رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور

رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور، نسبت یا مقدار درصدی است که براساس آن، مقدار ولتاژ ترمینال خروجی ترانسفورماتور افزایش یا کاهش می‌یابد.

در این سری از مقاله‌ها در مورد ترانسفورماتورها دیدیم که وقتی به سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور انرژی داده می‌شود؛ یک ولتاژ و جریان ثانویه با ارزشی که توسط نسبت دور ترانسفورماتور (TR) تعیین می‌شود؛ تولید می‌کند. پس، اگر یک ترانسفورماتور تک فاز، دارای نسبت دور گام کاهشی 2:1 باشد و 240 ولت، به ولتاژ بالای سیم‌پیچ اولیه اعمال شود، می‌توانیم انتظار داشته باشیم؛ که ولتاژ ترمینال خروجی برابر با 120 VAC در سیم‌پیچ ثانویه ببینیم؛ زیرا ما چنین ترانسفورماتوری را ایده‌آل فرض نموده‌ایم.

با این‌حال، در دنیای واقعی، چنین چیزی در یک مدار مغناطیسی صادق نیست؛ زیرا تمام ترانسفورماتورها، دارای تلفات I۲R مس و هسته‌ی مغناطیسی می‌باشند و سبب می‌شود؛ که مقدار ایده‌آل ثانویه چند درصد کاهش یافته و به 117VAC برسد و چنین امری، معمول است.

اما مقدار دیگری نیز وجود دارد؛ که مربوط به ترانسفوماتورها (و ماشین‌های الکتریکی) است و بر روی این مقدار ولتاژ ثانویه در زمانی که ترانسفورماتور، توان کامل را تامین می‌کند؛ تاثیر می‌گذارد و به آن “رگولاسیون” می‌گویند.

{ درباره مغناطیس بیشتر بدانید }

رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور چیست؟

رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتورهای تک فاز، درصد ( یا مقدار واحد) تغییر در ولتاژ ترمینال ثانویه، درمقایسه با ولتاژ بدون بار اولیه‌ی آن، تحت شرایط بار ثانویه متغیر است. به عبارت دیگر، رگولاسیون تغییر ولتاژ، ترمینال ثانویه را تعیین می‌کند؛ که در داخل ترانسفورماتور، درنتیجه‌ی تغییرات بار متصل به ترانسفورماتور رخ می‌دهد و درنتیجه، اگر این تلفات زیاد باشد و ولتاژ ثانویه بسیار کاهش یابد؛ بر عملکرد و بازده آن، تاثیر می‌گذارد.

هنگامی‌که، هیچ باری به سیم‌پیچ‌ ثانویه‌ی ترانسفورماتور، اتصال ندارد؛ یعنی پایانه‌های خروجی آن، مدار باز هستند و شرایط حلقه‌ی بسته وجود ندارد. بنابراین، جریان بار خروجی وجود ندارد (IL=۰) و ترانسفورماتور، به‌عنوان یک واحد سیم‌پیچ با خودالقایی بالا، عمل می‌کند. توجه داشته باشید؛ که ولتاژ ثانویه‌ی بدون بار، نتیجه‌ی ولتاژ ثابت اولیه و نسبت دور ترانسفورماتور است.

بارگذاری سیم‌پیچ ثانویه با یک امپدانس بار ساده، سبب می‌شود؛ که جریان ثانویه در هر فاکتور توانی در سیم‌پیچ داخلی ترانسفورماتور شارش یابد. بنابراین، افت ولتاژ به دلیل مقدار مقاومتی داخلی سیم‌پیچ‌ها و راکتانس نشتی آن بوده و باعث تغییر ولتاژ ترمینال خروجی می‌شود.

یک رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور، بین ولتاژ پایانه‌ی ثانویه خود از حالت بدون بار، یعنی زمانی‌که، IL=0 (مدار باز) به حالت کاملا بارگذاری‌شده یعنی زمانی‌که، IL=IMAX (جریان حداکثر) تغییر می‌کند و برای یک ولتاژ اولیه‌ی ثابت، به‌صورت زیر خواهد بود:

رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور به‌عنوان کسری از تغییر

توجه داشته باشید؛ که این رگولاسیون ولتاژ، زمانی‌که، به‌عنوان کسر یا واحد تغییر ولتاژ پایانه‌ی بدون بار، بیان می‌شود؛ می‌تواند به‌صورت یکی از دو راهِ رگولاسیون ولتاژ پایین (Regdown) و رگولاسیون ولتاژ بالا(Regup) تعریف شود. یعنی زمانی‌که، بار به ترمینال خروجی ثانویه، متصل می‌شود؛ ولتاژ ترمینال پایین می‌آید و زمانی‌که، بار برداشته می‌شود؛ ولتاژ ترمینال ثانویه، بالا می‌رود. بنابراین، رگولاسیون ولتاژ، به این بستگی دارد؛ که کدام مقدار ولتاژ به‌عنوان ولتاژ مرجع، بار یا مقدار غیر بار، استفاده می‌شود.

همچنین می‌توانیم رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور را به‌صورت درصد تغییر بین شرایط بدون بار و شرایط با کامل، به‌صورت زیر، بیان کنیم:

رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور به‌عنوان درصدی از تغییر

پس برای مثال، اگر یک ترانسفورماتور تک فاز، دارای یک ولتاژ پایانه‌ی بدون بار مدار باز ۱۰۰ ولت و ولتاژ ترمینال مشابه با اعمال بار متصل به ۹۵ ولت، کاهش یابد؛ بنابراین، رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور برابر با ۰.۰۵ یا ۵%(((۱۰۰-۹۵)/۱۰۰)۱۰۰%) است. بنابراین، یک رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور، می‌تواند به‌عنوان یک مقدار تغییر واحد یا مقدار درصد تغییر ولتاژ بدون بار، بیان شود.

مثال ۱ - رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور

سیم‌پیچ اولیه‌ی یک ترانسفورماتور کاهشی تک فاز 500VA و 10:1 از منبع تغذیه‌ی ثابت 240Vrms تغذیه می‌شود. درصد رگولاسیون ترانسفورماتور را هنگام اتصال امپدانس 1.1Ω محاسبه کنید.

اطلاعات داده‌شده: VA=500، TR=10:1 ، VP=240V ، ZS=۱.۱Ω. رگولاسیون را بیابید.

بنابراین، Vs (بار کامل) =23.45 ولت است.

پس درصد پایین رگولاسیون محاسبه‌شده برای ترانسفورماتور به‌صورت ۲.۲۹% یا گردشده‌ی ۲.۳% است.

مثال ۲ - رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور تک فاز با رگولاسیون ولتاژ ۴%، دارای ولتاژ ترمینال ثانویه ۱۱۵.۴ ولت در حالت جریان بارکامل است. ولتاژ ترمینال بدون بار آن را، هنگام برداشتن بار، محاسبه کنید.

پس می‌توانیم ببینیم؛ که تغییر در بار متصل، تغییری در ولتاژ پایانه‌ی ترانسفورماتور، بین ولتاژ “بدون بار” و

ولتاژ “بار کامل” آن، ایجاد می‌کند و درنتیجه‌ی رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور را به عملکردی خارج از ترانسفورماتور، تبدیل می‌کند. بنابراین، هرچه درصد رگولاسیون ولتاژ، کمتر باشد؛ ولتاژ ترمینال ثانویه‌ی ترانسفورماتور، بدون توجه به مقدار جریان بار، پایدارتر خواهدبود. اگر بار متصل، صرفا مقاومتی باشد؛ افت ولتاژ، کوچکتر خواهدبود. بنابراین، یک ترانسفورماتور ایده‌آل، دارای رگولاسیون ولتاژ صفر است؛ یعنی VS( بار کامل) برابر با VS( بدون بار) بوده؛ زیرا تلفات صفر است.

بنابراین، ما اکنون می‌دانیم؛ که رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور، تفاوت بین ولتاژ بار کامل و ولتاژ بدون بار آن، به حداکثر جریان نامی ثانویه‌ی آن است؛ که می‌تواند به‌عنوان یک نسبت یا به‌عنوان مقدار درصد(%) بیان شود. اما چرا ولتاژ ثانویه، با تغییرات جریان بار، تغییر یا کاهش می‌یابد.

ترانسفورماتور با بار

هنگامی‌که، سیم‌پیچ ثانویه‌ی ترانسفورماتور، بار را تامین می‌کند؛ تلفات آهن مغناطیسی در هسته‌ی چندلایه و تلفات مس، به دلیل مقاومت سیم‌پیچ‌های آن، وجود دارد و این، برای سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه، صادق است.

این تلفات، یک راکتانس و مقاومت، در سیم‌پیچ ترانسفورماتور، ایجاد می‌کند؛ که یک مسیر امپدانس را فراهم می‌کند؛ که جریان خروجی ثانویه (IS) باید از طریق آن، شارش یابد.

از آنجایی‌که، سیم‌پیچ ثانویه از مقدار مقاومتی و راکتانس، تشکیل‌شده است؛ افت ولتاژ داخلی باید در سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور، بسته به امپدانس موثر و جریان باری که طبق قانون اهم ارائه می‌شود؛ یعنی V=I*Z بیان شود.

پس می‌توانیم ببینیم؛ که با افزایش جریان بار ثانویه، ولتاژ کاهش‌یافته در سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور نیز، باید افزایش یابد و برای یک ولتاژ تغذیه اولیه‌ی ثابت، ولتاژ خروجی ثانویه، باید کاهش یابد.

امپدانس (Z) سیم‌پیچ ثانویه، جمع فازوری مقدار مقاومتی آن (R) و راکتانس نشتی (X) با افت ولتاژ متفاوتی است؛ که در هر جز، تولید می‌شود. پس می‌توانیم امپدانس ثانویه و همچنین ولتاژ بدون بار و بار کامل را، به‌صورت زیر تعریف کنیم:

بنابراین، ولتاژ بدون بار سیم‌پیچ ثانویه، به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

ولتاژ بارکامل آن، به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

پس می‌توانیم به‌وضوح ببینیم؛ که سیم‌پیچ ترانسفورماتور، از یک راکتانس سری با رزیستانس تشکیل شده‌است؛ که جریان بار در هردو مشترک است. ازآنجایی‌که، ولتاژ و جریان برای یک مقدار مقاومتی، هم‌فاز می‌باشند؛ بنابراین، افت ولتاژ در مقاومت به‌صورت ISR است؛ زیرا باید با جریان IS، “هم‌فاز” باشد.

با این‌حال، در یک سلف خالص که دارای راکتانس القایی، XL است؛ جریان با زاویه‌ی °90 عقب می‌ماند و از این‌رو، افت ولتاژ دوسر راکتانس، به‌صورت ISR بوده و از جریان با زاویه‌ی φL جلو می‌افتد و به‌عنوان یک بار القایی عمل می‌کند.

از آنجایی‌که، امپدانس Z سیم‌پیچ ثانویه، جمع فازوری رزیستانس و راکتانس است؛ زاویه‌های فاز منحصربفرد آنها به‌صورت زیر است:

و

از آنجایی‌که، V=I*Z است؛ افت ولتاژ دوسر امپدانس ثانویه برابر است با:

و چون V_(S(کامل بار))=V_(S(بار بدون ))-V_افت است؛ درصد رگولاسیون به‌صورت زیر خواهدبود:

بیان فاکتور توان عقب‌مانده (تاخیردار)

برای بیان رگولاسیون مثبت بین cos(φ) و sin(φ)، ولتاژ ترمینال ثانویه ترانسفورماتور، کاهش می‌یابد (افت) و نشان‌دهنده‌ی فاکتور توان تاخیردار (بار القایی) است. برای بیان رگولاسیون منفی بین cos(φ) و sin(φ)، ولتاژ ترمینال ثانویه ترانسفورماتور، افزایش می‌یابد(بالارفتن) و نشان‌دهنده‌ی فاکتور توان پیشرو (بار خازنی) است. بنابراین، عبارت رگولاسیون ولتاژ برای بارهای پیشرو و تاخیردار یکسان است؛ فقط علامتی که برای نشان‌دادن افزایش یا کاهش ولتاژ، به‌کار می‌رود؛ تغییر می‌کند.

بیان فاکتور توان پیشرو

بنابراین، شرایط رگولاسیون مثبت، باعث کاهش(افت) ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه می‌شود؛ درحالی‌که شرایط رگولاسیون منفی، باعث افزایش(بالارفتن) ولتاژ در سیم‌پیچ می‌شود. با این‌که، بارهای فاکتور توان پیشرو، به‌اندازه‌ی بارهای القایی(کویل، سلونوئید یا چوک) رایج نیستند؛ ترانسفورماتوری که بار کوچکی را با جریان‌های کم تغذیه می‌کند؛ ممکن است شرایط خازنی را تجربه کند؛ که باعث افزایش ولتاژ پایانه می‌شود.

بنابراین، شرایط رگولاسیون مثبت، باعث کاهش (افت) ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه می‌شود؛ درحالی‌که شرایط رگولاسیون منفی، باعث افزایش(بالارفتن) ولتاژ در سیم‌پیچ می‌شود. با این‌که، بارهای فاکتور توان پیشرو، به‌اندازه‌ی بارهای القایی (کویل، سلونوئید یا چوک) رایج نیستند؛ ترانسفورماتوری که بار کوچکی را با جریان‌های کم تغذیه می‌کند؛ ممکن است شرایط خازنی را تجربه کند؛ که باعث افزایش ولتاژ پایانه می‌شود.

{ درباره قطعات پایه الکترونیک بیشتر بدانید }

مثال ۳ - رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور

یک ترانسفورماتور تک فاز 10KVA، یک ولتاژ ثانویه‌ی بدون بار 110 ولت را تامین می‌کند. اگر رزیستانس سیم‌پیچ ثانویه معادل برابر با 0.015 اهم و رزیستانس کل برابر با 0.04 اهم باشد؛ رگولاسیون ولتاژ را هنگام تامین بار با ضریب توان تاخیردار 0.85، تعیین کنید.

اطلاعات داده‌شده: VA=10000،V_(S(بار بدون))=110 ولت، R=0.015Ω، X=0.04Ω است. درصد رگولاسیون را بیابید.

جریان ثانویه، به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

درصد رگولاسیون ولتاژ، به‌صورت زیر است:

خلاصه‌ی رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور

 در این مقاله، در مورد رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور دیدیم؛ که وقتی سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور، بارگذاری می‌شود؛ ولتاژ خروجی آن می‌تواند تغییر کند و این تغییر ولتاژ را می‌توان، به‌صورت نسبت یا معمولا به‌صورت مقدار درصد بیان کرد. زمانی‌که اتصال باری رخ نداده‌است؛ جریان ثانویه وجود ندارد؛ به این معنی‌که، ولتاژ ثانویه در مقدار حداکثر خود است.

با این‌حال، هنگامی‌که، بارگذاری کامل صورت می‌گیرد؛ جریان‌های ثانویه شارش می‌یابند و باعث تولید تلفات هسته و تلفات مس در سیم‌پیچ می‌شود. تلفات هسته، تلفات ثابت به دلیل مدار مغناطیسی ترانسفورماتور است؛ که توسط ولتاژ سیم‌پیچ اولیه، تولید می‌شود؛ درحالی‌که، تلفات مس ثانویه، یک تلفات متغیر است؛ که مرتبط با جریان بار متصل به سیم‌پیچ ثانویه است.

سپس تغییرات در جریان بار، سبب تغییر در این اتلاف می‌شود؛ که بر رگولاسیون، اثر می‌گذارد. هرچه رگولاسیون ولتاژ ترانسفورماتور، کوچکتر باشد؛ تغییر ولتاژ ترمینال ثانویه با تغییرات بار، کمتر می‌شود و این امر، در مدارهای منبع تغذیه‌ی تنظیم‌شده، بسیار مفید است.

همچنین گفته‌شد؛ که برای فاکتور توان تاخیردار (بارالقایی) ولتاژ ترمینال ثانویه کاهش می‌یابد. اگر ترانسفورماتور، ضریب توان تاخیری بسیار پایینی را تامین کند؛ جریان‌های ثانویه زیادی شارش می‌یابند و منجر به رگولاسیون ضعیف ولتاژ، به‌دلیل افت ولتاژ بیشتر در سیم‌پیچ می‌شود.

برای یک ضریب توان پیشرو (بار خازنی) ولتاژ پایانه‌ی خروجی، افزایش خواهد یافت. بنابراین، رگولاسیون مثبت، باعث ایجاد افت ولتاژ در سیم‌پیچ می‌شود؛ درحالی‌که رگولاسیون منفی، باعث افزایش ولتاژ در آن می‌شود. با وجود این‌که، امکان رگولاسیون ولتاژ صفر وجود ندارد (فقط ترانسفورماتورهای ایده‌آل) حداقل رگولاسیون و بنابراین، حداکثر بازده، عموما زمانی رخ می‌دهد؛ که تلفات هسته‌ی سیم‌پیچ و تلفات مس، تقریبا برابر باشند.