نحوه عملکرد ترانسفورماتور

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: وقتی از یک سیم پیچ جریان متناوبی عبور دهیم، در اطراف آن یک میدان مغناطیسی متغیر تشکیل می‌شود. اگر سیم پیچ ثانویه‌ای را در معرض این میدان مغناطیسی تشکیل شده قرار دهیم، طبق قانون فارادی، در سیم پیچ دوم یک ولتاژ القا می‌شود. این موضوع اساس عملکرد ترانسفورماتور است.

در ترانسفورماتور می‌توان بدون هیچ گونه اتصال الکتریکی و فقط از طریق القای مغناطیسی، انرژی الکتریکی را از یک سیم پیچ به سیم پیچ دیگری منتقل کرد. میزان ولتاژ القا شده در سیم پیچ دوم به این بستگی دارد که چه میزان از شارهای میدان مغناطیس ایجاد شده توسط سیم پیچ اول از سیم پیچ دوم عبور می‌کند. برای بالا بردن میزان القای انجام شده از یک هسته برای هدایت شارهای تولید شده استفاده می‌شود. میزان ولتاژ القا شده همچنین به نسبت دورهای سیم پیچ‌ها نیز بستگی دارد. شکل زیر نمایی از یک ترانسفورماتور را نشان می‌دهد.

 

در صورتی که تمامی شارهای تولید شده توسط سیم پیچ اولیه از سیم پیچ ثانویه عبور کند و همچنین هسته و سیم پیچ‌ها تلفاتی نداشته باشند، یک ترانسفورماتور ایده آل خواهیم داشت. سیم پیچ اولیه معمولاً به یک ولتاژ AC وصل می‌شود (vs) و سیم پیچ ثانویه به بار مقاومتی RL متصل است. ولتاژ اعمالی به سیم پیچ اولیه باعث ایجاد جریان is در آن سیم پیچ می‌گردد و این جریان، شار مغناطیسی متغیر φ. را در هسته ایجاد می‌کند. رابطه این شار ایجاد شده با ولتاژ اعمالی به سیم پیچ به ترتیب زیر است.


براساس قانون فارادی، شار متغیر باعث القای ولتاژ در سیم پیچ ثانویه می‌شود که از رابطه زیر محاسبه می‌گردد.

 

بنابراین می‌توان رابطه ولتاژهای سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه را در یک ترانسفورمر ایده آل به دست آورد.

از آنجایی که تلفات در ترانسفورمر ایده آل برابر با صفر است، می‌توان توسط قانون پایستگی انرژی رابطه بین جریان‌های اولیه و ثانویه را نیز به دست آورد.


از دید مدار مغناطیسی رابطه زیر را برای ترانسفورمر می‌توان نوشت.


در ترانسفورمر ایده آل داریم R= ۰ و φ= ۰ که رابطه زیر را دومرتبه نتیجه می‌دهد.


در یک نمونه عملی ترانسفورمر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی هسته بی نهایت نیست و هسته و سیم پیچ دارای تلفات هستند. این غیرایده آلی‌ها سبب می‌شود که رفتار ترانسفورماتور تغییر کند. در یک ترانسفورمر واقعی به دلیل محدود بودن ضریب نفوذپذیری مغناطیسی هسته مقاومت مغناطیسی مسیر شار در هسته (رلوکتانس) صفر نیست و می‌توان آن را از رابطه زیر به دست آورد.


که در آن lc طول مسیر شار در هسته، μr ضریب نفوذپذیری نسبی هسته، μ.  ضریب نفوذپذیری مغناطیسی خلا و Ac سطح مقطع موثر هسته است. در این ترانسفورمر شار خالص درون هسته صفر نیست و از رابطه زیر محاسبه می‌گردد.

شار حاصل از سیم پیچ اولیه به تمامی از سیم پیچ ثانویه عبور نمی‌کند و مقداری از آن از طریق هوا مسیر خود را می‌بندد که به آن شار پراکندگی گوییم. همچنین هسته دارای تلفاتی از نوع هیسترزیس و جریان گردابی است. سیم پیچ‌ها نیز بر اثر عبور جریان از خود مقاومت اهمی نشان داده و باعث ایجاد تلفاتی در ترانسفورمر می‌گردند.