منظور اندازه گیری و حفاظت ولتاژ استفاده می شود و براساس تقسیم ولتاژ خازنی کار می کند. از این نوع ترانس به منظور تبادل سیگنال های مخابراتی در خطوط فشار قوی استفاده می شود.

 

انواع-ترانسفورماتور-و-کاربرد-آن ها

 

ترانس تطبیق maching: به منظور حفاظت دیفرانسیل با مبدل متعادل نمودن جریان اولیه و ثانویه ترانس

  • اتوترانسفورماتور

معمولاً به منظور تبدیل ولتاژ با نسبت کم و راه اندازی موتورهای القایی و هم چنین برای قدرت های بالا در سطح ولتاژ انتقال و … مورد استفاده قرار می گیرد.

ترانسفورماتورهای زمین به منظور ایجاد نقطه صفر و زمین کردن نقطه صفر استفاده می شود.

 

  • انواع ترانسفورماتور از نظر ماده عایق و خنک کننده

  • ترانسفورماتورهای روغنی
  • ترانسفورماتورهای خشک
  • ترانسفورماتورهای با عایق گازی SF6

 

 

  •  معادله عمومی EMF برای ترانسفورماتورها

اگر شار مغناطیسی را سینوسی در نظر بگیریم رابطه بین ولتاژ E، فرکانس منبع f، تعداد دور N، سطح مقطع هسته A و ماکزیمم چگالی مغناطیسی B از رابطه عمومی EMF و به صورت زیر به دست می آید:

 

                                                                              

  • مقاومت سیم پیچ ها

جریانی که در یک هادی جاری می شود با توجه به میزان مقاومت الکتریکی هادی می تواند موجب به وجود آمدن حرارت در محل عبور جریان شود. در ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﻫﺎي ﺑﺎﻻﺗﺮ اﺛﺮ ﺳﻄﺤﻲ و اﺛﺮ ﻣﺠﺎورت ﻧﻴﺰ ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﻨﺪ ﺗﻠﻔﺎت اضافی را در ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﺑﻪ وﺟﻮد آورﻧﺪ.

 

  • تلفات پسماند (هیسترزیس)

ﻫﺮ ﺑﺎر ﻛﻪ ﺟﻬﺖ ﺟﺮﻳﺎن اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﺑﻪ ﺧﺎﻃﺮ وﺟﻮد ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﻋﻮض ﻣﻲ ﺷﻮد ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﺟﻨﺲ ﻫﺴﺘﻪ، مقدار ﻛﻤﻲ اﻧﺮژي در ﻫﺴﺘﻪ ﺑﺎﻗﻲ ﻣﻲ ﻣﺎﻧﺪ. ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺑﺮاي ﻳﻚ ﻫﺴﺘﻪ ﺑﺎ ﺟﻨﺲ ﺛﺎﺑﺖ اﻳﻦ ﻧﻮع ﺗﻠﻔﺎت ﺑﺎ ﻣﻴﺰان ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﺗﻨﺎﺳﺐ دارد و ﺑﺎ اﻓﺰاﻳﺶ ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﺗﻠﻔﺎت ﭘﺴﻤﺎﻧﺪ ﻫﺴﺘﻪ ﻧﻴﺰ اﻓﺰاﻳﺶ ﻣﻲ ﻳﺎﺑﺪ.

 

 

  • جریان گردابی

 

                                                                  

                                                                                                                           جریان گردابی

 

ﻣﻮاد ﻓﺮوﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺲ ﻣﻌﻤﻮﻻ ﻫﺎدي ﻫﺎي اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﺧﻮﺑﻲ ﻧﻴﺰ ﻫﺴﺘﻨﺪ و ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﻫﺴﺘﻪ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﺪ ﺟﺮﻳﺎن در ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻳﻚ ﻣﺪار اﺗﺼﺎل ﻛﻮﺗﺎه ﺷﺪه ﻋﻤﻞ ﻛﻨﺪ. ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﺣﺘﻲ ﺑﺎ اﻟﻘﺎي ﻣﻴﺰان ﻛﻤﻲ وﻟﺘﺎژ،جریان در هسته به ﺷﺪت ﺑﺎﻻ ﻣﻲ رود. اﻳﻦ ﺟﺮﻳﺎن ﺟﺎري در ﻫﺴﺘﻪ گذشته از به وجود آوردن تلفات الکتریکی موجب به وجود آﻣﺪن ﺣﺮارت در ﻫﺴﺘﻪ ﻧﻴﺰ ﻣﻲ ﺷﻮد.

ﺟﺮﻳﺎن ﮔﺮداﺑﻲ در ﻫﺴﺘﻪ ﺑﺎ ﻣﺠﺬور ﻓﺮﻛﺎﻧﺲ ﻣﻨﺒﻊ راﺑﻄﻪ ﻣﺴﺘﻘﻴﻢ و ﺑﺎ ﻣﺠﺬور ﺿﺨﺎﻣﺖ ورق ﻫﺴﺘﻪ، راﺑﻄﻪ ﻣﻌﻜﻮس دارد. ﺑﺮاي ﻛﺎﻫﺶ ﺗﻠﻔﺎت ﮔﺮداﺑﻲ در ﻫﺴﺘﻪ، هسته ﻫﺎ را ورﻗﻪ ورﻗﻪ ﻛﺮده و آﻧﻬﺎ را ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﻳﻜﺪﻳﮕﺮ ﻋﺎﻳﻖ ﻣﻲ ﻛﻨﻨﺪ. معمولاً برای کاهش جریان گردابی بایستی مطابق فرمول رلوکتانس مغناطیسی مانند زیر عمل نمود:

 

فرمول رلوکتانس:

                                                                               

به منظور کاهش جریان، مقاومت بایستی افزایش یابد.

  • افزایش مقاومت با افزایش طول و یا کاهش سطح مقطع و یا انتخاب هسته با ضریب نفوذپذیری کم تر می باشد.
  • این کاهش جریان تنها با کاهش سطح مقطع در اثر لایه لایه نمودن هسته ترانس صورت می پذیرد.

 

  • تلفات مکانیکی

ﺑﻪ دﻟﻴﻞ وﺟﻮد ﺗﻐﻴﻴﺮ ﺷﻜﻞ ﺑﺮ اﺛﺮ ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺲ در ﻳﻚ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﺑﻴﻦ ﻗﻄﻌﺎت ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﻧﻮﻋﻲ ﺣﺮﻛﺖ ﺑﻪ وﺟﻮد ﻣﻲ آید اﻳﻦ ﺗﺤﺮك ﻧﻴﺰ ﺑﻪ ﻧﻮﺑﻪ ﺧﻮد موجب به وجود آمدن تلفات مکانیکی در ترانسفورماتور خواهد شد.

در ﺻﻮرﺗﻲ ﻛﻪ ﻗﻄﻌﺎت ﻣﻮﺟﻮد در ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﺑﻪ ﺧﻮﺑﻲ در ﺟﺎي ﺧﻮد ﻣﺤﻜﻢ ﻧﺸﺪه ﺑﺎﺷﻨﺪ، تحرکات ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ آﻧﻬﺎ ﻧﻴﺰ اﻓﺰاﻳﺶ ﻳﺎﻓﺘﻪ و در ﻧﺘﻴﺠﻪ ﺗﻠﻔﺎت ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ ﻧﻴﺰ اﻓﺰاﻳﺶ ﺧﻮاﻫﺪ ﻳﺎﻓﺖ.

 

 

  • مدار معادل

 

                                                       

                                                                                                            مدار معادل یک ترانسفورماتور واقعی

 

ﻣﺤﺪودﻳﺖ ﻫﺎي ﻓﻴﺰﻳﻜﻲ ﻳﻚ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر واﻗﻌﻲ ﺑﻪ ﺻﻮرت ﻳﻚ ﻣﺪار ﻧﻤﺎﻳﺶ داده ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ. اﻳﻦ ﻣﺪار ﻣﻌﺎدل از ﺗﻌﺪادي از ﻋﻮاﻣﻞ ﺑﻪ وﺟﻮد آورﻧﺪه ﺗﻠﻔﺎت ﻳﺎ ﻣﺤﺪودﻳﺖ ﻫﺎ و ﻳﻚ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر اﻳﺪه آل ﺗﺸﻜﻴﻞ ﺷﺪه اﺳﺖ. ﺗﻠﻔﺎت ﺗﻮان در ﺳﻴﻢ پیچ یک ترانسفورﻣﺎﺗﻮر ﺑﻪ ﻃﻮر ﺧﻄﻲ ﺗﺎﺑﻌﻲ از ﺟﺮﻳﺎن ﻫﺴﺘﻨﺪ و ﺑﻪ راﺣﺘﻲ ﻣﻲ توانند آﻧﻬﺎ را ﺑﻪ ﺻﻮرت ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﻫﺎﻳﻲ سری با سیم پیچ های ترانسفورماتور نمایش داده شود؛ این مقاومت ها RS و RP هستند.

با بررسی خواص شار پراکندگی می توان آن را به صورت خود القاهای XP و XS نشان داد که به صورت سری با سیم پیچ ایده آل قرار می گیرند. تلفات آهنی از دو نوع تلفات گردابی (فوکو) و پسماند (هیسترزیس) تشکیل شده است.

در فرکانس ثابت این تلفات با مجذور شار هسته نسبت مستقیم دارند و از آنجایی که شار هسته نیز تقریباً با ولتاژ ورودی نسبت مستقیم دارد این تلفات را می توان به صورت مقاومتی موازی با مدار ترانسفورماتور نشان داد. این مقاومت همان RC است.

هسته ای با نفوذپذیری محدود نیازمند جریان IM خواهد بود تا همچنان شار مغناطیسی را در هسته برقرار کند. ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﺗﻐﻴﻴﺮات در ﺟﺮﻳﺎن ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺲ ﻛﻨﻨﺪه با تغییرات در شار مغناطیسی هم فاز خواهد بود و به دلیل اشباع پذیر بودن هسته، راﺑﻄﻪ ﺑﻴﻦ اﻳﻦ دو ﺧﻄﻲ ﻧﺨﻮاﻫﺪ ﺑﻮد. ﺑﺎ اﻳﻦ ﺣﺎل ﺑﺮاي ﺳﺎده ﻛﺮدن اﻳﻦ ﺗﺎﺛﻴﺮات در ﺑﻴﺸﺘﺮ ﻣﺪارﻫﺎي ﻣﻌﺎدل اﻳﻦ راﺑﻄﻪ ﺧﻄﻲ در ﻧﻈﺮ گرفته می شود.

در منابع سینوسی شار مغناطیسی ۹۰ درجه از ولتاژ القایی عقب تر خواهد بود، بنابراین این اثر را می توان با القاگر XM در مدار نشان داد که به طور موازی با تلفات آهنی هسته RC و XM را در برخی موارد با هم به صورت یک شاخه در نظر می گیرند و آن را شاخه مغناطیس کننده می نامند.

اگر سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور را مدار باز کنیم تمامی جریان عبوری از اولیه ترانسفورماتور جریان I خواهد بود که از شاخه مغناطیس کننده عبور خواهد کرد این جریان را جریان بی باری نیز می نامند.

مقاومت های موجود در طرف ثانویه یعنی RS و XS نیز باید به طرف اولیه منتقل شوند. این مقاومت ها در واقع معادل تلفات مسی و پراکندگی در طرف ثانویه هستند و به صورت سری با سیم پیچ ثانویه قرار می گیرند. مدار معادل حاصل را مدار معادل دقیق می نامند. اگر چه در این مدار معادل نیز از برخی ملاحظات پیچیده مانند ساخت انواع مختلف ترانسفورماتورها، به منظور رفع اهداف استفاده از آنها، در کاربردهای متفاوت می باشد.

 

  • مشخصات ترانسفورماتور

  • اصول پایه ترانسفورماتور

به طورکلی یک ترانسفورماتور بر دو اصل استوار است:

  • جریان الکتریکی متناوب می تواند یک میدان مغناطیسی متغیر پدید آورد (الکترومغناطیس)
  • یک میدان مغناطیسی متغیر در داخل یک حلقه سیم پیچ می تواند موجب بوجود آمدن یک جریان الکتریکی متناوب در یک سیم پیچ شود.

ﺟﺮﻳﺎن ﺟﺎري در ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اوﻟﻴﻪ ﻣﻮﺟﺐ ﺑﻪ وﺟﻮد آﻣﺪن ﻳﻚ ﻣﻴﺪان ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ ﻣﻲ ﮔﺮدد. ﻫﺮ دو ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اوﻟﻴﻪ و ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺑﺮ روي ﻳﻚ ﻫﺴﺘﻪ ﻛﻪ داراي ﺧﺎﺻﻴﺖ ﻧﻔﻮذﭘﺬﻳﺮي ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ ﺑﺎﻻﻳﻲ اﺳﺖ (ﻣﺎﻧﻨﺪ آﻫﻦ) ﭘﻴﭽﻴﺪه ﺷﺪه اﻧﺪ. ﺑﺎﻻ ﺑﻮدن ﻧﻔﻮذﭘﺬﻳﺮي ﻫﺴﺘﻪ ﻣﻮﺟﺐ ﻣﻲ ﺷﻮد ﺗﺎ ﺑﻴﺸﺘﺮ ﻣﻴﺪان ﺗﻮﻟﻴﺪ ﺷﺪه ﺗﻮﺳﻂ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اوﻟﻴﻪ از داﺧﻞ ﻫﺴﺘﻪ ﻋﺒﻮر ﻛﺮده و ﺑﻪ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺑﺮﺳﺪ.

 

 

 قانون القاء

ﻣﻴﺰان وﻟﺘﺎژ اﻟﻘﺎ ﺷﺪه در ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ را ﻣﻲ ﺗﻮان ﺑﻪ وﺳﻴﻠﻪ ﻗﺎﻧﻮن ﻓﺎراده ﺑﻪ دﺳﺖ آورد  :

                                                                                     

در فرمول بالا VS ولتاژ لحظه ای، NS تعداد دورهای سیم پیچ در ثانویه و Φ برابر مجموع شار مغناطیسی است که از یک دور از سیم پیچ می گذرد. با توجه به این فرمول تا زمانی که شار در حال تغییر از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه عبور کند ولتاژ لحظه ای در اولیه یک ترانسفورماتور ایده آل از فرمول زیر بدست می آید:

                                                                             

و با توجه به تعداد دور سیم پیچ های اولیه و ثانویه و این معادل ساده می توان میزان ولتاژ القایی در ثانویه را بدست آورد:

  • معادله ایده آل توان

                                                       

   نمایش یک ترانس تک فاز

اﮔﺮ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺑﻪ ﻳﻚ ﺑﺎر ﻣﺘﺼﻞ ﺷﺪه ﺑﺎﺷﺪ ﺟﺮﻳﺎن در ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺟﺎري ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺗﻮان اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﺑﻴﻦ دو ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ ﻣﻨﺘﻘﻞ ﻣﻲ ﺷﻮد. ﺑﻪ ﻃﻮر اﻳﺪه آل ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر ﺑﺎﻳﺪ ﻛﺎﻣﻼً ﺑﺪون ﺗﻠﻔﺎت ﻛﺎر ﻛﻨﺪ و ﺗﻤﺎم ﺗﻮاﻧﻲ ﻛﻪ ﺑﻪ ورودي وارد ﻣﻲ ﺷﻮد ﺑﻪ ﺧﺮوﺟﻲ ﺑﺮﺳﺪ و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺗﻮان ورودي و ﺧﺮوﺟﻲ ﺑﺎﻳﺪ ﺑﺮاﺑﺮ ﺑﺎﺷﺪ و در اﻳﻦ ﺣﺎﻟﺖ دارﻳﻢ:

                                                                               

و همچنین در حالت ایده آل خواهیم داشت:

                                                                                                

در نتیجه:

                                                                                  

ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ اﮔﺮ وﻟﺘﺎژ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ از اوﻟﻴﻪ ﺑﺰرﮔﺘﺮ ﺑﺎﺷﺪ ﺟﺮﻳﺎن ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ ﺑﺎﻳﺪ ﺑﻪ  ﻫﻤﺎن ﻧﺴﺒﺖ از ﺟﺮﻳﺎن اوﻟﻴﻪ ﻛﻮﭼﻜﺘﺮ ﺑﺎﺷﺪ ﻫﻤﺎﻧﻄﻮر ﻛﻪ در ﺑﺎﻻ اﺷﺎره ﺷﺪ در واﻗﻊ ﺑﻴﺸﺘﺮ ترانسفورماتورها راندمان بسیار بالایی دارند و به این ترتیب نتایج به دست آمده از این معادلات به مقادیر واقعی بسیار نزدیک خواهد بود.

مثال: در یک ترانس ۲۰۰۰ واتی که به ولتاژ ۲۰۰ ولت متصل می باشد جریانی در ثانویه معادل ۲ آمپر باری را تغذیه می کند. مطلوب است محاسبه جریان اولیه و ولتاژی که دو سر بار (ولتاژ ثانویه) بدست آورید.

                                                        

  • شار پراکندگی

در ﻳﻚ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮر اﻳﺪه آل ﺷﺎر ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ ﺗﻮﻟﻴﺪی ﺗﻮﺳﻂ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ اول ﺑﻪ ﻃﻮر ﻛﺎﻣﻞ ﺗﻮﺳﻂ ﺳﻴﻢ ﭘﻴﭻ دوم ﺟﺬب ﻣﻲ ﺷﻮد. اﻣﺎ در واﻗﻊ ﺑﺨﺸﻲ از ﺷﺎر ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ در ﻓﻀﺎي اﻃﺮاف ﭘﺮاﻛﻨﺪه ﻣﻲ ﺷﻮد.

ﺑﻪ ﺷﺎري ﻛﻪ در ﺣﻴﻦ اﻧﺘﻘﺎل از ﻣﺴﻴﺮ ﺧﻮد ﺟﺪا می شود ﺷﺎر ﭘﺮاﻛﻨﺪﮔﻲ می گویند. این شار پراکندگی ﻣﻮﺟﺐ ﺑﻪ وﺟﻮد آﻣﺪن اثر ﺧﻮد اﻟﻘﺎ در ﺳﻴﻢ پیچ ها ﻣﻲ ﺷﻮد و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﻣﻮﺟﺐ ﻣﻲ شود ﻛﻪ در ﻫﺮ ﺳﻴﻜﻞ، انرژی در سیم ﭘﻴﭻ ذﺧﻴﺮه ﺷﺪه و در ﻧﻴﻤﻪ ﭘﺎﻳﺎﻧﻲ ﺳﻴﻜﻞ آزاد ﺷﻮد. اﻳﻦ اﺛﺮ ﺑﻪ ﻃﻮر مستقیم باعث اﻳﺠﺎد افت توان نخواهد شد اما به دلیل ایجاد اختلاف فاز موجب ایجاد مشکلاتی در تنظیم ولتاز خواهد شد.

و ﺑﻪ اﻳﻦ ﺗﺮﺗﻴﺐ ﺑﺎﻋﺚ ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ ﺗﺎ وﻟﺘﺎژ ﺛﺎﻧﻮﻳﻪ دﻗﻴﻘﺎً ﻧﺴﺒﺖ واﻗﻌﻲ ﺧﻮد ﺑﺎ وﻟﺘﺎژ اوﻟﻴﻪ ﺣﻔﻆ ﻧﻜﻨﺪ؛ اﻳﻦ اﺛﺮ ﺑﻪ وﻳﮋه در ﺑﺎرﻫﺎي ﺑﺰرگ ﺧﻮد را ﻧﺸﺎن ﺧﻮاﻫﺪ داد .ﺑﻪ ﻫﻤﻴﻦ دﻟﻴﻞ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎي ﺗﻮزﻳﻊ ﻃﻮري ﺳﺎﺧﺘﻪ ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ تا کمترین میزان تلفات پراکندگی را داشته باشند با این حال در برخی کاربردها، وجود تلفات پراکندگی بالا پسندیده است.

در این ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎ ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از روش ﻫﺎﻳﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ اﻳﺠﺎد ﻣﺴﻴﺮﻫﺎي ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ ﻃﻮﻻﻧﻲ، ﺷﻜﺎف ﻫﺎي ﻫﻮاﻳﻲ ﻳﺎ ﻣﺴﻴﺮﻫﺎي ﻓﺮﻋﻲ ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﺴﻲ اﻗﺪام ﺑﻪ اﻓﺰاﻳﺶ ﺷﺎر ﭘﺮاﻛﻨﺪﮔﻲ ﻣﻲ ﻛﻨﻨﺪ.

دﻟﻴﻞ اﻓﺰاﻳﺶ ﻋﻤﺪي ﺗﻠﻔﺎت ﭘﺮاﻛﻨﺪﮔﻲ در اﻳﻦ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎ ﻗﺎﺑﻠﻴﺖ ﺑﺎﻻي اﻳﻦ ﻧﻮع ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎ در ﺗﺤﻤﻞ اﺗﺼﺎل ﻛﻮﺗﺎه اﺳﺖ. از اﻳﻦ ﮔﻮﻧﻪ ﺗﺮاﻧﺴﻔﻮرﻣﺎﺗﻮرﻫﺎ ﺑﺮاي ﺗﻐﺬﻳﻪ ﺑﺎرﻫﺎي داراي ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﻣﻨﻔﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ دستگاه های جوش (یا دیگر تجهیزات استفاده کننده از قوس الکتریکی)، لامپ های بخار جیوه و تابلوهای نئون یا ایجاد ایمنی در بارهایی که احتمال بروز اتصال کوتاه در آنها زیاد است استفاده می شود.

 

  • سیم بندی ترانس ها

ترانس ها از لحاظ سیم بندی به صورت تک فاز، دو فاز و یا سه فاز هستند. در ترانس تک فاز از یک سیم فاز و از یک سیم زمین استفاده می شود و سیم پیچ ها به صورت تک فازند.

سیم بندی ترانس های قدرت، سه فاز است و سیم پیچ اولیه و ثانویه آن به دو حالت سه فاز هستند.

به طور معمول در ترانس های با قدرت بالا به دلیل این که اندازه کوچک تر شود و حمل و نقل راحت تر، از سه ترانس تک فاز استفاده می شود. یعنی هر سیم پیچ جداگانه روی یک هسته پیچیده می شود.

 

نوعی-ترانسفورماتور-در-خط-انتقال-و-توزیع-نیرو

 

  • انواع اتصال سیم پیچ ها در ترانسفورماتور

اتصال سیم پیچ های اولیه و ثانویه در ترانس معمولاً به صورت ستاره، مثلث و زیگزاگ است که از این نظر به چند دسته کلی زیر تقسیم بندی می شوند.

اتصال ستاره-ستاره  Yy

اتصال ستاره-مثلث  Yd

اتصال مثلث-مثلث  Dd

اتصال مثلث-ستاره  Dy

اتصال ستاره ستاره با پیچک متعادل کننده (Yy (dt

نمونه ای-از-اتصالات-در-ترانسفورماتور

 

اختلاف فاز میان ولتاژ اولیه و ثانویه ترانس به صورت مضربی از ۳۰ درجه نمایش داده می شود. به طور مثال اگر ترانسفورماتوری به صورت Yd5 نمایش داده شد یعنی اتصال سمت فشار قوی ستاره و سمت فشار ضعیف مثلث است، هم چنین اختلاف فاز بین ولتاژ اولیه و ثانویه ۱۵۰ درجه است.

با توجه به توضیحاتی که داده شد،هر یک از دسته ها می توانند ۱۲ گروه را شامل شوند. از میان انواع ترانسفورماتوری که می توان از نظر اختلاق فاز داشت، ۱۲ نوع ترانس زیر بیشترین کاربرد را دارند:

Dd0, Yy0, Dz0, Dy5, Yd5, Yz5, Dd6, Yy6, Dz6, Dy11, Yd11, Yz11

 

نمونه ای-از-اتصال-مثلث-به-ستاره-ترانسفورماتور-سه-فاز-با-4-سیم

 

  • موازی کردن ترانسفورماتورها

به طور معمول به منظور افزایش قدرت و بالا بردن ظرفیت در ایستگاه ها از چندین ترانس بهره می گیرند که این ترانس ها باید به صورت موازی با هم به یکدیگر متصل و در مدار قرار گیرند.

  • شرایط موازی کردن ترانسفورماتورها:

  • برابر بودن ولتاژ نامی اولیه و ثانویه ترانسفورماتورها
  • هم گروه بودن ترانسفورماتورها
  • برابر بودن امپدانس اتصال کوتاه ترانس ها
  • متصل شدن فازهای هم نام
  • برابر بودن نسبت تبدیل سیم پیچ های هر دو ترانس
  • برابر بودن درصد ولتاژ امپدانس هر دو ترانس
  • برابر بودن نسبت مقاومت معادل به راکتانس در هر دو ترانس

 

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید. 

 

مقالات مرتبط

نظرات