اصول اولیه ترانسفورماتور

ترانسفورماتور‌ها، قطعات الکتریکی می‌باشند؛ که از دو یا چند پیچ سیمی ساخته می‌شوند و برای انتقال انرژی الکتریکی از طریق یک میدان الکتریکی مغناطیسی درحال تغییر، استفاده می‌شوند.

یکی از دلایل اصلی استفاده از ولتاژها و جریان‌های متناوب AC در خانه و محل‌های کار ما، این است؛ که منابع AC را می‌توان به‌راحتی با ولتاژ متناسب (از این‌رو، ترانسفورماتور نامیده می‌شوند) تولید کرد، به ولتاژهای بسیار بالاتر تبدیل نمود و سپس، با استفاده از شبکه‌های دکل و کابل‌ها در سطح کشور و در فواصل طولانی توزیع نمود.

دلیل تبدیل ولتاژ به سطح بالاتر آن، این است؛ که ولتاژهای با توزیع بالاتر، به معنای جریان کمتر برای همان توان و درنتیجه، تلفات I۲*R کمتر در امتداد شبکه‌ی کابل‌ها می‌باشند. این ولتاژها و جریان‌های انتقال AC بالاتر را می‌توان به سطح ولتاژ بسیار پایین‌تر، ایمن‌تر و قابل‌استفاده کاهش داد و در جایی مانند خانه و محل کار، برای تامین تجهیزات الکتریکی استفاده نمود و تمامی این موارد به لطف اصول ترانسفورماتور ولتاژ ، امکان‌پذیر است.

ترانسفورماتور ولتاژ را می‌توان به‌عنوان یک قطعه‌ی الکتریکی به‌جای یک قطعه‌ی الکترونیکی درنظر گرفت. ترانسفورماتور، اساسا یک قطعه‌ی الکتریکی پسیو الکترومغناطیسی ایستا (یا ثابت) بسیار ساده است؛ که با تبدیل انرژی الکتریکی از یک مقدار به مقدار دیگر، براساس اصل قانون القای فارادی، کار می‌کند.

ترانسفورماتور، این عمل را با اتصال دو یا چند مدار الکتریکی و استفاده از یک مدار مغناطیسی نوسانی مشترک که توسط خود ترانسفورماتور ایجاد می‌شود؛ انجام می‌دهد. یک ترانسفورماتور براساس “اصل القای الکترومغناطیسی” به شکل القای متقابل عمل می‌کند.

القای متقابل، فرآیندی است؛ که در آن یک پیچه‌ی سیم، به‌صورت مغناطیسی، ولتاژی را به یک کویل (هسته) دیگر که در نزدیکی آن قرار دارد؛ القا می‌کند. پس می‌توان گفت؛ که ترانسفورماتورها در “حوزه‌ی مغناطیس” کار می‌کنند و نام خود را از این واقعیت گرفته‌اند؛ که یک ولتاژ یا جریان را به سطح دیگری، “تبدیل (transform)” می‌کنند.

ترانسفورماتورها قادرند سطوح ولتاژ و جریان منبع تغذیه‌ی خود را افزایش یا کاهش دهند؛ بدون اینکه فرکانس آن یا مقدار توان الکتریکی را که از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر از طریق مدار مغناطیسی منتقل می‌شود؛ تغییر دهند.

یک ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز، اساسا از دو سیم‌پیچ الکتریکی، تشکیل شده‌است؛ که یکی “سیم‌پیچ اولیه”(Primary Winding) و دیگری “سیم‌پیچ ثانویه”(Secondry Winding) نامیده می‌شود. برای این آموزش، سمتی که ترانسفورماتور “اولیه” قرار دارد؛ معمولا سمتی که توان را می‌گیرد و سمتی که ترانسفورماتور “ثانویه” قرار دارد؛ سمتی که توان را ارائه می‌دهد؛ تعریف می‌شود. در ترانسفورماتورهای ولتاژ تک فاز، معمولا ترانسفورماتور اولیه در طرفی است؛ که ولتاژ بالاتری دارد.

این دو سیم‌پیچ در تماس الکتریکی با یکدیگر نیستند؛ اما درعوض، در اطراف یک مدار بسته‌ی آهن مغناطیسی مشترک، به‌نام “هسته” پیچیده شده‌اند. این هسته‌ی آهنی نرم، جامد نیست؛ اما از لایه‌ی جداگانه‌ی متصل به‌هم تشکیل شده‌است؛ تا به کاهش اتلاف مغناطیسی هسته، کمک کند.

سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه ازنظر الکتریکی از هم جداشده‌اند؛ اما به‌صورت مغناطیسی از طریق هسته‌ی مشترک به‌هم متصل می‌شوند و اجازه می‌دهند؛ نیروی الکتریکی از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر، منتقل شود. هنگامی‌که، یک جریان الکتریکی از سیم‌پیچ اولیه عبور می‌کند؛ یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود؛ که ولتاژی را به سیم‌پیچ ثانویه القا می‌کند و این اصل اولیه عملکرد یک ترانسفورماتور ساده است؛ که در زیر نشان داده شده‌است.

ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز

به عبارت دیگر، برای یک ترانسفورماتور، هیچ اتصال الکتریکی مستقیمی بین دو سیم‌پیچ کویل وجود ندارد؛ بنابراین، نام ترانسفورماتور ایزوله هم به آن داده شده‌است. به‌طورکلی، سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور، به منبع ولتاژ ورودی، متصل می‌شود و توان الکتریکی را به میدان مغناطیسی، تبدیل می‌کند. درحالی‌که، کار سیم‌پیچ ثانویه، تبدیل این میدان مغناطیسی متناوب به نیروی الکتریکی است؛ که ولتاژ خروجی موردنیاز را مطابق شکل تولید می‌کند.

سازه ترانسفورماتور (تک‌فاز)

که در آن:

VP: ولتاژ اولیه است.

VS: ولتاژ ثانویه است.

NP: تعداد سیم‌پیچ‌های اولیه است.

NS: تعداد سیم‌پیچ‌های ثانویه است.

Φ(فی): پیوند شار است.

توجه داشته باشید؛ که دو سیم‌پیچ کویل، به‌صورت الکتریکی به‌هم متصل نیستند؛ بلکه فقط به صورت مغناطیسی به‌هم وصل شده‌اند. یک ترانسفورماتور تک فاز، می‌تواند افزایش یا کاهش ولتاژ اعمالی به سیم‌پیچ اولیه، را انجام دهد. هنگامی‌که، از یک ترانسفورماتور برای افزایش ولتاژ سیم‌پیچ ثانویه آن نسبت به اولیه استفاده می‌شود؛ ترانسفورماتور Step-Up (افزایشی) و زمانی‌که، از آن برای کاهش ولتاژ سیم‌پیچ نسبت به اولیه، استفاده می‌شود؛ ترانسفورماتور Step-down (کاهشی) نامیده می‌شود.

با این‌حال، یک شرط سوم نیز وجود دارد؛ که در آن ترانسفورماتور، همان ولتاژ سیم‌پیچ ثانویه را در سیم‌پیچ اولیه، ایجاد می‌کند. به‌عبارت دیگر، خروجی آن از نظر ولتاژ، جریان و توان انتقالی، یکسان است. این نوع ترانسفورماتور، “ترانسفورماتور امپدانس”، نامیده می‌شود و عمدتا برای تطبیق امپدانس یا جداسازی مدارهای الکتریکی مجاور، استفاده می‌شود.

تفاوت ولتاژ بین سیم‌پیچ اولیه و ثانویه، با تغییر تعداد دورهای کویل در سیم‌پیچ اولیه (NP) در مقایسه با تعداد دورهای کویل در سیم‌پیچ ثانویه (NS) به‌دست می‌آید.

از آنجایی‌که، ترانسفورماتور اساسا یک قطعه‌ی خطی است؛ نسبتی بین تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه، تقسیم‌بر تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه، وجود دارد. این نسبت، که نسبت تبدیل نامیده می‌شود؛ بیشتر با عنوان نسبت دورهای (TR) ترانسفورماتور، شناخته می‌شود. این مقدار، نسبت دور عملکرد ترانسفورماتور و ولتاژ مربوطه‌ی موجود در سیم‌پیچ ثانویه را دیکته می‌کند.

دانستن نسبت تعداد دور سیم روی سیم‌پیچ اولیه، نسبت به سیم‌پیچ ثانویه، ضروری است. نسبت دور که هیچ واحدی ندارد؛ دو سیم‌پیچ را به ترتیب مقایسه می‌کند و با دونقطه، نوشته می‌شود؛ مانند ۳:۱ (۳ به ۱).

این بدان معناست؛ که در این مثال، اگر ۳ ولت در سیم‌پیچ اولیه وجود داشته‌باشد؛ ۱ ولت در سیم‌پیچ ثانویه خواهد بود و نسبت برابر با ۳ ولت به ۱ ولت خواهد بود. پس می‌بینیم؛ که اگر نسبت بین تعداد دورها تغییر کند؛ ولتاژهای حاصل نیز باید با همان نسبت تغییر کنند و این مطلب درست است.

عملکرد ترانسفورماتورها، کاملا وابسته به نسبت است. نسبت اولیه به ثانویه، نسبت ورودی به خروجی و ازاین‌رو، نسبت دور ترانسفورماتور معین با نسبت ولتاژ آن، یکسان خواهدبود. به‌عبارت دیگر، برای ترانسفورماتور، نسبت چرخش= نسبت ولتاژ است. تعداد واقعی دورهای سیم در هر سیم‌پیچ، معمولا مهم نیست و فقط نسبت دورهای سیم‌پیچ مهم است و رابطه‌ی آن به‌صورت زیر ارائه می‌شود:

فرض کنید؛ که یک ترانسفورماتور، ایده‌آل به عبارت دیگر دارای زاویه‌های فاز آن، φP=φS می‌باشند.

توجه داشته‌باشید؛ که ترتیب اعداد هنگام بیان مقدار نسبت دور ترانسفورماتور بسیار مهم است. زیرا نسبت دورهای ۳:۱ بیانگر رابطه‌ی ترانسفورماتور و ولتاژ خروجی بسیار متفاوتی نسبت به نسبت دورهای ۱:۳ است.

مثال ۱- مبانی ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور ولتاژ، دارای 1500 دور سیم برروی سیم‌پیچ اولیه و 500 دور سیم بر روی سیم‌پیچ ثانویه خود است. نسبت دور (TR) ترانسفورماتور چقدر خواهدبود؟

این نسبت ۳:۱ (۳ به ۱)، به‌سادگی به این معناست؛ که برای هر سیم‌پیچ ثانویه، سه سیم‌پیچ اولیه وجود دارد. با توجه به اینکه نسبت از یک عدد بزرگتر در سمت چپ به یک عدد کوچکتر در سمت راست حرکت می‌کند؛ مقدار ولتاژ اولیه، همانطور که نشان داده شده‌است؛ کاهش می‌یابد.

مثال ۲- مبانی ترانسفورماتور

اگر 240 ولت rms، به سیم‌پیچ اولیه همان ترانسفورماتور مثال بالا، اعمال شود؛ ولتاژ بدون بار ثانویه حاصل چقدر خواهدبود؟

حاصل بالا، مجددا تایید می‌کند؛ که ترانسفورماتور یک ترانسفورماتور کاهشی است؛ زیرا ولتاژ اولیه ۲۴۰ ولت و ولتاژ ثانویه‌ی مربوطه، ۸۰ ولت و کمتر از آن است.

پس هدف اصلی ترانسفورماتور، تبدیل ولتاژها در نسبت‌های از پیش تعیین شده‌ است و می‌بینیم؛ که سیم‌پیچ اولیه، دارای مقدار یا تعداد دور (سیم‌پیچی) است؛ که متناسب با ولتاژ ورودی باشد.

اگر قرار است؛ که ولتاژ خروجی ثانویه با ولتاژ ورودی سیم‌پیچ اولیه، برابر باشد؛ باید همان تعداد دور سیم‌پیچ هسته‌ی اولیه را روی سیم‌پیچ ثانویه پیچید و درنتیجه، نسبت دورهای برابر ۱:۱ (۱ به ۱) را به ما می‌دهد. به عبارت دیگر، یک سیم‌پیچ ثانویه به یک سیم‌پیچ اولیه خواهیم داشت.

اگر قرار باشد؛ ولتاژ ثانویه خروجی، بیشتر از ولتاژ ورودی باشد (ترانسفورماتور افزایشی) باید تعداد دورهای بیشتری در ثانویه وجود داشته باشد؛ یعنی نسبت دورها N:1 (1 به N) باشد؛ که N نشان‌دهنده‌ی نسبت دورها است. به همین ترتیب، اگر بخواهیم؛ ولتاژ ثانویه خروجی، کمتر از ولتاژ ورودی باشد (ترانسفورماتور کاهشی) باید تعداد دورهای کمتری در ثانویه وجود داشته باشد؛ یعنی نسبت دورها N:1 (N به 1) باشد.

عملکرد ترانسفورماتور

دیده‌ایم؛ که تعداد دورهای سیم‌پیچ روی سیم‌پیچ ثانویه در مقایسه با سیم‌پیچ اولیه، یعنی نسبت دورها، برروی مقدار ولتاژ موجود در سیم‌پیچ ثانویه، تاثیر می‌گذارد. اما اگر دو سیم‌پیچ از یکدیگر جدا شده‌ باشند؛ این ولتاژ ثانویه، چگونه تولید می‌شود؟

قبلا گفتیم؛ که یک ترانسفورماتور، اساسا از دو سیم‌پیچ تشکیل شده‌است؛ که به دور یک هسته‌ی آهنی نرم معمولی، پیچیده شده‌است. هنگامی‌که، یک ولتاژ متناوب (VP) به سیم‌پیچ اولیه، اعمال می‌شود؛ جریان از سیم‌پیچ عبور می‌کند و به نوبه‌ی خود، میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می‌کند. این اثر، براساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، اندوکتانس متقابل نامیده می‌شود.

قدرت میدان مغناطیسی با افزایش جریان از صفر به حداکثر مقدار آن، که به‌صورت dφ/dt داده می‌شود؛ افزایش می‌یابد.

در حالیکه خطوط مغناطیسی، حاصل از نیرو تنظیم شده توسط این آهنربای الکتریکی از سیم پیچ به سمت بیرون گسترش می یابد، هسته آهنی نرم، مسیری را برای شار مغناطیسی تشکیل می‌دهد و آن را متمرکز می‌کند. این شار مغناطیسی چرخش هر دو سیم پیچ را با افزایش و کاهش در جهت مخالف تحت تأثیر منبع AC به هم مرتبط می کند.

با این‌حال، قدرت میدان مغناطیسی القا شده به هسته‌ی آهنی نرم، به مقدار جریان و تعداد دورهای سیم‌پیچ بستگی دارد. هنگامی‌که، جریان کاهش می‌یابد؛ قدرت میدان مغناطیسی نیز کاهش می‌یابد.

هنگامی‌که، خطوط مغناطیسی شار، در اطراف هسته، جریان می‌یابد؛ از سیم‌پیچ‌های ثانویه، عبور می‌کند و باعث القای ولتاژ به سیم‌پیچ ثانویه می‌شود. مقدار ولتاژ القاشده توسط N* dφ/dt ( قانون فارادی) تعیین می‌شود؛ که در آن N تعداد دورهای سیم‌پیچ است. همچنین، این ولتاژ القایی، فرکانس مشابهی با ولتاژ سیم‌پیچ اولیه دارد.

پس می‌بینیم؛ که ولتاژ یکسانی در هر دور کویل در هردو سیم‌پیچ، القا می‌شود؛ زیرا شار مغناطیسی یکسان، دورهای هردو سیم‌پیچ را به‌هم مرتبط می‌کند. درنتیجه، کل ولتاژ القایی در هر سیم‌پیچ، نسبت مستقیمی با تعداد دورهای آن سیم‌پیچ دارد. با این‌حال، اگر اتلاف مغناطیسی هسته زیاد باشد؛ دامنه‌ی پیک ولتاژ خروجی موجود در سیم‌پیچ ثانویه، کاهش می‌یابد.

اگر بخواهیم، سیم‌پیچ اولیه، میدان مغناطیسی قوی‌‌تری تولید کند؛ تا بر اتلاف مغناطیسی هسته‌ها غلبه کند؛ می‌توانیم جریان بزرگ‌تری را از طریق سیم‌پیچ ارسال کنیم یا همان جریان را حفظ کرده و درعوض، تعداد دورهای سیم‌پیچ (NP) را افزایش دهیم. حاصل‌ضرب آمپر در دورها، “دور آمپر” نامیده می‌شود؛ که نیروی مغناطیسی سیم‌پیچ را تعیین می‌کند.

بنابراین، فرض کنید؛ یک ترانسفورماتور با یک دور در اولیه و فقط یک دور در ثانویه داشته باشیم؛ اگر یک ولت به دور کویل اولیه، اعمال شود؛ با فرض عدم تلفات در کویل، جریان کافی باید شارش داشته باشد و شار مغناطیسی کافی برای القای یک ولت در یک دور سیم‌پیچ ثانویه، ایجاد شود. یعنی هر سیم‌پیچی تعداد ولت‌های یکسانی را در هر دور، پشتیبانی کند.

از آنجایی‌که، شار مغناطیسی به‌صورت سینوسی تغییر می‌کند؛

یعنی ϕ=ϕmax  sin(ωt)  است. پس رابطه‌ بین emf القایی (E) در یک سیم‌پیچ کویل با N دور، به‌صورت زیر ارائه می‌شود:

که در آن:

f- فرکانس شار برحسب هرتز و برابر با ω/2п است.

N- برابر با تعداد سیم‌پیچ‌های کویل است.

φ-مقدار شار برحسب وبر (یکای شار مغناطیسی) است.

این معادله‌، معادله‌ی EMF ترانسفورماتور، شناخته می‌شود. همچنین برای emf سیم‌پیچ اولیه، N تعداد دورهای اولیه (NP) و برای emf سیم‌پیچ ثانویه، N تعداد دورهای ثانویه(NS) خواهدبود.

همچنین لطفاً توجه داشته باشید که از آنجایی که ترانسفورماتورها برای عملکرد صحیح به شار مغناطیسی متناوب نیاز دارند، بنابراین نمی توان از ترانسفورماتورها برای تبدیل یا تأمین ولتاژ یا جریان DC استفاده کرد، زیرا میدان مغناطیسی باید برای القای ولتاژ در سیم پیچ ثانویه تغییر کند. به‌عبارت‌دیگر، ترانسفورماتورها با ولتاژهای DC حالت پایدار، عمل نمی‌کنند؛ بلکه فقط با ولتاژهای متناوب یا پالس، عمل می‌کنند.

اگر سیم‌پیچ اولیه‌ی ترانسفورماتور، به منبع DC متصل باشد؛ راکتانس القایی سیم‌پیچ، صفر خواهدبود؛ زیرا DC فرکانس ندارد و بنابراین، امپدانس موثر سیم‌پیچ بسیار کم و تنها برابر با رزیستانس مس مورداستفاده است. بنابراین، سیم‌پیچ، جریان بسیار بالایی را از منبع DC می‌کشد که باعث گرم‌شدن بیش از حد و درنهایت سوختن آن می‌شود؛ زیرا همانطور که می‌دانیم؛ I=V/R است.

مثال ۳- مبانی ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور تک فاز دارای 480 دور برروی سیم‌پیچ اولیه و 90 دور بر روی سیم‌پیچ ثانویه است. مقدار حداکثر چگالی شار مغناطیسی، هنگام اعمال ولتاژ 2200 ولت و 50 هرتز به سیم‌پیچ اولیه‌ی ترانسفورماتور، برابر با 1.1T است. محاسبه کنید:

1. شار حداکثر در هسته

۲. مساحت سطح مقطع هسته

3. Emf القایی ثانویه

از آنجایی‌که، نرخ ولتاژ ثانویه برابر با emf القایی ثانویه است؛ روش ساده‌ی دیگری برای محاسبه‌ی ولتاژ ثانویه از نسبت دورها به‌صورت زیر، ارائه می‌شود:

توان الکتریکی در یک ترانسفورماتور

یکی دیگر از پارامترهای اساسی ترانسفورماتور، نرخ توان آن است. توان یک ترانسفورماتور با ضرب جریان در ولتاژ برای بدست‌ آوردن یک نرخ برحسب ولت‌آمپر (VA) به‌دست می‌آید. نرخ ترانسفورماتورهای تک فاز کوچک، ممکن است؛ فقط برحسب ولت‌آمپر باشد؛ اما ترانسفورماتورهای توان بسیار بزرگتر، می‌توانند دارای نرخ کیلو ولت آمپر (kVA)، ‌که ۱ کیلو ولت‌آمپر برابر با ۱۰۰۰ ولت‌آمپر و نرخ مگا ولت‌آمپر (MVA) که 1 مگا ولت‌آمپر برابر با یک میلیون ولت‌آمپر است، باشد.

در یک ترانسفورماتور ایده‌آل (بدون درنظرگرفتن اتلاف) توان موجود در سیم‌پیچ ثانویه برابر با توان در سیم‌پیچ اولیه،خواهدبود. این دستگاه‌ها، دستگاه‌های وات ثابت بوده و توان را تغییر نداده و تنها وابسته به نسبت ولتاژ به جریان، می‌باشند. بنابراین، در یک ترانسفورماتور ایده‌آل، نسبت توان برابر با یک (واحد) است؛ زیرا ضرب ولتاژ، V در جریان، I ثابت می‌ماند.

این توان الکتریکی در یک سطح ولتاژ/جریان در سمت سیم‌پیچ اولیه، به توان الکتریکی، با حفظ همان فرکانس و در همان سطح ولتاژ/جریان در سمت سیم‌پیچ ثانویه، “تبدیل” می‌شود. اگرچه، ترانسفورماتور می‌تواند ولتاژ را افزایش (یا کاهش) دهد؛ اما نمی‌تواند توان را افزایش دهد. بنابراین، هنگامی‌که، یک ترانسفورماتور ولتاژ را افزایش می‌دهد؛ جریان را کاهش می‌دهد و بالعکس؛ به‌طوری‌که توان خروجی همیشه برابر با توان ورودی است. پس می‌توان گفت؛ که توان اولیه برابر با توان ثانویه است (PP=PS).

که در آن: φP، زاویه‌ی فاز اولیه و  φS، زاویه‌ی فاز ثانویه است.

توجه داشته‌باشید ازآنجایی‌ که، اتلاف توان، متناسب با مجذور جریان منتقل‌ شده‌، یعنی I۲R است؛ اگر فرض کنیم افزایش ولتاژ، دوبرابر(×2) شود؛ جریان به همان اندازه کاهش می‌یابد (÷2)، درحالی‌که میزان یکسانی از توان را به بار تحویل می‌دهد و درنتیجه اتلاف را با فاکتور 4 کاهش می‌دهد. اگر ولتاژ، 10 برابر افزایش یابد؛ جریان با همان ضریب کاهش می‌یابد و درنتیجه، اتلاف کلی با ضریب 100 کاهش خواهد یافت.

اصول پایه‌ی ترانسفورماتور- بازده

یک ترانسفورماتور، برای انتقال انرژی به هیچ جزء متحرکی نیاز ندارد. این بدان معنی است که هیچ اصطکاک یا اتلاف ویندج (windage) مربوط به سایر ماشین‌های الکتریکی، وجود ندارد. با این‌حال، ترانسفورماتورها شامل انواع دیگری از اتلاف، به‌نام “اتلاف مس” و “اتلاف آهن”، می‌باشند؛ اما به‌طورکلی این اتلاف بسیار کم است.

اتلاف مس، که همچنین با نام اتلاف I۲R نیز شناخته می‌شود؛ توان الکتریکی است؛ که در قالب گرما و درنتیجه، چرخش جریان در اطراف سیم‌پیچ‌های مسی ترانسفورماتور، از دست می‌رود و ازاین‌رو، نام آن را به خود اختصاص داده‌ است. اتلاف مس، نشان‌ دهنده‌ی بیشترین اتلاف در عملکرد یک ترانسفورماتور است. وات‌های واقعی تلف‌شده را می‌توان (در هر سیم‌پیچ) با دو برابر کردن آمپر و ضرب در مقدار مقاومتی سیم‌پیچ برحسب اهم (I۲R) تعیین نمود.

اتلاف آهن، که با نام هیسترزیس نیز شناخته می‌شود؛ عقب‌ماندن مولکول‌های مغناطیسی درون هسته، در پاسخ به شار مغناطیسی متناوب است. این وضعیت عقب‌ماندگی( یا خارج فازبودن) به‌ این دلیل است؛ که برای معکوس‌کردن مولکول‌های مغناطیسی به توان نیاز دارد و آنها تا زمانی‌که شار به نیروی کافی برای معکوس‌کردن آنها نرسد؛ معکوس نمی‌شوند.

معکوس‌شدن آنها، منجر به اصطکاک می‌شود و اصطکاک باعث تولید گرما در هسته می‌شود؛ که نوعی از دست‌دادن توان است. هیسترزیس درون ترانسفورماتور را می‌توان با ساختن هسته از آلیاژهای فولادی ویژه، کاهش داد.

شدت اتلاف توان در یک ترانسفورماتور، کارایی آن را تعیین می‌کند. راندمان ترانسفورماتور در اتلاف توان (وات) بین سیم‌پیچ اولیه (ورودی) و ثانویه (خروجی) منعکس می‌شود. پس راندمان حاصل از یک ترانسفورماتور، برابر با نسبت توان خروجی سیم‌پیچ ثانویه، PS به توان ورودی سیم‌پیچ اولیه،PP بوده و بنابراین، زیاد است.

یک ترانسفورماتور ایده‌آل، 100% کارآمد است و تمام انرژی الکتریکی را که از سمت اولیه دریافت می‌کند؛ به سمت ثانویه منتقل می‌کند. اما ترانسفورماتورهای واقعی، کارایی 100% ندارند. هنگامی‌که، با ظرفیت بار کامل، کار می‌کنند؛ حداکثر بازده آن‌ها نزدیک به 94% تا 96% است؛ که هنوز برای یک دستگاه الکتریکی، خوب است. برای یک ترانسفورماتور که با ولتاژ و فرکانس AC ثابت کار می‌کند؛ راندمان آن می‌تواند تا 98% باشد. بازده η ترانسفورماتور به‌صورت زیر است:

ورودی، خروجی و اتلاف، همگی برحسب واحد توان، بیان می‌شوند.

به‌طورکلی، هنگام کار با ترانسفورماتورها، وات‌های اولیه را “ولت‌آمپر” یا VA می‌نامند؛ تا آنها را از وات ثانویه متمایز کنند. پس معادله‌ی بازده بالا را می‌توان به‌صورت زیر تغییر داد:

گاهی اوقات، با استفاده از تصاویر، به‌خاطر سپردن رابطه بین ورودی، خروجی و بازده ترانسفورماتور، آسان‌تر است. دراینجا سه کمیت W، VA و η در یک مثلث قرار گرفته‌اند؛ که توان را برحسب وات در بالا و ولت-آمپر و بازده را در پایین قرار می‌دهد. این آرایش، نشان‌دهنده‌ی موقعیت واقعی هر کمیت، در فرمول‌های بازده است.

مثلث بازده ترانسفورماتور

و با جابجایی مقادیر مثلث فوق، ترکیبات زیر از همان معادله را به ما می‌دهد:

پس، برای یافتن وات (خروجی) =VA x eff. ، برای یافتن ولت-آمپر (ورودی) = W/eff. و برای یافتن بازده، eff = W/VA خواهدبود.

خلاصه‌ی اصول پایه‌ای ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور، بااستفاده از میدان مغناطیسی، سطح ولتاژ (یا سطح جریان) سیم‌پیچ ورودی خود را به مقدار دیگری در سیم‌پیچ خروجی خود، تغییر می‌دهد. یک ترانسفورماتور، از دو سیم‌پیچ ایزوله‌ی الکتریکی تشکیل شده‌ است و براساس اصل “القای متقابل” فارادی کار می‌کند؛ که در آن یک emf در سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور، توسط شار مغناطیسی تولیدشده توسط ولتاژها و جریان‌های جاری در سیم‌پیچ اولیه کویل، القا می‌شود.

هردو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه کویل، در اطراف یک هسته‌ی آهنی نرم معمولی مشترک و ساخته‌شده از لایه‌های جداگانه پیچیده می‌شود؛ تا جریان گردابی و اتلاف توان را کاهش دهد. سیم‌پیچ اولیه‌ی ترانسفورماتور به منبع توان AC متصل می‌شود؛ که باید ماهیت سینوسی داشته‌باشد و این درحالی‌است؛ که سیم‌پیچ ثانویه، توان الکتریکی را برای بار تامین می‌کند. با این اوصاف، یک ترانسفورماتور را می‌توان به‌صورت معکوس به منبع تغذیه‌ی متصل به سیم‌پیچ ثانویه متصل کرد و نرخ‌های ولتاژ و جریان را مشاهده نمود.

می‌توانیم ترانسفورماتور را به شکل بلوک دیاگرام زیر نمایش دهیم:

نمایش اولیه ترانسفورماتور

نسبت سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور، یک ترانسفورماتور ولتاژ افزایشی یا یک ترانسفورماتور ولتاژ کاهشی، تولید می‌کند. نسبت بین تعداد دورهای اولیه به تعداد دورهای ثانویه را “نسبت دورها” یا “نسبت ترانسفورماتور” می‌گویند.

اگر این نسبت، کمتر از 1 باشد؛ پس NS از NP بزرگتر است و ترانسفورماتور به‌عنوان ترانسفورماتور افزایشی طبقه‌بندی می‌شود. اگر این نسبت، بیشتر از 1 باشد؛ پس NP از NS بزرگتر است و ترانسفورماتور به‌عنوان ترانسفورماتور کاهشی طبقه‌بندی می‌شود. توجه داشته باشید؛ که ترانسفورماتور کاهنده‌ی تک فاز را می‌توان به‌عنوان یک ترانسفورماتور افزایشی، به‌سادگی با معکوس‌کردن اتصالات آن و تبدیل سیم‌پیچ اولیه به ولتاژ پایین و بالعکس آن، به‌کار برد تا زمانی‌که، ترانسفورماتور مطابق با درجه‌ی طراحی VA اصلی خود کارکند.

اگر نسبت دورها، برابر با واحد یعنی n=1 باشد؛ آنگاه هردو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه تعداد دورهای یکسانی دارند؛ بنابراین، ولتاژ و جریان برای هردو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه، یکسان خواهدبود.

این نوع ترانسفورماتور 1:1 به‌عنوان ترانسفورماتور ایزوله، طبقه‌بندی می‌شود؛ زیرا هردو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه، دارای تعداد ولت یکسانی درهر دو می‌باشند. راندمان ترانسفورماتور، نسبت توان واردشده به بار به توان جذب‌شده از منبع تغذیه است. در یک ترانسفورماتور ایده‌آل هیچ اتلافی وجود ندارد؛ بنابراین، هیچ افت توانی نیز وجود ندارد و PIN=POUT  است.

در آموزش بعدی درمورد مبانی ترانسفورماتور، به ساخت فیزیکی ترانسفورماتور، نگاهی خواهیم داشت و انواع مختلف هسته‌ی مغناطیسی و لایه‌بندی‌های مورداستفاده برای سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه را مشاهده می‌نماییم.