طراحی ترانسفورماتور

 بعد از انجام محاسبات، نوبت به طراحی ترانسفورماتور می‌رسد. محاسبات ترانسفورماتور بخشی از قسمت طراحی آن است. طراحی ترانسفورماتور شامل انتخاب نوع و ابعاد هسته مناسب، تعیین ضخامت سیم و تعداد دور سیم‌پیچ‌ها، در صورت نیاز طراحی و ساخت بوبین (قرقره) مناسب و انتخاب ساختار صحیح برای سیم‌پیچی است. در ابتدای طراحی ترانسفورماتور باید به انتخاب هسته مغناطیسی مناسب بپردازیم.

انتخاب هسته ترانسفورماتور:

هسته‌های مغناطیسی در انواع، ابعاد و اشکال مختلف در بازار موجود هستند. هر کدام از آن‌ها به منظور خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برای ترانسفورماتور‌های فرکانس برق شهر از هسته‌های ورق آهن استفاده می‌شود. ضخامت این ورق‌ها ۰.۵mm است و در اشکال و ابعاد مختلف موجود هستند. انتخاب معمول هسته‌های EI هستند. برای انتخاب ابعاد مورد نیاز برای هسته نیاز به محاسبات تعداد دور و ضخامت سیم سیم‌پیچ‌ها داریم، اما از آنجایی که ترانسفورماتور‌های ۵۰ هرتز استفاده زیادی دارند، جدولی از ابعاد هسته ورق آن برحسب توان عبوری از آن به صورت آماده وجود دارد که انتخاب سایز مناسب هسته را آسان می‌کند. از هسته‌های شکل U. در برخی کاربرد‌های خاص استفاده می‌شود.

برای فرکانس‌های بیشتر از ۵۰ هرتز مثلاً ۴۰۰ هرتز همچنان از هسته‌های ورق آهن استفاده می‌شود. در این فرکانس‌ها برای کاهش تلفات جریان گردابی که با افزایش فرکانس زیاد شده‌اند، باید از ورق‌های نازکتر مثلاً ۰.۳mm استفاده کرد. از ورق آهن تا نهایتاً فرکانس نزدیک ۱۰۰۰ هرتز می‌توان استفاده کرد. در این فرکانس‌ها از ورق‌های نازکتر تا ۰.۱mm استفاده می‌شود.

در فرکانس‌های چند کیلوهرتز هسته پودرآهن گزینه مناسبی است. این هسته‌ها معمولاً به شکل تروئیدی موجود هستند. انتخاب سایز مناسب هسته به روش سعی و خطا انجام می‌شود به این صورت که یک سایز تقریبی درنظر می‌گیریم و طراحی را انجام می‌دهیم. اگر فضای پنجره هسته برای جا دادن سیم‌پیچ‌ها کافی بود که سایز هسته به درستی انتخاب شده است، اما اگر با کمبود فضا مواجه شدیم به سراغ هسته بزرگتر می‌رویم.

در فرکانس‌های چند ده کیلوهرتز تا چند مگاهرتز از هسته‌هایی از جنس فریت استفاده می‌شود. ابعاد هسته فریت نیز مانند هسته‌های پودر آهن با روش سعی و خطا انتخاب می‌گردد. هسته‌های فریت به دلیل کاربرد آن‌ها، دارای اشکال متنوع‌تری نسبت به سایر هسته‌ها هستند.

قرقره (بوبین) ترانسفورماتور:

برای راحتی انجام عمل سیم‌پیچی، سیم‌پیچ‌ها را مستقیماً بر روی هسته نمی‌پیچیم و از قرقره استفاده می‌کنیم.  به جز هسته‌های تروئیدی توصیه می‌شود که برای هسته انتخاب شده قرقره مناسب تهیه کنید یا خودتان بسازید. توجه کنید که در محاسبات جا شدن سیم‌پیچ‌ها در پنجره هسته، حجم اشغال شده توسط بوبین را نیز لحاظ کنید.

محاسبه ضخامت سیم سیم‌پیچ‌ها:

 حداکثر چگالی جریان سیم را تقریباً ۴A/mm۲ درنظر می‌گیریم. با استفاده از این چگالی جریان و جریانی که از هر سیم‌پیچ عبور می‌کند.ضخامت سیم هر سیم‌پیچ محاسبه می‌شود. این نکته را در نظر داشته باشید که در صورتی که محدودیت ابعاد وجود نداشته باشد، می‌توان چگالی جریان حداکثر را مقدار کمتری درنظر گرفت تا ضخامت سیم بیشتر شود. این کار به کاهش تلفات اهمی ترانسفورماتور و افزایش بازده آن منجر خواهد شد.

محاسبه تعداد دور سیم‌پیچ‌ها:

برای محاسبه تعداد دور هر سیم‌پیچ باید اندازه و فرکانس ولتاژ اعمالی به آن را بدانیم. با دانستن این دو پارامتر، جنس و ابعاد هسته انتخاب شده می‌توان تعداد دور سیم‌پیچ را محاسبه کرد. روابط این محاسبه در مقاله محاسبات ترانسفورماتور آمده است. می‌توان با حفظ نسبت دور سیم‌پیچ‌ها تعداد دور سیم‌پیچ را افزایش داد. این کار به کاهش چگالی شار هسته و در نتیجه کاهش تلفات هسته منجر خواهد شد. همچنین افزایش مقاومت سیم‌پیچ و در نتیجه افزایش تلفات اهمی، افزایش اندوکتانس مغناطیس کنندگی و اندوکتانس پراکندگی نیز از اثرات افزایش تعداد دور سیم‌پیچ‌ها است. افزایش تعداد دور سیم‌پیچ‌ها (با حفظ نسبت دور) بسته به میزان اندوکتانس‌های مورد انتظار از ترانسفورماتور و محدودیت‌های ابعادی یک گزینه انتخابی است.

نکته دیگری که باید درنظر گرفت افت ولتاژ روی سیم‌پیچ ثانویه است. با توجه به ضخامت و طول سیم انتخابی، افت ولتاژ روی آن را باید محاسبه کرده و آن را به ولتاژی که از ابتدا برای آن سیم‌پیچ لحاظ کرده بودیم بیافزاییم.

بررسی جا شدن سیم‌پیچ‌ها در هسته:

پس از محاسبه ضخامت سیم‌ها، تعداد دور سیم‌پیچ‌ها و طراحی بوبین مناسب نوبت به این می‌رسد که بررسی کنیم که آیا سیم‌پیچ‌های طراحی شده در هسته انتخابی در مرحله اول جا می‌شوند یا خیر. اگر جا شدند و فضای خالی زیادی ایجاد نشد که هسته انتخابی صحیح بوده است. اگر فضای خالی زیادی ایجاد شد به مرحله انتخاب هسته برخواهیم گشت و هسته کوچکتر را انتخاب می‌نماییم و اگر با کمبود فضا مواجه شدیم هسته را یک درجه بزرگتر می‌کنیم. سیکل فوق را تا رسیدن به ابعاد هسته مناسب ادامه خواهیم داد تا طراحی ترانسفورماتور به پایان برسد.

برای بررسی جا شدن سیم‌پیچ‌ها ابتدا پنجره هسته را اندازه‌گیری می‌نماییم. سپس مقداری از فضا که توسط بوبین، عایق بین دو سیم‌پیچ و عایق بین لایه‌های یک سیم‌پیچ اشغال می‌شود را از آن کم خواهیم کرد. اگر سیم‌پیچ‌ها را به صورت لایه‌ای منظم بپیچیم، تعداد لایه‌های هر سیم‌پیچ از روی تعداد دور آن، ضخامت سیم و ارتفاع پنجره قابل محاسبه است. با محاسبه تعداد لایه‌های دو سیم‌پیچ می‌توان حجم سیم‌پیچ‌ها را محاسبه کرد. از آنجایی که انجام عمل سیم‌پیچی همواره با بی‌نظمی‌هایی همراه است، حجم نهایی کمی بیشتر از حجم محاسبه شده است. در نتیجه حدود ۲۰ درصد به حجم محاسبه شده اضافه می‌کنیم. عدد حاصل شده از حجم سیم‌پیچ‌ها را با ابعاد پنجره هسته مقایسه کرده و اقدامات لازم را مطابق آنچه گفته شد انجام می‌دهیم.