مبانی ترانسفورماتور: ترانسفورماتور چیست؟

الف ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی ساکن است که انرژی الکتریکی را بین دو یا چند مدار از طریق القای الکترومغناطیسی بدون هیچ گونه اتصال الکتریکی مستقیم منتقل می کند. عملکرد اصلی آن افزایش یا کاهش ولتاژ در حالی که برق (در حالت ایده آل) ثابت است. درک اصول ترانسفورماتور برای هر کسی که با سیستم های قدرت، کنترل های صنعتی یا برنامه های انرژی تجدید پذیر کار می کند ضروری است.

در عمل، یک ترانسفورماتور متصل به منبع تغذیه اولیه 240 ولت با نسبت چرخش 10:1 تقریباً 24 ولت را در ثانویه تحویل می دهد - یک رابطه ساده که زیربنای طراحی و انتخاب ترانسفورماتور است.

ترانسفورماتور و اصول القای الکترومغناطیسی

ترانسفورماتورها کاملاً بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی کار می کنند. هنگامی که یک جریان متناوب از سیم پیچ اولیه عبور می کند، یک شار مغناطیسی در حال تغییر مداوم در هسته ایجاد می کند. این شار در حال تغییر یک نیروی الکتروموتور (EMF) را در سیم پیچ ثانویه القا می کند.

EMF القایی در هر سیم پیچ به شرح زیر است:

E = 4.44 × f × ن × Φ _حداکثر

کجا:

• f = فرکانس عرضه (Hz)
• ن = تعداد چرخش در سیم پیچ
• Φ _حداکثر = حداکثر شار مغناطیسی (Webers)

از آنجایی که ترانسفورماتورها به تغییر شار متکی هستند، فقط با جریان متناوب (AC) کار می کنند. اعمال DC منجر به عدم القاء می شود - فقط یک افت ولتاژ مقاومتی و تجمع حرارت بالقوه آسیب رسان در سیم پیچ.

ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز

ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز اساسی ترین نوع ترانسفورماتور است. این سیم پیچ از دو سیم پیچ - اولیه و ثانویه - در اطراف یک هسته مغناطیسی مشترک پیچیده شده است. هنگامی که یک ولتاژ AC به اصلی اعمال می شود، یک ولتاژ متناسب در پایانه های ثانویه ظاهر می شود.

مشخصات کلیدی ترانسفورماتورهای تک فاز عبارتند از:

• تبدیل ولتاژ مستقیماً با نسبت پیچ ها متناسب است
• تبدیل جریان با نسبت چرخش نسبت معکوس دارد
• اولیه و ثانویه از نظر الکتریکی ایزوله هستند اما به صورت مغناطیسی جفت می شوند
• کاربردهای رایج شامل لوازم خانگی، کنترل های صنعتی و سیستم های روشنایی است

الف typical single-phase distribution transformer for residential use steps down the utility supply from 11 کیلو ولت تا 230 ولت برای مصرف امن داخلی

ساخت ترانسفورماتور (تک فاز)

الف single-phase transformer has three primary physical components:

هسته مغناطیسی

هسته یک مسیر کم رلوکتانس برای شار مغناطیسی فراهم می کند. از لایه های نازک فولاد سیلیکونی (معمولاً ضخامت 0.35 تا 0.5 میلی متر) ساخته شده است که هر کدام با لاک عایق پوشانده شده اند. این سازه چند لایه کاهش تلفات جریان گردابی تا 90٪ در مقایسه با یک هسته جامد با همان ابعاد.

دو پیکربندی هسته رایج استفاده می شود:

• نوع هسته: سیم پیچ ها اندام های هسته را احاطه کرده اند. برای کاربردهای ولتاژ بالا بهتر است
• نوع پوسته: هسته دور سیم پیچ ها را احاطه کرده است. محافظ مغناطیسی بهتری ارائه می دهد و جمع و جور است

سیم پیچ

سیم پیچ are made from copper or aluminum conductors insulated with enamel or paper. The primary winding is connected to the input supply; the secondary winding delivers power to the load. Conductors are sized based on the current they carry — the higher-voltage winding typically has more turns of thinner wire, while the lower-voltage winding uses fewer turns of thicker wire.

سیستم عایق

عایق سیم پیچ های اولیه و ثانویه را جدا می کند و هر کدام را از هسته جدا می کند. مواد عایق رایج عبارتند از کاغذ کرافت، تخته پرس و کامبریک لاک زده. کلاس عایق (به عنوان مثال، کلاس B در 130 درجه سانتیگراد، کلاس F در 155 درجه سانتیگراد) حداکثر دمای عملیاتی را تعیین می کند.

الف Transformer's Turns Ratio

نسبت چرخش مهمترین پارامتر در طراحی ترانسفورماتور است. رابطه بین ولتاژ و جریان اولیه و ثانویه را تعریف می کند.

نسبت چرخش (الف) = ن _پ / ن _اس = V _پ / V _اس = من _اس / من _پ

جایی که N _پ و N _اس تعداد دورهای اولیه و ثانویه به ترتیب V هستند _پ و V _اس ولتاژهای مربوطه هستند و من _پ و من _اس جریان ها هستند.

توجه داشته باشید که در حالی که ولتاژ با نسبت چرخش مقیاس می شود، جریان معکوس می شود - ترانسفورماتوری که ولتاژ را نصف کند، جریان را دو برابر می کند (با فرض یک ترانسفورماتور ایده آل).

اکشن ترانسفورماتور توضیح داده شد

عمل ترانسفورماتور به توالی کامل انتقال انرژی از اولیه به ثانویه اشاره دارد. در اینجا فرآیند گام به گام است:

1. الفC voltage is applied to the primary winding, driving an alternating current through it.
2. این جریان یک شار مغناطیسی متناوب در هسته ایجاد می کند که معمولاً تکمیل می شود 50 یا 60 چرخه کامل در ثانیه بسته به فرکانس عرضه
3. شار در حال تغییر با سیم پیچ ثانویه پیوند می زند و ولتاژی را القا می کند (طبق قانون فارادی).
4. هنگامی که یک بار به ثانویه متصل می شود، جریان جریان می یابد و بار برق دریافت می کند.
5. جریان ثانویه شار خود را ایجاد می کند که با شار اولیه مخالف است (قانون لنز) و باعث می شود جریان اولیه برای جبران جریان بیشتری از منبع تغذیه کند - یک مکانیسم خود تنظیم کننده.

این عمل کاملاً بدون تماس است - بدون قطعات متحرک، بدون اتصال الکتریکی بین سیم‌پیچ‌ها - باعث می‌شود ترانسفورماتورها با طول عمر اغلب بیش از حد قابل اعتماد باشند. 25-40 سال در تاسیسات به خوبی نگهداری شده

مبانی ترانسفورماتور مثال: محاسبه کار شده

ترانسفورماتور تک فاز با مشخصات زیر را در نظر بگیرید:

• پrimary voltage (V _پ : 230 ولت
• اسecondary voltage (V _اس : 12 ولت
• پrimary turns (N _پ ): 1150 دور
• مقاومت بار: 10Ω

اسtep 1 — Find the turns ratio: a = 230 / 12 ≈ 19.17

اسtep 2 — Find N _اس : N _اس = ن _پ / a = 1150 / 19.17 ≈ 60 دور

اسtep 3 — Find secondary current: من _اس = V _اس / R = 12 / 10 = 1.2A

اسtep 4 — Find primary current (ideal): من _پ = من _اس / a = 1.2 / 19.17 ≈ 0.063A (63mA)

این مثال نشان می‌دهد که چگونه جریان اولیه در حالی که 12 ولت را به بار می‌رساند، تنها یک جریان کوچک می‌کشد - یک نمایش عملی از کاهش ولتاژ با افزایش جریان.

توان الکتریکی در ترانسفورماتور

منn an ideal transformer, input power equals output power. There is no energy conversion — only energy transfer:

پ _در = V _پ × من _پ = V _اس × من _اس = پ _بیرون

منn the real world, a portion of the input power is lost. These losses fall into two categories:

تلفات هسته (آهن).

تلفات هسته بدون توجه به بار ثابت است و شامل موارد زیر است:

• از دست دادن هیسترزیس: انرژی به عنوان حوزه های مغناطیسی در جهت معکوس هسته در هر چرخه تلف می شود. با استفاده از فولاد سیلیکونی دانه گرا کاهش می یابد.
• از دست دادن جریان گردابی: جریان های گردشی القا شده در مواد هسته. با لمینت کردن هسته کاهش می یابد.

تلفات مس (I²R).

تلفات مس از مقاومت هادی های سیم پیچ ناشی می شود و با مجذور جریان بار تغییر می کند: پ _مس = من² × R . این تلفات در بارهای بالاتر به طور قابل توجهی افزایش می یابد، به همین دلیل است که ترانسفورماتورها برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد، با یک کیلو ولت آمپر مشخص رتبه بندی می شوند.

راندمان ترانسفورماتور

راندمان ترانسفورماتور (η) به عنوان نسبت توان خروجی به توان ورودی تعریف می شود که به صورت درصد بیان می شود:

η (%) = (پ _بیرون / پ _در ) × 100 = (ص _بیرون / (ص _بیرون پ _{ضرر و زیان} )) × 100

ترانسفورماتورهای قدرت مدرن به طور معمول به بازدهی دست می یابند 97% تا 99.5% ، آنها را به یکی از کارآمدترین دستگاه های الکتریکی که تا کنون مهندسی شده اند تبدیل می کند. یک ترانسفورماتور 100 کیلوولت آمپر با راندمان 99 درصد تنها حدود 1 کیلو وات را به عنوان گرما دفع می کند در حالی که 99 کیلو وات توان قابل استفاده را ارائه می دهد.

حداکثر بازده زمانی رخ می دهد که تلفات مس برابر با تلفات آهن باشد - شرایطی که می توان با انتخاب دقیق مواد هسته، مقطع هسته و اندازه هادی مهندسی کرد. برای ترانسفورماتور 50 کیلوولت آمپر با تلفات آهن 200 وات و تلفات مس 200 وات در بار کامل:

η = 50000 / (50000 200 200) × 100 = 99.2%

راندمان ترانسفورماتور Triangle

مثلث کارایی یک ابزار بصری مشتق شده از مثلث قدرت است که برای درک رابطه بین توان ورودی، توان خروجی و تلفات در ترانسفورماتور مفید است.

سه طرف نشان دهنده:

• منnput power (P _در ): هیپوتنوز - کل انرژی استخراج شده از منبع
• توان خروجی (پ _بیرون ): قدرت مفید تحویل بار
• ضررها (پ _{از دست دادن} ): تلفات هسته تلفات مس به عنوان گرما پراکنده می شود

زاویه بازده θ نشان‌دهنده نزدیکی عملکرد ترانسفورماتور به ایده‌آل است - زاویه کوچک‌تر نشان‌دهنده راندمان بالاتر است. این مدل مفهومی به مهندسان کمک می‌کند تا هنگام بهینه‌سازی طراحی ترانسفورماتور برای پروفایل‌های بار خاص، مبادلات بازده را تجسم کنند.

خلاصه مبانی ترانسفورماتور

اصول کلیدی عملکرد ترانسفورماتور را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:

نمایش اولیه ترانسفورماتور

منn circuit diagrams and engineering schematics, the transformer is represented by two coupled coil symbols separated by vertical lines (representing the core). The standard schematic conveys:

• علامت نقطه: نقاط در یک پایانه هر سیم پیچ قطبیت را نشان می دهد - ولتاژ در پایانه های نقطه چین در فاز است.
• خطوط اصلی: اسingle lines represent an air-core transformer; double lines represent an iron-core transformer
• برچسب های سیم پیچ: پrimary (left) and secondary (right) are clearly differentiated

برای یک مدل ترانسفورماتور ایده آل مورد استفاده در تجزیه و تحلیل مدار، مدار معادل شامل یک ترانسفورماتور ایده آل با نسبت چرخش است. a ، نشان دهنده انتقال کامل انرژی است. مدل های ترانسفورماتور واقعی مقاومت سری اضافه می کنند (R ₁ ، آر ₂ ) و راکتانس نشتی (X ₁ ، X ₂ ) برای هر سیم‌پیچ، به‌علاوه یک شاخه شنت که نشان‌دهنده راکتانس مغناطیسی و مقاومت در برابر تلفات هسته است - ابزار کاملی برای پیش‌بینی تنظیم ولتاژ و کارایی در هر شرایط باری به مهندسان می‌دهد.

تنظیم ولتاژ - تغییر ولتاژ ترمینال ثانویه از بی بار به بار کامل - یک معیار عملکرد کلیدی است. یک ترانسفورماتور فرکانس پایین که به خوبی طراحی شده است، تنظیم ولتاژ را در داخل حفظ می کند 2% تا 5% ، اطمینان از تحویل ولتاژ پایدار در کل محدوده بار.

این ترانسفورماتور چه در یک منبع تغذیه خانگی 230 ولت، یک پست صنعتی 10 کیلوولت یا یک اینورتر فتوولتائیک که DC خورشیدی را به شبکه AC تبدیل می‌کند، استفاده شود، ترانسفورماتور دستگاه پایه مهندسی برق باقی می‌ماند - در اصل ساده، در کاربرد فوق‌العاده.