بارگذاری ترانسفورماتور

در حالت کلی زمانی که در مورد ترانسفورماتور بحث می نماییم این دستگاه را در شرایط ایده آل در نظر می گیریم، به عبارت دقیق تر در شرایط ایده آل ترانسفورماتور هیچ گونه تلفاتی در هسته و سیم پیچ مسی خود ندارد. این درحالی است که در واقعیت همواره تلفات برای ترانسفورماتور وجود دارد و تنها در برخی ترانس های خاص این تلفات به نسبت کاهش می یابد، علاوه بر این، تلفات ترانسفورماتور به طور معمول زمانی اتفاق می افتد که ترانسفورماتور در حالت بارگیری است. از این رو تصمیم به ارائه توضیحات بیشتری درباره بارگذاری ترانسفورماتور شده است که در ادامه بیشتر درباره آن خواهیم گفت؛

ترانسفورماتور بدون بار

در ابتدا می بایست به این نکته اشاره کنیم که شرایط بدون بار چیست، در واقع این شرایط به معنی عدم وجود هیچ بار الکتریکی و عدم اتصال آن به سیم پیچ ثانویه است و در نتیجه هیچ نوع جریانی در سیم پیچ ثانویه وجود ندارد. زمانی یک ترانسفورماتور بدون بار است که سیم پیچ ثانویه آن از نوع مدار باز باشد و هیچ منبع تغذیه جریان متناوب سینوسی به این دستگاه وصل نباشد و بار موجود در ترانس صفر در نظر گرفته می شود. اما زمانی که یک منبع تغذیه متناوب به سیم پیچ اولیه در ترانسفورماتور متصل می گردد، جریان کوچکی با نام Io در سیم پیچ اولیه جریان می یابد که ناشی از ولتاژ منبع تغذیه ای است که به طرف ورودی وصل شده است. از آنجایی که سیم پیچ ثانویه از نوع ولتاژ مدار باز است و اتصالی به آن وجود ندارد، عکس یک نیروی محرکه الکتریکی به همراه مقاومتی که در سیم پیچ اولیه وجود دارد منجر به کاهش و ایجاد محدودیت در سطح جریان سیم پیچ اولیه می نماید و به عبارتی مقدار جریان کاهش می یابد. خاطر نشان می شویم که جریان سیم پیچ اولیه در شرایط بدون بار می بایست به اندازه ای باشد که بتواند میدان مغناطیسی را به وجود آورد که بتواند نیروی محرکه الکتریکی در جهت آنچه در سیم پیچ اولیه بوده به وجود آورد.

در صورتی که از یک آمپرسنج برای سنج میزان جریان استفاده نماییم، این آمپرسنج نشان دهنده جریان کوچکی است که در سیم پیچ اولیه برقرار بوده با توجه به این که سیم پیچ ثانویه همانطور که گفته شد از نوع مدار باز است. این جریان بدون بار به دو دلیل به وجود می آید همانطور که اشاره کرده ایم، یک جریان درون فازی، IE که منجر به تلفات هسته از جمله تلفات هیسترزیس و جریان گردابی می شود و مورد دوم یک جریان کم با نام IM که در 90 درجه با IE اختلاف داشته که شار مغناطیسی را برقرار می نماید. با توجه به این که شکل زیر مربوط به زمانی است که سیم پیچ اولیه بدون بار است، Io در مقایسه با زمانی که ترانسفورماتور باردار است بسیار کوچک است. از طرفی به دلیل تلفات آهنی که در هسته و در سیم پیچ مسی طرف ورودی وجود دارد، این جریان یعنی Io برآیند دقیقی از IM و IE می باشد.

ترانسفورماتور دارای بار

در زمان بارگذاری ترانسفورماتور، دستگاه به یک منبع تغذیه الکتریکی از طرف سیم پیچ ثانویه متصل می گردد، بار ترنسفورماتور بیشتر از صفر خواهد بود و یک جریان از سیم پیچ ثانویه جاری شده و به بارگیری می انجامد. جریان ثانویه به دلیل ولتاژ القایی در سیم پیچ ثانویه به وجود می آید که ناشی از شار مغناطیسی است که توسط هسته سیم پیچ اولیه پدیدار گشته است.

مقدار جریان ثانویه، Is، بستگی به مشخصات بار داشته و در هسته ترانسفورماتور یک میدان مغناطیسی خود القایی ایجاد می نماید که جریانی در خلاف جهت جریان موجود در سیم پیچ اولیه را امکان پذیر می کند. دو میدان مغناطیسی که در خلاف جهت هم قرار دارند یک میدان مغناطیسی را با هم تشکیل می دهند که دارای قدرت مغناطیسی کمتر نسبت به هر یک از آنها به صورت تنهاست. این میدان مغناطیسی ادغام شده نیروی محرکه الکتریکی را در سیم پیچ اولیه کاهش داده و همین مساله نهایتا منجر به افزایش جریان در سیم پیچ اولیه Ip به صورت تقریبی می گردد. این فرآیند تا جایی ادامه می یابد که میدان مغناطیسی به حالت اول و قدرت ابتدایی خود بازگردد تا ترانسفورماتور بتواند درست عمل نماید. لازم به ذکر است که برای تضمین عملکرد درست در ترانسفورماتور ایران ترانسفو می بایست سیم پیچ اولیه و ثانویه همواره به دارای توازن در میدان مغناطیسی باشند. در نهایت این توازن خود عاملی در بالانس قدرت بین سیم پیچ اولیه و ثانویه خواهد بود.
یادآور می شویم که تعداد دورهایی که سیم به دور هسته در سیم پیچ ها پیچیده شده است بیانگر ولتاژی است که در دو سیم پیچ اولیه و ثانویه وجود دارد و قدرت ورودی و خروجی نیز برابر با ولت در آمپر است. در نتیجه بین جریان و ولتاژ سیم پیچ ورودی و خروجی رابطه ای همانند Vp/Vs=Is/Ip برقرار است و از آنجایی که پیشتر بیان شد اندازه نسبت ولتاژ با نسبت دور سیم پیچ با هم برابر است، می توان نتیجه گرفت که بین ولتاژ، جریان و تعداد دور سیم پیچ ها در ترانس برق رابطه وجود دارد. این رابطه را نیز به صورت Np/Ns=Vp/Vs=Is/Ip نشان خواهیم داد. ذکر این نکته از روی فرمول گفته شده ضروری است که جریان به صورت عکس با ولتاژ و تعداد دور سیم پیچ رابطه دارد. به این معنی است که در زمان بارگیری سیم پیچ ثانویه برای اینکه توازن و تعادل در سیم پیچ های ترانسفورماتور برقرار باشد، اگر ولتاژ کاهش می یابد می بایست جریان افزایش یابد و برعکس. به عبارت دقیق تر کل جریان که از منبع تغذیه برق در سیم پیچ اولیه به دست می آید برآیند برداری از جریان بدون بار Io و جریان منبع تغذیه I1 ناشی از بارگیری سیم پیچ ثانویه که با وقفه ای با زاویه امگا از منبع ولتاژ اتفاق می افتد.

پرسشهای متداول درباره باگذاری ترانسفورماتور

1. شرایط ایده آل ترانسفورماتور چیست؟ زمانی ترانسفورماتور در شرایط ایده آل قرار دارد که هیچ تلفاتی نداشته باشد که البته این تلفات شامل تلفات هسته ترانسفورماتور از جمله تلفات هیسترزیس و تلفات جریان گردابی و تلفات مسی در سیم پیچ می باشد.
2. دلیل نام گذاری ترانسفورماتور بدون بار چیست؟ دلیل اینکه یک ترانسفورماتور بدون بار نامیده می شود این است که سیم پیچ ثانویه هیچ اتصالی با منبع تغذیه برق نداشته و بار در این سیم پیچ صفر است.
3. چه رابطه ای بین نسبت ولتاژ و نسبت دور سیم پیچ در بارگذاری ترانسفورماتور وجود دارد؟ در یک ترانسفورماتور که فرآیند بارگیری در آن برقرار است، ولتاژها به نسبت تعداد دور در سیم پیچ تعیین می گردند. هر چقدر تعداد دور بیشتر، ولتاژ نیز افزایش می یابد.
4. بارگذاری ترانسفورماتور چطور صورت می گیرد؟ در بارگذاری ترانسفورماتور می بایست سیم پیچ ثانویه به صورت القایی به یک منبع تغذیه برق متصل گردد، چرا که هیچ ارتباط مستقیمی از نظر الکتریکی بین سیم پیچ اولیه و ثانویه نیست به همین خاطر زمانی که سیم پیچ اولیه به منبع برق متصل می شود با استفاده از قانون القای الکترومغناطیسی بارگذاری در سیم پیچ ثانویه صورت می گیرد.
5. در بارگذاری ترانسفورماتور رابطه بین جریان و ولتاژ به چه صورت است؟ جریان و ولتاژ در یک ترانسفورماتور دارای بار رابطه عکس دارند، به این معنی که در صورت وجود جریان زیاد در سیم پیچ اولیه، ولتاژ کم خواهد بود و برعکس. البته این رابطه عکس در سیم پیچ ثانویه نیز برقرار است.