یک ساختار دوسیم پیچه‌ی ترانسفورماتور، شامل سیم‌پیچ‌هایی است؛ که روی یک هسته‌ی آهنی نرم مجزا، پیچیده می‌شوند و یک مدار مغناطیسی فراهم می‌کنند.
این مدار مغناطیسی، که بیشتر به‌عنوان “هسته‌ی ترانسفورماتور”، شناخته میشود؛ به منظور ایجاد مسیری برای شارش جریان میدان مغناطیسی در اطراف مدار طراحی شده‌است؛ که برای القای ولتاژ دو سیم‌پیچ ضروری است.
با این‌حال، این نوع ساخت ترانسفورماتور، که در آن دو سیم‌پیچ برروی اندام‌های جداگانه، پیچیده می‌شوند؛ کارایی چندانی ندارد؛ زیرا سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه، کاملا از یکدیگر جداشده‌اند. این امر، منجر به یک جفت مغناطیسی ضعیف بین دو سیم‌پیچ و همچنین مقدار زیادی نشت شار مغناطیسی از خود ترانسفورماتور میشود. اما علاوه‌بر ساختار دایره شکل “O”، انواع مختلفی از “ساختار ترانسفورماتور” و طرح‌های آماده، وجود دارد؛ که برای غلبه بر این ناکارآمدی‌ها استفاده میشود و ترانسفورماتور فشرده‌تر و کوچک‌تری را تولید می‌کند.
راندمان ساخت ترانسفورماتور ساده را می‌توان با قراردادن دو سیم‌پیچ در تماس نزدیک با یکدیگر، بهتر کرد و درنتیجه، کوپلینگ مغناطیسی را بهبود بخشید. افزایش و تمرکز مدار مغناطیسی در اطراف سیم‌پیچ‌ها ممکن است؛ کوپلینگ مغناطیسی بین دو سیم‌پیچ را بهبود بخشد؛ اما بر افزایش اتلاف مغناطیسی هسته ترانسفورماتور، نیز اثرگذار باشد.
این هسته، علاوه‌بر ایجاد یک مسیر با مقاومت مغناطیسی کم برای میدان مغناطیسی، به‌گونه‌ای طراحی شده‌است؛ که از شارش جریان‌های الکتریکی در درون خود هسته‌ی آهنی جلوگیری کند. جریان‌های گردشی که “جریان‌های گردابی” نامیده می‌شوند؛ باعث اتلاف حرارت و انرژی در هسته می‌شوند و بازده ترانسفورماتور را کاهش می‌دهند.
۱. ساختار کلی ترانسفورماتور
این اتلاف، عمدتا به‌دلیل ولتاژهای القایی در مدار آهنی است؛ که دائما در معرض میدان‌های مغناطیسی متناوب تنظیم‌شده توسط ولتاژ منبع تغذیه‌ی سینوسی خارجی است. یکی از راه‌های کاهش این اتلاف ناخواسته‌ی توان؛ ساخت هسته‌ی ترانسفورماتور از لایه‌های (laminations) کوچک فولادی است.
در بیشتر انواع ساخت ترانسفورماتور، هسته‌ی آهن مرکزی از مواد بسیار نفوذپذیر که معمولا از لمینت‌های نازک فولادی سیلیکونی درست می‌شوند؛ ساخته میشود. این لمینت‌های نازک با هم مونتاژ می‌شوند؛ تا مسیر مغناطیسی موردنیاز را، با حداقل اتلاف مغناطیسی فراهم کنند. مقاومت ورقه‌ی فولادی به‌خودی خود بالا است؛ بنابراین، با نازک‌کردن لمینت‌ها، اتلاف جریان گردابی را کاهش می‌دهند.
ضخامت این لمینت‌های ترانسفورماتور فولادی از 0.25 تا 0.5 میلی‌متر متغیر است و از آنجایی‌که، فولاد یک رسانا است؛ لمینت‌ها و هر داربست(stud) ثابت یا هر پیچ و مهرهای، با یک پوشش بسیار نازک از لاک عایق یا با استفاده از یک لایه‌ی اکسید برروی سطح خود، از یکدیگر از نظر الکتریکی، عایق می‌شوند.
ساختار هسته ترانسفورماتور
درحالت کلی، نام‌گذاری مرتبط با ساخت ترانسفورماتور، بستگی به نحوه‌ی پیچیدن سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه در اطراف هسته‌ی مرکزی فولادی لمینت‌شده دارد. دو طرح رایج و اساسی در ساخت ترانسفورماتور، ترانسفورماتور هسته-بسته (Closed-core Transformer) و ترانسفورماتور هسته-پوسته (Shell-core Transformer) است.
در ترانسفورماتور نوع “هسته-بسته” (شکل هسته)، سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به بیرون پیچیده می‌شوند و حلقه‌ی هسته را احاطه می‌کنند. در ترانسفورماتور “نوع پوسته” (شکل پوسته)، سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه از داخل مدار مغناطیسی فولادی (هسته) عبور می‌کنند؛ که مانند شکل زیر، پوسته‌ای را در اطراف سیم‌پیچ‌ها تشکیل میدهد.
۲. ساختار هسته ترانسفورماتور
در هر دو نوع طراحی هسته‌ی ترانسفورماتور، شار مغناطیسی که سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه را به‌هم متصل می‌کند؛ به‌طور کامل در داخل هسته حرکت می‌کند و از طریق هوا، هدر نمی‌رود. در ساختار ترانسفورماتور وابسته به نوع هسته، همانطور که در بالا نشان داده شده‌است؛ نیمی از سیم‌پیچ به دور هر پایه (یا عضو) مدار مغناطیسی ترانسفورماتور پیچیده میشود.
سیم‌پیچ‌ها به‌صورتی که سیم‌پیچ اولیه روی یک پایه و سیم‌پیچ ثانویه روی پایه‌ی دیگر، باشند؛ قرار نمی‌گیرند؛ اما در عوض، نیمی از سیم‌پیچ‌اولیه و نیمی از سیم‌پیچ ثانویه، به‌صورت متحدالمرکز روی هر پایه، قرار می‌گیرند تا کوپلینگ مغناطیسی را افزایش دهند و اجازه می‌دهند؛ تا عملا تمام خطوط مغناطیسی نیرو، به‌طور همزمان از سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه، عبور کنند. با این‌حال، با این نوع ساخت ترانسفورماتور، درصد کمی از خطوط مغناطیسی نیرو به خارج از هسته، جریان می‌یابد؛ که به آن “شار نشتی” می‌گویند.
هسته‌ی ترانسفورماتور نوع پوسته، بر این شار نشتی، غلبه می‌کند؛ زیرا سیم‌پیچ اولیه و ثانویه برروی یک پایه یا عضو مرکزی که دو برابر سطح مقطع دو عضو بیرونی است؛ پیچیده میشود. مزیت در اینجا این است؛ که شار مغناطیسی دارای دو مسیر مغناطیسی، بسته است؛ تا قبل از بازگشت به کویلهای مرکزی، در خارج از سیم‌پیچ‌ها در هر دو سمت چپ و راست، شارش یابد.
این امر، بدان معناست؛ که شار مغناطیسی در حال گردش در اطراف عضو‌های بیرونی این نوع ترانسفورماتور برابر با φ/۲ است و از آنجایی‌که شار مغناطیسی، یک مسیر بسته در اطراف سیم‌پیچ‌ها دارد، این امر مزیت کاهش اتلاف هسته و افزایش بازده کلی را دارد.
لمینت‌های ترانسفورماتور
اما ممکن است؛ از چگونگی پیچیده‌شدن سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه در اطراف این هسته‌های آهنی یا فولادی لمینت‌شده، برای این نوع سازه‌های ترانسفورماتور، تعجب کنید! کویل‌ها در ابتدا، برروی یک سطح مقطع استوانه‌ای، مستطیلی یا بیضی‌شکل، پیچیده می‌شوند؛ تا با ساختار هسته‌ی لمینت‌شده، سازگار باشد. در هردو ساختار ترانسفورماتور پوسته و هسته، به منظور نصب سیم‌پیچ‌های کویل، لمینت‌های منفرد از ورق‌های فولادی بزرگتر، مهر و موم‌شده یا سوراخ می‌شوند و به‌صورت نوارهایی از فولاد نازک شبیه حروف “E”،L”” U”” و “I” همانطور که در زیر نشان داده شده‌است؛ درمی‌آیند.
۳. انواع لمینت ترانسفورماتور
این مهرهای لمینت‌شده، زمانی‌که، به یکدیگر، متصل می‌شوند؛ شکل موردنیاز هسته را تشکیل می‌دهند. برای مثال، دو مهر “E” شکل به‌علاوه‌ی دو مهر انتهایی “I” برای بسته‌شدن، برای ایجاد شکل هسته‌ی E-I بکار می‌روند؛ که یک عنصر از یک هسته‌ی ترانسفورماتور نوع پوسته‌ی استاندارد را تشکیل میدهد. این لمنیت‌های منفرد در طول ساخت به یکدیگر محکم می‌شوند، تا از مقاومت مغناطیسی شکاف هوا در اتصالات که چگالی شار مغناطیسی بسیار اشباع‌شده را تولید می‌کند، بکاهند.
لمینت‌های هسته‌ی ترانسفورماتور معمولا به‌طور متناوب روی‌هم چیده می‌شوند، تا یک اتصال همپوشانی ایجاد کنند و جفت‌های لمینت بیشتری برای ایجاد ضخامت هسته به آن اضافه شود. این انباشته‌شدن متناوب لمینت‌ها، همچنین مزیت کاهش نشتی شار و اتلاف آهن را برای ترانسفورماتور دارد. ساخت ترانسفورماتور لمینت‌شده‌ی هسته E-I بیشتر در ترانسفورماتورهای ایزوله، ترانسفورماتورهای افزایشی و کاهشی و همچنین اتوترانسفورماتورها، استفاده میشود.
ترتیب سیم‌پیچ ترانسفورماتور
سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور، بخش مهم دیگری از ساختار ترانسفورماتور را تشکیل می‌دهند؛ زیرا آنها هادی‌های اصلی حامل جریان می‌باشند؛ که در اطراف بخش‌های لمینت‌شده‌ی هسته، پیچیده شده‌اند. در یک ترانسفورماتور دو سیم‌پیچه‌ی تک فاز، دو سیم‌پیچ مطابق با آرایش نشان داده شده در شکل، قرار می‌گیرند. سیم‌پیچی که به منبع ولتاژ متصل است و شار مغناطیسی ایجاد می‌کند؛ سیم‌پیچ اولیه و سیم‌پیچ دوم که در آن ولتاژ، درنتیجه‌ی القای متقابل، القا میشود؛ سیم‌پیچ ثانویه، نام دارد.
اگر ولتاژ خروجی ثانویه، کمتر از ولتاژ ورودی اولیه باشد؛ ترانسفورماتور به‌عنوان “ترانسفورماتور کاهشی” شناخته میشود. اگر ولتاژ خروجی ثانویه، بزرگتر از ولتاژ ورودی اولیه باشد؛ ترانسفورماتور، “ترانسفورماتور افزایشی” خواهدبود.
نوع سیم مورداستفاده به‌عنوان رسانای اصلی جریان در سیم‌پیچ ترانسفورماتور، مسی یا آلومینیومی است. باوجود اینکه، سیم آلومینیومی سبک‌تر و به‌طورکلی، ارزان‌تر از سیم مسی است؛ باید از سطح مقطع بزرگ‌تری از هادی برای انتقال جریانی مشابه با مس استفاده‌کند؛ بنابراین، عمدتا در کاربردهای ترانسفورماتور با توان بالا، استفاده میشود.
ترانسفورماتورهای ولتاژ و توان کوچک kVA که در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی ولتاژ پایین استفاده می‌شوند؛ تمایل دارند از هادی‌های مسی استفاده کنند؛ زیرا این ترانسفورماتورها قدرت مکانیکی بالاتر و اندازه‌ی هادی کوچک‌تری نسبت به انواع آلومینیومی معادل خود دارند. اما نقطه ضعف آنها در این است؛ که وقتی این ترانسفورماتورها با هسته‌ی خود کامل شوند؛ می‌توانند بسیار سنگین‌تر باشند.
کویل‌ها و سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور را می‌توان در حالت کلی به سیم‌پیچ‌های هم‌مرکز و کویلهای ساندویچی طبقه‌بندی کرد. در ساخت ترانسفورماتور نوع هسته، سیم‌پیچ‌ها معمولا همانطور که در بالا نشان داده شده‌است، به‌صورت هم‌مرکز در اطراف عضو هسته قرار می‌گیرند و سیم‌پیچ اولیه با ولتاژ بالاتری برروی سیم‌پیچ ثانویه‌ی با ولتاژ پایین‌تر، پیچیده میشود.
کویلهای ساندویچی یا “پنکیکی”، از هادی‌های مسطح که به شکل مارپیچی پیچیده شده‌اند، تشکیل می‌شوند و به‌دلیل چیدمان هادی‌ها به‌صورت دیسک، به این نام خوانده می‌شوند. دیسک‌های متغیر به‌صورت مارپیچی از بیرون به سمت مرکز، در یک آرایش درهم با سیم‌پیچ‌های مجزا که روی‌هم چیده شده و توسط مواد عایق مانند کاغذ ورق پلاستیکی از هم ایزوله میشود؛ ساخته می‌شوند. سیم‌پیچ‌ها و کویلهای ساندویچی، بیشتر در ساخت هسته‌ی نوع پوسته، رایج می‌باشند.
سیم‌پیچ‌های مارپیچی، که به‌عنوان سیم‌پیچ‌های پیچی نیز شناخته می‌شوند؛ آرایش سیم‌پیچی استوانه‌ای بسیار رایج دیگری است؛ که در کاربردهای ترانسفورماتور جریان بالا و ولتاژ پایین، استفاده میشود. این سیم‌پیچ‌ها، از هادی‌های مستطیلی با سطح مقطع بزرگ تشکیل شده‌اند؛ که توسط رشته‌های عایق‌شده موازی و پیوسته درطول استوانه به دور خود، پیچیده شده‌اند و با استفاده از فاصله‌دهنده‌های مناسبی که بین پیچ‌ها یا دیسک‌های مجاور قرار می‌گیرند؛ جریان‌های گردشی بین رشته‌های موازی را به حداقل می‌رسانند. پیچش کویل به سمت بیرون و به‌صورت مارپیچی، همانند شکل یک چوب‌پنبه است.
عایق مورداستفاده برای جلوگیری از اتصال هادی‌ها به یکدیگر در ترانسفورماتور، معمولا یک لایه‌ی نازک از لاک یا لعاب در یک ترانسفورماتور خنک‌کننده‌ی هوا است. این لاک یا لعاب رنگ، پیش از پیچیده‌شدن به‌دور هسته برروی سیم، قرار می‌گیرد.
در ترانسفورماتورهای نوع توزیع توان یا توان بالاتر، هادی‌ها بااستفاده از کاغذ یا پارچه‌ی آغشته به روغن از یکدیگر، ایزوله می‌شوند. کل هسته و سیم‌پیچ‌های آن، در یک مخزن حاوی روغن ترانسفورماتور غوطه‌ورشده و مهر و موم می‌شوند. روغن ترانسفورماتور به‌عنوان یک عایق و همچنین خنک‌کننده، عمل می‌کند.
جهت‌گیری نقطه ترانسفورماتور
ما نمی‌توانیم به‌سادگی یک هسته‌ی لمینت شده را برداریم و یکی از پیکربندی‌های سیم‌پیچ را به‌دور آن بپیچیم. می‌توانیم این‌کار را انجام دهیم؛ اما ممکن است؛ متوجه شویم که ولتاژ و جریان ثانویه با ولتاژ و جریان اولیه، اختلاف فاز دارد. دو سیم‌پیچ کویل دارای یک جهت‌گیری مجزا نسبت به یکدیگر می‌باشند. هریک از کویل‌ها می‌توانند در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت، به‌دور هسته پیچیده شوند؛ بنابراین، برای ردیابی جهت‌گیری نسبی آنها، از “نقطه” برای شناسایی انتهای معینی از هر سیم‌پیچ استفاده میشود.
این روش برای شناسایی جهت‌گیری یا جهت پیچیده‌شدن کویل ترانسفورماتور را “قرارداد نقطه” می‌گویند. پس سیم‌پیچ‌های یک ترانسفورماتور، به‌گونه‌ای پیچیده می‌شوند؛ که روابط فازی صحیحی بین ولتاژهای سیم‌پیچ وجود داشته‌باشد و پلاریته‌ی (قطبیت) ترانسفورماتور به‌عنوان پلاریته‌ی نسبی ولتاژ ثانویه نسبت به ولتاژ اولیه، مطابق شکل زیر تعریف میشود.
۴. قرارداد نقطه - تشخیص جهت کویل ترانسفورماتور
ترانسفورماتور اول، “دو نقطه”ی کنارهم را روی سیم‌پیچ‌ها، نشان میدهد. جریان خروجی از نقطه‌ی ثانویه، با جریان ورودی به نقطه اولیه کناری آن، “هم‌فاز” است. بنابراین، پلاریته‌های ولتاژها در نقاط انتهایی نیز هم‌فاز بوده و زمانی‌که ولتاژ در نقطه‌ی انتهایی کویل اولیه، مثبت است، ولتاژ دوسر کویل ثانویه نیز در نقطه‌ی انتهایی مثبت خواهدبود.
در ترانسفورماتور دوم، دو نقطه در انتهای مخالف سیم‌پیچ‌ها واقع شده‌اند و این امر، به‌این معناست؛ که سیم‌پیچ‌های کویل اولیه و ثانویه‌ی ترانسفورماتور در جهت مخالف با یکدیگر روی هسته، پیچیده شده‌اند. نتیجه‌ی این امر، این است که جریان نقطه‌ی خروجی ثانویه دارای ۱۸۰ درجه “اختلاف‌فاز” با جریان ورودی نقطه‌ی اولیه است. پس پلاریته‌های ولتاژ نقاط انتهایی نیز باهم اختلاف فاز دارند و زمانی‌که، ولتاژ در نقطه‌ی انتهایی کویل اول مثبت است؛ ولتاژ دوسر کویل ثانویه‌ی مربوطه، منفی خواهدبود.
پس در ساخت یک ترانسفورماتور، ولتاژ ثانویه ممکن است با ولتاژ اولیه “هم‌فاز” بوده یا “اختلاف فاز” داشته‌باشند. برای ترانسفورماتورهایی که دارای تعدادی سیم‌پیچ ثانویه‌ی مختلف هستند؛ که از نظر الکتریکی از هم جدا شده‌اند؛ دانستن پلاریته‌ی نقطه‌ی هر سیم‌پیچ ثانویه مهم است؛ تا بتوان آنها را در پیکربندی‌های موافق با اتصال سری (جمع با ولتاژ ثانویه) یا مخالف با اتصال سری (تفریق از ولتاژ ثانویه) قرار داد.
توانایی تنظیم نسبت دورهای ترانسفورماتور، اغلب برای جبران اثرات تغییر در ولتاژ تغذیه‌ی اولیه، رگولاسیون ترانسفورماتور یا شرایط بار متغیر، مطلوب است. کنترل ولتاژ ترانسفورماتور، درحالت کلی با تغییر نسبت دورها و درنتیجه آن، نسبت ولتاژ، انجام می‌شو. که به موجب آن بخشی از سیم‌پیچ اولیه از سمت ولتاژ بالا، تغییر می‌کند و امکان تنظیم آسان را فراهم می‌کند. تنظیم از سمت ولتاژ بالا ترجیح داده میشود؛ زیرا ولتاژ در هر دور کمتر از سمت ثانویه‌ی ولتاژ پایین است.
تغییرات انشعاب اولیه ترانسفورماتور
در این مثال ساده، تغییرات انشعاب اولیه، برای یک منبع ولتاژ با تغییرات محاسبه شده‌است؛ اما هر مقداری را می‌توان انتخاب نمود. برخی از ترانسفورماتورها ممکن است، دو یا چند سیم‌پیچ اولیه یا دو یا چند سیم‌پیچ ثانویه برای کاربردهای مختلف داشته‌باشند؛ که سبب فراهم‌کردن ولتاژهای متفاوت از یک تک هسته میشود.
اتلاف هسته‌ی ترانسفورماتور
توانایی آهن یا فولاد برای حمل شار مغناطیسی، بسیار بیشتر از هوا است و این توانایی برای جریان‌دادن شار مغناطیسی را نفوذپذیری مغناطیسی می‌نامند. اکثر هسته‌های ترانسفورماتور از فولادهای با کربن کم ساخته شده‌اند؛ که می‌توانند نفوذپذیری را در حدود ۱۵۰۰ در مقایسه با ۱ برای هوا، داشته‌باشند.
این بدان معناست؛ که یک هسته‌ی چندلایه‌ی فولادی، می‌تواند شار مغناطیسی را ۱۵۰۰ برابر بهتر از هوا حمل کند. با این‌حال، هنگامی که یک شار مغناطیسی در هسته‌ی فولادی یک ترانسفورماتور جریان می‌یابد دو نوع اتلاف را به‌همراه دارد؛ یکی “اتلاف جریان گردابی” و دیگری، “اتلاف هیسترزیس”.
اتلاف هیسترزیس
اتلاف هیسترزیس ترانسفورماتور، به‌دلیل اصطکاک مولکول‌ها دربرابر جریان خطوط مغناطیسی نیروی موردنیاز برای مغناطیسی‌کردن هسته ایجاد میشود که دائما در جهت و مقدار تغییر می‌کند. ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر تغییر می‌کند و دلیل آن، تحت تاثیر منبع ولتاژ سینوسی قرارداشتن است.
اصطکاک مولکولی، باعث ایجاد گرما میشود؛ که نشان‌دهنده‌ی اتلاف انرژی برای ترانسفورماتور است. اتلاف حرارتی بیش از حد، می‌تواند طول عمر مواد عایق مورداستفاده در ساخت سیم‌پیچ‌ها و سازه‌ها را کاهش دهد و از این‌رو، خنک‌کردن ترانسفورماتور مهم است.
همچنین ترانسفورماتورها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که، در فرکانس تغذیه‌ی خاصی کار کنند. کاهش فرکانس منبع، باعث افزایش هیسترزیس و دمای بالاتر در هسته‌ی آهنی میشود. بنابراین، کاهش فرکانس منبع، از 60 هرتز به 50 هرتز، باعث افزایش مقدار هیسترزیس موجود شده و ظرفیت VA ترانسفورماتور را کاهش میدهد.
اتلاف جریان گردابی
از طرف دیگر، اتلاف جریان گردابی ترانسفورماتور، ناشی از شارش جریان‌های گردشی القاشده به فولاد و ناشی از جریان شار مغناطیسی در اطراف هسته است. این جریان‌های گردشی، به این دلیل ایجاد می‌شوند که در برابر شار مغناطیسی، هسته مانند یک حلقه‌ی سیم عمل می‌کنند. از آنجایی‌که، هسته‌ی آهنی، رسانای خوبی است؛ جریان گردابی ناشی از یک هسته‌ی آهن جامد، زیاد خواهدبود.
جریان‌های گردابی هیچ کمکی به سودمندبودن بیشتر ترانسفورماتور نمی‌کنند. اما درعوض با عمل‌کردن مانند یک نیروی منفی که گرمایش مقاومتی و اتلاف توان را در هسته ایجاد می‌کند، با شارش جریان القایی مخالفت می‌کنند.
لمینت‌کردن هسته‌ی آهنی
اتلاف جریان گردابی در هسته‌ی ترانسفورماتور را نمی‌توان به‌طورکامل حذف نمود؛ اما می‌توان با کاهش ضخامت هسته‌ی فولادی، آنها را تا حد زیادی کاهش داده و کنترل نمود. به‌جای داشتن یک هسته‌ی بزرگ آهنی جامد به‌عنوان ماده‌ی هسته‌ی مغناطیسی ترانسفورماتور یا سیم‌پیچ، مسیر مغناطیسی به تعداد زیادی اشکال فولادی فشرده و نازک به نام “لمینت”، تقسیم میشود.
لمینت‌هایی که در ساخت ترانسفورماتور استفاده می‌شوند؛ نوارهای بسیار نازکی از فلز عایق هستند؛ که به یکدیگر متصل می‌شوند تا هسته‌ای جامد اما چندلایه را ایجادکنند؛ همانگونه که در بالا دیدیم. این ورقه‌ها با پوششی از لاک یا کاغذ از یکدیگر عایق می‌شوند؛ تا مقدار مقاومتی موثر هسته را افزایش دهند و درنتیجه، رزیستانس کلی برای محدودکردن جریان‌های گردابی، افزایش می‌یابد.
نتیجه‌ی این عایق‌بندی‌ها در این است که اتلاف ناخواسته‌ی جریان گردابی القایی در هسته به‌شدت کاهش می‌یابد و به‌همین دلیل است که مدار آهن مغناطیسی هر ترانسفورماتور و سایر ماشین‌های الکترومغناطیسی، همگی لمینت می‌شوند. استفاده از لمینت‌ها در ساخت ترانسفورماتور، اتلاف جریان گردابی را کاهش میدهد.
اتلاف انرژی که به‌صورت گرما در اثر هیسترزیس و جریان‌های گردابی در مسیر مغناطیسی ظاهر میشود، معمولا به‌عنوان “اتلاف هسته‌ی ترانسفورماتور” شناخته میشود. از آنجایی که این اتلاف در تمام مواد مغناطیسی درنتیجه‌ی میدان‌های مغناطیسی متناوب رخ میدهد؛ درصورت دادن انرژی لازم به سیم‌پیچ اولیه، اتلاف هسته‌ی ترانسفوماتور همیشه وجود خواهدداشت؛ حتی اگر هیچ باری به سیم‌پیچ ثانویه متصل نباشد. همچنین ترکیب اتلاف هیسترزیس و جریان گردابی، معمولا “اتلاف آهن ترانسفورماتور”، نامیده میشود؛ زیرا شار مغناطیسی ایجادکننده‌ی این اتلاف، در تمام بارها ثابت است.
اتلاف مس
اما نوع دیگری از اتلاف انرژی مرتبط با ترانسفورماتور به‌نام “اتلاف مس” نیز وجود دارد. اتلاف مس ترانسفورماتور، عمدتا به‌دلیل مقدار مقاومتی الکتریکی سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه است. بیشتر کویلهای ترانسفورماتور با استفاده از سیم مسی پیچیده می‌شوند که مقدار مقاومت آن برحسب اهم (Ω) است و همانطور که قانون اهم بیان می‌کند، مقاومت سیم مسی با جریان مغناطیسی که از آن عبور می‌کند در تقابل است.
هنگامی‌که یک بار الکتریکی به سیم‌پیچ ثانویه‌ی ترانسفورماتور متصل میشود؛ جریان الکتریکی زیادی شروع به شارش‌نمودن در هر سیم‌پیچ اولیه و ثانویه نموده و اتلاف انرژی الکتریکی و توان (I۲R) در قالب حرارت، رخ میدهد. درحالت کلی، اتلاف مس با جریان بار تغییر می‌کند. این اتلاف، در حالت بدون بار تقریبا صفر بوده و زمانی‌که شارش جریان در مقدار حداکثر خود است، بیشترین مقدار خود را دارد.
نرخ ولت‌آمپر (VA) ترانسفورماتور را می‌توان با طراحی و ساخت بهتر، به‌منظور کاهش اتلاف هسته و مس، افزایش داد. یک ترانسفورماتور با نرخ‌های ولتاژ و جریان بالا، نیاز به هادی‌هایی با سطح مقطع‌های بزرگ دارد، تا اتلاف مس را به حداقل برساند. افزایش نرخ پراکندگی حرارت (خنک‌سازی بهتر) با استفاده‌ی اجباری از هوا یا روغن، یا با بهبود عایق آن به‌طوری که، بتواند دماهای بالاتر را تحمل کند؛ نرخ VA ترانسفورماتور را افزایش میدهد.
پس می‌توانیم یک ترانسفورماتور ایده‌آل را به‌صورت زیر تعریف کنیم:
- بدون حلقه‌ی هیسترزیس یا اتلاف هیسترزیس←۰
- مقاومت بی‌نهایت ماده‌ی هسته، اتلاف جریان گردابی را صفر می‌سازد←۰
- مقدار مقاومتی سیم‌پیچ صفر، اتلاف مس I۲R را صفر می‌سازد←0
در مقاله بعدی در مورد ترانسفورماتور، نگاهی به بارگذاری ترانسفورماتور سیم‌پیچ ثانویه نسبت به بار الکتریکی نموده و به اثری که “عدم اتصال بار” یا “بارگذاری” بر جریان سیم‌پیچ اولیه خواهدداشت؛ خواهیم پرداخت.
دیدگاه خود را بنویسید