با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیر وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به پرسش ترانسفورماتور چیست، پاسخ دهیم. با ما همراه باشید.
فهرست مطالب این نوشته
ترانسفورماتور چیست؟
ترانسفورماتور یا ترنسفورمر، نوعی از ماشین‌های الکتریکی است که از طریق القای الکترومغناطیسی، انرژی الکتریکی را بین تعدادی سیم پیچ منتقل میکند. طرز کار این وسیله به این صورت است که سیم پیچ (کویل)هایی به صورت مدارات بسته، در طرف اول و ثانویه هسته (آهن و آلیاژ های آن، آهن ورقه ورقه شده، پودرفلزات، فریت و…) پیچیده می‌شوند، سپس با ایجاد جریان الکتریکی متغیر با زمان (متناوب) در طرف اول و با توجه به اینکه مدار بسته می‌باشد؛ شار مغناطیسی متغیر با زمان را در هسته ترانسفورماتور ایجاد میکند.
تغییرات این شار مغناطیسی (باتوجه به قانون القای فاراده)، میدان مغناطیسی متغیر با زمانی در سیم پیچ ثانویه ایجاد می کند (کوپل مغناطیسی ایجاد می‌شود) و باعث القای ولتاژ در طرف ثانویه می‌شود. به صورت کلی، ترانسفورماتور، وسیله ای است که با استفاده از جریان متناوب در فرکانسی ثابت، باعث تغییر سطح ولتاژ از سطحی به سطح دیگر (بیشتر یا کمتر یا گاهی همسطح) می‌شود.
اولین ترانسفورماتور در سال ۱۸۸۵ اختراع شد و هم اکنون طیف وسیعی از ترانسفورماتورها از اندازه های چند سانتی‌متر مکعبی (برای مثال ترانسفورماتور موجود در میکروفون) تا چند صد تن (برای اتصال شبکه‌های برق) در دست استفاده هستند که همه آنها از اصول فیزیکی یکسانی پیروی می‌کنند، اما در ابعاد و توان متفاوت هستند.
معادله ترانسفورماتور
معادله ترانسفورماتور به صورت زیر نتیجه می‌شود:
\(V_{2} = – N_{2} \frac{\mathrm{d} \Phi }{\mathrm{d} t}\)
\(V_{1} = – N_{1} \frac{\mathrm{d} \Phi }{\mathrm{d} t}\)
بنابراین:
\(\frac{V_{2}}{V_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}\)
با توجه به رابطه فوق، با تغییر در تعداد دور سیم پیچ‌های ترانسفورماتور، امکان تغییر در ولتاژ ثانویه فراهم می‌شود.
کاربرد ترانسفورماتور در خطوط انتقال
از کاربردهای مهم ترانسفورماتورها، کاهش جریان در خطوط انتقال انرژی الکتریکی ولتاژ بالا است.
با توجه به رابطه ترانسفورماتور با تغییر در تعداد دورهای سیم‌پیج می‌توانیم تراسفورماتورهای افزاینده و یا کاهنده تولید کنیم.
دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط انتقال این است که اگر بخواهند صرفاً از هادی‌ها برای انتقال استفاده کنند (با توجه به اینکه همه هادی‌های الکتریکی دارای مقاومت الکتریکی هستند)، با توجه به طول مسیر، وجود مقاومت الکتریکی هادی‌ها باعث اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی می‌شود.
بر اساس رابطه زیر، میزان تلفات (انرژی) در یک هادی، با توان دوم جریان عبوری رابطه مستقیم دارد:
\(W = R I^{2} t\)
بنابراین اگر بخواهیم جریان را کاهش دهیم، در اصل باعث کاهش تلفات شده‌ایم. راه دیگر این است که ولتاژ را در خطوط انتقال افزایش دهیم و به همان نسبت جریان خطوط کاهش می‌یابد. به این ترتیب هزینه های تلفات کاهش می یابد.
اگر بخواهیم ترانسفورماتور‌هارا از نظر بازدهی بررسی کنیم، تقریبا یکی از پر بازده‌ترین تجهیزات الکتریکی هستند. این توان گاهی به حدی بزرگ است که به ۹۹ درصد و گاهی حتی نزدیک به عدد ۱۰۰ درصد نیز می‌رسد!
اگر تلفات ترانسفورماتور را در نظر نگیریم و ایده آل فرض کنیم، تمام توان ورودی به خروجی خواهد رسید و بنابراین توان ورودی و خروجی یکسان خواهد بود:
\(P_{1} = V_{1} I_{1} = V_{2} I_{2} = P_{2}\)
و در حالت ایده‌آل:
\(\frac{I_{2}V_{1}}{I_{1}V_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}\)
نکته: اگر ترانسفورماتور ایده‌آل فرض شود، هسته مقاومت مغناطیسی ندارد و همچنین کویل‌ها نیز مقاومت الکتریکی ندارند.
شار نشتی (Leakage Flux) چیست؟
اگر ترانسفورماتور ایده ال فرض شود، شار ایجاد شده توسط ترانسفورماتور اول، به طور کامل توسط ترانسفورماتور دوم دریافت می‌شود. اما در واقعیت تمام شار تولیدی کویل اول به کویل دوم نمی رسد و مقداری از آن در فضای اطراف پراکنده می‌شود. به این شار پراگنده شده، شار نشتی می‌گویند.
تلفات توان در ترانسفورماتورها
با توجه به اینکه ترانسفورماتور ها در عمل در حالت ایده‌آل قرار ندارند، تلفاتی برای آنها در نظر می‌گیریم. بسته به این که این تلفات در کدام بخش از ترانسفورماتور به وجود آمده، در واقع توسط چه عاملی به وجود آمده است، دسته بندی زیر را برای مهم‌ترین تلفات ترانسفورماتورها، در نظر می‌گیریم:
تلفات در مقاومت سیم پیچ‌ها:
با توجه به مقاومت موجود در تمام هادی‌ها، همیشه مقداری تلفات در سیم پیچ‌ها نیز وجود دارد.
تلفات هیسترزیس(پسماند):
با توجه به این که جریان ورودی ترانسفورماتور به صورت متناوب است، این جریان مدام در حال تغییر علامت دادن بوده که باعث می‌شود همیشه مقدار کمی انرژی در هسته فرومغناطیسی باقی بماند. فرومغناطیس نوعی از مواد مغناطیسی است که در مقاله (مواد مغناطیسی) بررسی شدند.
تلفات جریان گردابی (فوکو):
با توجه به اینکه هسته‌های فرومغناطیسی، هادی‌های خوبی هستند، این هسته‌ها می‌توانند به صورت یک مدار بسته عمل کنند که شار مغناطیسی در ترانسفورماتور، می‌تواند باعث به وجود آوردن جریانی در هسته فرومغناطیسی شود. این جریان به مرور افزایش یافته و علاوه بر این که باعث بالا بردن حرارت هسته می‌شود، مسبب ایجاد تلفات الکتریکی در هسته نیز می‌شود. همچنین این جریان‌ها خود می‌توانند میدان مغناطیسی تولید کنند.
به این جریان، جریان گردابی می‌گویند. برای رفع این مشکل معمولا هسته را توسط لایه های نازک از مواد فرومغناطیس درست می کنند که از یکدیگر عایق شده‌اند و بر روی یکدیگر پرس می‌شوند.
امیدواریم تا این مقاله برای شما عزیزان مفید واقع شده باشد. در ادامه پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.
سلف یا القاگر – فیزیک یازدهم (۲)
جریان متناوب – فیزیک دوازدهم (۳)
القای الکترومغناطیسی – فیزیک یازدهم (۲)
حرکت هماهنگ ساده – فیزیک دوازدهم (۳)
خطوط میدان الکتریکی – فیزیک یازدهم (۲)
دیدگاهتان را بنویسید