ترانس چیست؟ انواع و نحوه کار ترانسفورماتور

ترانسفورماتور چیست؟ نحوه کار و انواع Transformer را آماده کردیم. در این مقاله ما به طور کامل با ترانسفورماتور ها که با نام ترانس و مبدل شناخته میشوند آشنا میشویم. نحوه کار و انواع مبدل ها را بررسی میکنیم و همچنین معادلات مختلف مربوط به Trasnformer ها را بررسی میکنیم.

ترانسفورماتور چیست ؟

مبدل ها یا ترانس ها (ترانسفورماتور ) به طور کلی دستگاههایی هستند که قادرند مقادیری را از یک مقدار به مقداری دیگر تبدیل کنند. در این مقاله، ما بر روی مبدل های ولتاژی تمرکز می کنیم، که یک جزء الکتریکی ایستا (ساکن) هستند و قادرند ولتاژ AC را از یک مقدار به مقداری دیگر، بدون تغییر فرکانس با استفاده از اصول القایی الکترومغناطیسی، تبدیل کنند.

در یکی از مقاله های قبلیمان در مورد جریان متناوب، به اهمیت زیاد مبدل در تاریخ جریان متناوب اشاره کردیم. آن یک فعال کننده ی عمده و بزرگی بود که جریان متناوب را ممکن می ساخت. در ابتدا هنگامی که از سیستم های مبتنی بر DC استفاده می شد، آن ها نمی توانستند در فاصله های طولانی منتقل شوند زیرا نیرو به دلیل افزایش فاصله (طول) در خطوط از بین میرفت، آن به این معناست که ایستگاههای برق DC باید در همه جا قرار می گرفتند، بنابراین هدف اصلی AC برای حل مسئله ی انتقال و بدون مبدل بود، که این ممکن نبود زیرا حتی با AC هم زیان ها و خسارت هایی وجود داشت.

با استفاده از مبدل در یک مکان، AC می تواند از ایستگاههای تولید کننده با ولتاژ بسیار بالا اما جریان کم منتقل شود که خسارات موجود در خط (سیم) را به دلیل مقدار I2R (که باعث از دست رفتن نیرو در یک خط می شود) از بین می برد. مبدل ها سپس برای تبدیل ولتاژ بالا و جریان انرژی کم به ولتاژ کم و جریان انرژی بالا برای توزیع نهایی در یک اجتماع بدون تغییر فرکانس و در همان نیرویی که از ایستگاه مولد منتقل می شود (P=IV) استفاده می شد. برای درک بهتر مبدل ولتاژ،‌ بهتر است از ساده ترین مدل آن که مبدل تک فاز است استفاده کنید.

پیشنهاد میکنم مقاله انواع ترانسفورماتور را بخوانید.

ترانسفورماتور تک فاز چگونه کار میکند ؟

مبدل های تک فاز رایج ترین نوع مبدل های ولتاژ است ( از نظر تعداد مورد استفاده). این مبدل ها در اکثر وسایلی که در خانه یا جاهای دیگری که استفاده می کنیم و به برق وصل می شوند (به پریز میزنیم) وجود دارند.

از آن برای توصیف اصل بهره برداری،‌ ساخت و غیره ی مبدل ها استفاده می شود زیرا مبدل های دیگر از تغییر یافتن یا اصلاح مبدل های تک فاز به وجود می آیند. به عنوان مثال، برخی از افراد به مبدلی، مبدل سه فاز می گویند که از سه مبدل تک فاز ساخته شده است.

مبدل های تک فاز از دو سیم پیچ / سیم پیچی (سیم پیچ اولیه و فرعی) تشکیل شده اند. این دو سیم پیچ به گونه ای ترتیب داده شده اند که هیچ گونه اتصال الکتریکی بین آن ها وجود ندارد، بدین ترتیب آن ها در اطراف یک آهن مغناطیسی مشترک، که به طور کلی به عنوان هسته ی مبدل نامیده می شود، پیچیده می شوند؛ بنابراین بین دو سیم پیچ فقط یک اتصال مغناطیسی وجود دارد. این تضمین می کند که نیرو فقط از طریق القاء الکترومغناطیسی منتقل می شود و همچنین مبدل ها را برای اتصالات منزوی مفید می کند.

قاعده ی کلی عملیاتی ترانسفورماتور ها

همان طور که قبلاً اشاره شد، مبدل ها از دو سیم پیچ تشکیل شده اند؛‌ اولیه و ثانویه. سیم پیچ اولیه (اصلی) همیشه ورودی به مبدل را نشان می دهد در حالیکه سیم پیچ ثانویه (فرعی) خروجی از مبدل.

دو اثر اصلی عملکرد مبدل ها را تعریف میکند :

اولین مورد این است که، یک جریان از طریق یک سیم، یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم درست می کند. مقدار میدان مغناطیسی حاصل، به طور مستقیم با میزان جریان عبوری از سیم مناسب است. اگر سیم به صورت سیم پیچ، پیچیده شود، مقدار میدان مغناطیسی افزایش می یابد. این یک قاعده است که با استفاده از سیم پیچ اولیه مغناطیس ایجاد می شود.

با اعمال ولتاژ به سیم پیچ اولیه، یک میدان مغناطیسی در اطراف هسته مبدل ایجاد می شود.

اثر دوم هنگامی که با اوّلی ترکیب می شود، قاعده و اصل عملیاتی مبدل را توضیح می دهد، که براساس این واقعیت است : اگر رسانایی در اطراف یک قطعه ی آهنربا پیچیده شود و میدان مغناطیسی تغییر کند، تغییر در میدان مغناطیسی باعث ایجاد جریان در رسانا خواهد شد که بزرگی آن با تعداد چرخش سیم پیچ رسانا مشخص می شود. این روشی است که سیم پیچ ثانویه توسط آن انرژی می گیرد.

هنگامی که یک ولتاژ به سیم پیچ اولیه اعمال می شود، یک میدان مغناطیسی در اطراف هسته ایجاد می کند که قدرت آن به جریان اعمال شده بستگی دارد. بدین ترتیب میدان مغناطیسی ایجاد شده، جریان را در سیم پیچ ثانویه القا می کند که تابعی از اندازه ی میدان مغناطیسی و تعداد چرخش های سیم پیچ ثانویه است.

این اصل عملیاتی مبدل همچنین توضیح می دهد که چرا AC باید اختراع می شد زیرا مبدل فقط هنگامی کار می کند که ولتاژ یا جریان متناوب وجود داشته باشد چون فقط در این صورت است که اصول القایی الکترومغناطیسی کار خواهد کرد. بنابراین مبدل نمی تواند برای DC استفاده شود.

ساختار ترانسفورماتور

اساساً یک مبدل از دو بخش ساخته شده است که شامل : دو سیم پیچ القایی و یک هسته ی فولادی چند لایه می شود. سیم ها از یکدیگر جدا هستند و عایق بندی شده اند و همچنین برای جلوگیری از تماس با هسته نیز، عایق بندی می شوند.

بنابراین ساختار مبدل در زیر ساختارهای سیم و هسته مورد بررسی قرار می گیرد.

هسته ترانسفورماتور

هسته ی مبدل همیشه با ورق هایی که با فولاد پوشیده شده و بر روی هم انباشه شده اند، در کنار هم ساخته می شوند تا مطمئن شوند که حداقل شکاف هوایی بین آن ها وجود داشته باشد. هسته ی مبدل ها اخیراً همواره از هسته ی فولادی چند لایه به جای هسته های آهنی ساخته می شود تا خسارت های ناشی از جریان گردابی را کاهش دهد.

سه شکل اصلی از ورق های فولادی چند لایه برای انتخاب آن ها وجود دارد، I، E، L.

در هنگام انباشتن ورقه ها بر روی یکدیگر برای تشکیل هسته، آنها همیشه به گونه ای انباشته می شوند که دو طرف متصل، متناوب شوند(به صورت یک درمیان انباشته می شوند). به عنوان مثال، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است،ورق ها با توجه به شکل ورق اول، مونتاژ می شوند(مثلا اگر ورق اول به صورت EI باشد،ورق بعدی به صورت IE است و همینطور تا آخر). این کار برای جلوگیری از عدم تمایل به اتصال انجام می شود.

هنگام ساخت مبدل، تعیین نوع مبدل به عنوان Step up (افزایش بیشتر ولتاژ در سیم پیچ اولیه نسبت به ثانویه)  یا Step down (برعکس مورد ذکر شده) بسیار مهم است زیرا تعداد چرخش موجود در سیم پیچ اولیه یا ثانویه را تعیین می کند.

همچنین پیشنهاد میکنم آموزش ساخت سیم پیچ را مشاهده کنید.

انواع ترانسفورماتور ها

به طور کلی سه نوع مبدل ولتاژ وجود دارد :

1. مبدل های Step up
2. مبدل های Step down
3. مبدل های منزوی Isolation 

مبدل های Step-up، مبدل هایی هستند که مقدار ولتاژ اعمال شده ی کمتری را به سیم پیچ اولیه نسبت به سیم پیچ ثانویه می دهند، در حالیکه برای مبدل های Step-down مبدل مقدار ولتاژ اعمال شده ی بیشتری را به سیم پیچ اولیه نسبت به سیم پیچ ثانویه می دهد.

مبدل های منزوی مبدل هایی هستند که ولتاژ اعمال شده ی مشابه و یکسانی به سیم پیچ اولیه و ثانویه می دهند و بدین ترتیب اساساً برای جداسازی مدارهای الکتریکی استفاده می شوند.

از توضیحات فوق نتیجه می گیریم، تنها با طراحی تعداد چرخش های هر یک از سیم های اولیه و ثانویه می توان نوع خاصی از مبدل را درست کرد که خروجی مورد نظر را بدست آورد، بدین ترتیب، خروجی مورد نظر می تواند از طریق نسبت چرخش سیم ها معین شود.

نسبت چرخش ترانس ها و معادله ی EMF

نسبت (n)چرخش مبدل از طریق زیر به دست می آید :

n=Np/Ns=Vp/Vs

• n = نسبت چرخش ها
• Np = تعداد چرخش ها در سیم اولیه
• Ns = تعداد چرخش ها در سیم ثانویه
• Vp = ولتاژ اعمال شده در سیم اولیه
• Vs = ولتاژ اعمال شده در سیم ثانویه

رابطه ای که در بالا توضیح داده شده است، می تواند برای محاسبه ی هر یک از پارامترهای موجود در معادله مورد استفاده قرار بگیرد. فرمول بالا به عنوان عمل ولتاژ مبدل شناخته شده است. از آن جا که گفتیم نیرو پس از تبدیل نیز به همان صورت باقی می ماند، پس :

VpIp=VsIs
⟹ Is=Vp/Vs×Ip
Vp/Vs=Np/Ns   

Is=Np/Ns×Ip  ⟹  Is/Ip=Np/Ns

به این فرمولی که در بالا نوشته شده است، فرمول عمل جریان مبدل گفته می شود. این فرمول اثبات می کند که مبدل نه تنها ولتاژ را تغییر می دهد بلکه جریان را نیز تغییر می دهد.

معادله ی EMF

تعداد چرخش سیم پیچ هر یک از سیم پیچ های اولیه یا ثانویه، میزان جریانی که از آن ناشی می شود یا میزان جریانی که توسط آن القا می شود را تعیین می کند. وقتی جریان اعمال شده بر روی سیم پیچ اولیه کاهش می یابد، قدرت میدان مغناطیسی و جریان ناشی از سیم پیچ ثانویه نیز کاهش می یابند.

E=N(dΦ/dt)

مقدار ولتاژ ناشی از سیم پیچ ثانویه توسط معادله ی زیر به دست می آید :
N تعداد چرخش های سیم پیچ ثانویه است.

شار مغناطیسی :

Φ = ΦmaxSinwt
⟹ E = N*w*Φmax*cos⁡(wt)
Emax = NwΦmax

مقدار میانگین مربعات ریشه ی القاشده ی emf با تقسیم حداکثر مقدار emf در  √۲به دست می آید.

Erms= Nw/√2×Φmax
یا
Erms = 2π/√2×f×N×Φmax
⟹ Erms = 4.44fNΦmax

این معادله به عنوان معادله ی EMF مبدل شناخته میشود.

• N = تعداد چرخش ها در سیم پیچ
• F = فرکانس شار به هرتز
• Φ = چگالی شار به وبر

با تعیین تمامی این مقادیر، مدل می تواند ساخته شود.

قدرت الکتریکی چیست؟

همان طور که قبلا توضیح داده شد، مبدل ها ایجاد شده اند تا اطمینان حاصل شود که مقدار انرژی الکتریکی تولید شده در ایستگاه های مولد، به کاربران نهایی بدون ضرر یا کمترین ضرر تحویل داده می شود، بنابراین در یک مبدل ایده آل، قدرت خروجی (سیم پیچ ثانیه) همیشه برابر با قدرت ورودی است. از این رو مبدل ها به دستگاه های دارای وات ثابت گفته می شوند، درحالیکه ممکن است ولتاژ و مقادیر جریان را تغییر دهند، این کارهمیشه به گونه ای انجام می شود که قدرت ورودی و خروجی یکسان باشد.

Ps = Pp

Ps قدرت سیم پیچ ثانویه و Pp قدرت سیم پیچ اولیه است.

P = IvcosΦ
IsVsCosΦs = IpVpCosΦp

نحوه محاسبه بازده ترانسفورماتور

بازده  مبدل توسط معادله ی زیر محاسبه می شود :

بازده = (خروجی نیروی) / (ورودی نیروی) × 100

درحالیکه توان تولید یک مبدل ایده آل باید برابر با نیروی ورودی باشد، بیشتر مبدل ها از مبدل ایده آل فاصله دارند و به دلایل مختلفی ضررهای مختلفی را متحمل می شوند.

برخی از ضررهایی که یک مبدل می تواند متحمل شود را در زیر آورده ایم:

1. ضرر مس
2. ضرر هیسترزیس
3. ضرر جریان گردابی

1. ضرر مس

این ضررها گاهی به ضررهای سیم پیچ یا ضررهای I2R گفته می شود. این زیان ها با توان ناشی از رسانای استفاده شده برای سیم پیچ ، هنگام عبور جریان از طریق آن به دلیل مقاومت رسانا، همراه است. مقدار این ضرر را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد :

P=I^2 R

2. ضررهای هیستریز

این یک ضرر مربوط به عدم تمایل به مواد مورد استفاده در هسته ی مبدل است. هنگامی که جریان متناوب جهت خود را معکوس می کند، بر ساختار داخلی مواد مورد استفاده برای هسته اثر میگذارد، زیرا تمایل دارد تحت تغییرات فیزیکی قرار بگیرد که همچنین در این پروسه بخشی از انرژی را نیز استفاده می کند.

3. ضرر جریان گردابی

این یک ضرری است که معمولاً با استفاده از ورقه های نازک فولادی چندلایه حاصل می شود. از بین رفتن جریان گردابی ناشی از این واقعیت است که هسته نیز همچنان رسانا است و باعث ایجاد یک emf رسانا در سیم پیچ ثانویه می شود. جریان های القایی در هسته مطابق قانون فارادی با میدان مغناطیسی مخالف بوده و منجر به اتلاف انرژی می شوند.

تاثیر این خسارت را می توان توسط معادله ی زیر محاسبه کرد :

بازده =  (ورودی نیروی-ضرر) / (خروجی نیروی) × 100

در صورتی که میخواهید در مورد ترانسفورماتور های صوتی بدانید : ترانسفورماتور صوتی چیست و چگونه کار میکند؟