ترانسفورماتور

مباحث فنی

تعاریف ساده شده بالا بسیاری از مباحث پیچیده دربارهٔ ترانسفورماتورها را در نظر نمی‌گیرد.
در یک ترانسفورماتور ایده‌آل، ترانسفورماتور دارای یک هسته بدون مقاومت مغناطیسی و دو سیم‌پیچ بدون مقاومت الکتریکی است. زمانی که ولتاژ به ورودی‌های اولیه ترانسفورماتور اعمال می‌شود برای به وجود آمدن شار در مدار مغناطیسی هسته، جریانی کوچکی در سیم‌پیچ اولیه جاری می‌شود. از آنجایی که در ترانسفورماتور ایده‌آل هسته فاقد مقاومت مغناطیسی است این جریان قابل چشم پوشی خواهد بود در حالی که در یک ترانسفورماتور واقعی این جریان بخشی از تلفات ترانسفورماتور را تشکیل خواهد داد.

شار نشتی

در یک ترانسفورماتور ایده‌آل شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ اول به‌طور کامل توسط سیم‌پیچ دوم جذب می‌شود اما در واقع بخشی از شار مغناطیسی در فضای اطراف پراکنده می‌شود (نشت می‌کند). به شاری که در حین انتقال از مسیر خود جدا می‌شود شار نشتی (Leakage Flux) می‌گویند. این شار نشتی موجب به وجود آمدن اثر خود القا در سیم‌پیچ‌ها می‌شود و به این ترتیب موجب می‌شود که در هر سیکل، انرژی در سیم‌پیچ ذخیره شده و در نیمه پایانی سیکل آزاد شود. این اثر به‌طور مستقیم باعث ایجاد افت توان نخواهد شد اما به دلیل ایجاد اختلاف فاز موجب ایجاد مشکلاتی در تنظیم ولتاژ خواهد شد و به این ترتیب باعث خواهد شد تا ولتاژ ثانویه دقیقاً نسبت واقعی خود با ولتاژ اولیه حفظ نکند؛ این اثر به ویژه در بارهای بزرگ خود را نشان خواهد داد. به همین دلیل ترانسفورماتورهای توزیع طوری ساخته می‌شوند تا کمترین میزان تلفات نشتی را داشته باشند.
با این حال در برخی کاربردها، وجود تلفات نشتی زیاد، مزیت به‌شمار می‌رود. در این ترانسفورماتورها با استفاده از روش‌هایی مانند ایجاد مسیرهای مغناطیسی طولانی، شکاف‌های هوایی یا مسیرهای فرعی مغناطیسی اقدام به افزایش شار نشتی می‌کنند. دلیل افزایش عمدی تلفات پراکندگی در این ترانسفورماتورها قابلیت بالای این نوع ترانسفورماتورها در تحمل اتصال کوتاه است. از این‌گونه ترانسفورماتورها برای تغذیه بارهای دارای مقاومت منفی مانند دستگاه‌های جوش (یا دیگر تجهیزات استفاده‌کننده از قوس الکتریکی)، لامپ‌های بخار جیوه و تابلوهای نئون یا ایجاد ایمنی در بارهایی که احتمال بروز اتصال کوتاه در آن‌ها زیاد است استفاده می‌شود.

تلفات توان

یک ترانسفورماتور ایده‌آل هیچ تلفاتی نخواهد داشت و در واقع بازدهی برابر ۱۰۰٪ دارد. با این حال ترانسفورماتورهای واقعی نیز جزو بهره‌ورترین تجهیزات الکتریکی محسوب می‌شود به‌طوری‌که نمونه‌های آزمایشی ترانسفورماتورهایی که با بهره‌گیری از ابر رسانا ساخته شده‌اند به بازدهی برابر ۹۹٫۸۵٪ دست یافته‌اند. به‌طور کلی ترانسفورماتورهای بزرگتر از بازده بالاتری برخوردارند و ترانسفورماتورهایی که برای مصارف توزیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند از بازدهی در حدود ۹۵٪ برخوردارند در حالی که ترانسفورماتورهای کوچک مانند ترانسفورماتورهای موجود در آداپتورها بازدهی در حدود ۸۵٪ دارند.
تلفات به وجود آمده در ترانسفورماتور با توجه به عوامل به وجود آورنده یا محل اتلاف انرژی به این صورت طبقه‌بندی می‌شوند:

مقاومت سیم‌پیچ‌ها

جریانی که در یک هادی جاری می‌شود با توجه به میزان مقاومت الکتریکی هادی می‌تواند موجب به وجود آمدن حرارت در محل عبور جریان شود. در بسامدهای بالاتر اثر سطحی و اثر مجاورت نیز می‌توانند تلفات مضاعفی را در ترانسفورماتور به وجود آورند.

تلفات پسماند (هیسترزیس)

هر بار که جهت جریان الکتریکی به دلیل متناوب بودن تغییر علامت می‌دهد، با توجه به جنس هسته، مقدار کمی انرژی در هسته باقی می‌ماند. به این ترتیب برای یک هسته با جنس ثابت این نوع تلفات با میزان بسامد تناسب دارد و با افزایش بسامد تلفات پسماند هسته نیز افزایش می‌یابد.

جریان گردابی (فوکو)

مواد فِرّومغناطیسی معمولاً هادی‌های الکتریکی خوبی نیز هستند و بنابراین هسته ترانسفورماتور می‌تواند مانند یک مدار اتصال کوتاه شده عمل کند؛ بنابراین حتی با القای میزان کمی ولتاژ، جریان در هسته به شدت بالا می‌رود. این جریان جاری در هسته گذشته از به وجود آوردن تلفات الکتریکی موجب به وجود آمدن حرارت در هسته نیز می‌شود. جریان گردابی در هسته با مجذور بسامد منبع رابطه مستقیم و با مجذور ضخامت ورق هسته رابطه معکوس دارد. برای کاهش تلفات گردابی در هسته، هسته‌ها را ورقه ورقه کرده و آن‌ها را نسبت به یکدیگر عایق می‌کنند. اساس کار کوره‌های القایی، جریان‌های گردابی است.

تغییر شکل بر اثر میدان مغناطیسی

شار مغناطیسی در یک ماده فِرّومغناطیس موجب حرکت نسبی ورقه‌های هادی نسبت به یکدیگر می‌شود. در صورت محکم نبودن این ورقه‌ها این اثر می‌تواند موجب ایجاد صدایی شبیه وز وز در هنگام کار کردن ترانسفورماتور شود به این اثر تغییر شکل بر اثر میدان مغناطیسی یا Magnetostriction می‌گویند. این اثر می‌تواند موجب به وجود آمدن گرما در اثر اصطکاک بین صفحات نیز شود.

تلفات مکانیکی

به دلیل وجود تغییر شکل بر اثر مغناطیس در یک ترانسفورماتور بین قطعات ترانسفورماتور نوعی حرکت به وجود می‌آید این تحرک نیز به نوبه خود موجب به وجود آمدن تلفات مکانیکی در ترانسفورماتور خواهد شد. در صورتی که قطعات موجود در ترانسفورماتور به خوبی در جای خود محکم نشده باشند، تحرکات مکانیکی آن‌ها نیز افزایش یافته و در نتیجه تلفات مکانیکی نیز افزایش خواهد یافت.

مدار معادل

محدودیت‌های فیزیکی یک ترانسفورماتور واقعی به صورت یک مدار نمایش داده می‌شوند. این مدار معادل از تعدادی از عوامل به وجود آورنده تلفات یا محدودیت‌ها و یک ترانسفورماتور ایده‌آل تشکیل شده‌است. تلفات توان در سیم‌پیچ یک ترانسفورماتور به‌طور خطی تابعی از جریان هستند و به راحتی می‌تواند آن‌ها را به صورت مقاومت‌هایی سری با سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور نمایش داده شود؛ این مقاومت‌ها RS و RP هستند. با بررسی خواص شار پراکندگی می‌توان آن را به صورت خود القاهای XP و XS نشان داد که به صورت سری با سیم‌پیچ ایده‌آل قرار می‌گیرند. تلفات آهنی از دو نوع تلفات گردابی (فوکو) و پسماند (هیسترزیس) تشکیل شده. در بسامد ثابت این تلفات با مجذور شار هسته نسبت مستقیم دارند و از آنجایی که شار هسته نیز تقریباً با ولتاژ ورودی نسبت مستقیم دارد این تلفات را می‌توان به صورت مقاومتی موازی با مدار ترانسفورماتور نشان داد. این مقاومت همان RC است.
هسته‌ایی با نفوذپذیری محدود نیازمند جریان IM خواهد بود تا همچنان شار مغناطیسی را در هسته برقرار کند؛ بنابراین تغییرات در جریان مغناطیس‌کننده با تغییرات در شار مغناطیسی هم فاز خواهد بود و به دلیل اشباع پذیر بودن هسته، رابطه بین این دو خطی نخواهد بود. با این حال برای ساده کردن این تأثیرات در بیشتر مدارهای معادل این رابطه خطی در نظر گرفته می‌شود. در منابع سینوسی شار مغناطیسی ۹۰ درجه از ولتاژ القایی عقبتر خواهد بود، بنابراین این اثر را می‌توان با القاگر XM در مدار نشان داد که به‌طور موازی با تلفات آهنی هسته RC قرار می‌گیرد. RC و XM را در برخی موارد با هم به صورت یک شاخه در نظر می‌گیرند و آن را شاخه مغناطیس‌کننده می‌نامند. اگر سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور را مدار باز کنیم تمامی جریان عبوری از اولیه ترانسفورماتور جریان I₀ خواهد بود که از شاخه مغناطیس‌کننده عبور خواهد کرد این جریان را جریان بی‌باری نیز می‌نامند.
مقاومت‌های موجود در طرف ثانویه یعنی RS و XS نیز باید به طرف اولیه منتقل شوند. این مقاومت‌ها در واقع معادل تلفات مسی و پراکندگی در طرف ثانویه هستند و به صورت سری با سیم پیچ ثانویه قرار می‌گیرند.
مدار معادل حاصل را مدار معادل دقیق می‌نامند گرچه در این مدار معادل نیز از برخی ملاحظات پیچیده مانند اثرات غیرخطی چشم پوشی می‌کند.

اتوترانسفورماتور

اتوترانسفورماتور به ترانسفورماتوری گفته می‌شود که تنها از یک سیم‌پیچ تشکیل شده‌است. این سیم‌پیچ دارای دو سر ورودی و خروجی و یک سر در میان است. به‌طوری‌که می‌توان گفت سیم‌پیچ کوتاه‌تر (که در ترانس کاهنده سیم‌پیچ ثانویه محسوب می‌شود) قسمتی از سیم‌پیچ بلندتر است. در این‌گونه ترانسفورماتورها تا زمانی که نسبت ولتاژ-دور در دو سیم‌پیچ برابر باشد ولتاژ خروجی از نسبت سیم‌پیچ تعداد دور سیم‌پیچ‌ها به ولتاژ ورودی به دست می‌آید. با قرار دادن یک تیغه لغزان به جای سر وسط ترانس، می‌توان نسبت سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه را تا حدودی تغییر داد و به این ترتیب ولتاژ پایانه خروجی ترانسفورماتور را تغییر داد مزیت استفاده از اتوترانسفورماتور کم هزینه‌تر بودن آن است چرا که به جای استفاده از دو سیم‌پیچ تنها از یک سیم‌پیچ در آن‌ها استفاده می‌شود.
عیب این‌گونه ترانسفورماتورها این است که نمی‌توان با آن ترانسفورماتور ایزوله ساخت و دیگر مشکل آن کمبود ایمنی در هنگام استفاده از آن است؛ چنانچه اگر سیم ثانویه آن قطع شود یا بسوزد ممکن است منجر شود خروجی همان ولتاژ ورودی شود.

هسته لایه لایه شده

ترانسفورماتورها مورد استفاده در کاربردهای قدرت یا بسامد بالا (رادیویی) معمولاً از هسته با جنس فولاد سیلیکاتی با قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی بالا استفاده می‌کنند . قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی در فولاد بارها بیشتر از نفوذپذیری در خلاء است و به این ترتیب با استفاده از هسته‌های فولادی جریان مغناطیس‌کننده مورد نیاز برای هسته به شدت کاهش می‌یابد و شار در مسیری کاملاً نزدیک به سیم‌پیچ‌ها محبوس می‌شود. سازندگان ترانسفورماتورهای اولیه به سرعت متوجه این موضوع شدند که استفاده از هسته یک پارچه باعث افزایش تلفات گردابی در هسته ترانسفورماتور می‌شود و در طراحی‌های خود از هسته‌هایی استفاده کردند که از دسته‌های عایق شده آهن تولید شده بود. در طراحی‌هایی بعدی با استفاده از ورق‌های نازک آهن که نسبت به یکدیگر عایق شده بودند، تلفات در ترانسفورماتور باز هم کاهش یافت. از این روش در ساخت هسته امروزه نیز استفاده می‌شود. همچنین با استفاده از معادله عمومی ترانسفورماتور می‌توان نتیجه گرفت که کمترین سطح اشباع در هسته با سطح مقطع کوچکتر ایجاد می‌شود.
گرچه استفاده از هسته‌های با لایه‌های نازک‌تر تلفات را کاهش می‌دهد، اما از طرفی هزینه ساخت ترانسفورماتور را افزایش می‌دهد؛ بنابراین از هسته‌های با لایه‌های نازک معمولاً در بسامدهای بالا استفاده می‌شود. با استفاده از برخی انواع هسته‌های با لایه‌های بسیار نازک امکان ساخت ترانسفورماتورهایی برای کاربرد در مصارف تا ۱۰ کیلوهرتز پدید می‌آید.
نوعی متداول از هسته‌های لایه لایه، از قطعاتی E شکل که با قطعاتی I شکل یک هسته را به وجود می‌آورند تشکیل شده. این هسته‌ها را هسته‌های E-I می‌نامند. این هسته‌ها گرچه تلفات را افزایش می‌دهند اما به علت آسانی مونتاژ، هزینه ساخت هسته را کاهش می‌دهند. نوع دیگری از هسته‌ها، هسته‌های C شکل هستند. این هسته از قرار دادن دو قطعه C شکل در مقابل یکدیگر تشکیل می‌شود. این هسته‌ها این مزیت را دارند که تمایل شار برای عبور از هر قطعه از هسته برابر است و این مزیت باعث کاهش یافتن مقاومت مغناطیسی می‌شود.
پسماند در یک هسته فولادی به معنای باقی‌ماندن خاصیت مغناطیسی در هسته پس از قطع شدن توان الکتریکی است. زمانی که جریان دوباره در هسته جاری می‌شود این پسماند باقی‌مانده در هسته تا زمانی که کاهش یابد موجب به وجود آمدن یک جریان هجومی در ترانس می‌شود. تجهیزات حفاظتی مانند فیوزها باید طوری انتخاب شوند که به این جریان هجومی اجازه عبور دهند.
ترانسفورماتورهای توزیع می‌توانند با استفاده از هسته‌های با قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی بالا تلفات بی باری را کاهش دهند. هزینه اولیه هسته بعدها با صرفه‌جویی که در مصرف انرژی و افزایش طول عمر ترانس می‌شود جبران خواهد شد.

هسته‌های یکپارچه

هسته‌هایی که از آهن پودر شده ساخته شدند در مدارهایی که با بسامد بالاتر از بسامد شبکه تا چند ده کیلوهرتز کار می‌کنند کاربرد دارند. این هسته دارای قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی بالا و همچنین مقاومت الکتریکی بالا هستند. برای بسامدهایی بالاتر از باند VHF از هسته‌های غیر رسانای فریت استفاده می‌شود. برخی از ترانسفورماتورهای بسامد رادیویی از هسته‌های متحرک استفاده می‌کنند که این امکان را به وجود می‌آورد که ضریب اتصال هسته قابل تغییر باشد.

هسته‌های حلقوی

ترانسفورماتورهای حلقوی دور به صورت حلقه‌ای ساخته می‌شوند. جنس این هسته بسته به بسامد مورد استفاده ممکن است از نوارهای بلند فولاد سیلیکاتی، پرمالوی پیچیده شده دور یک چنبره، آهن تقویت شده یا فریت باشد. ساختار نواری باعث چینش بهینه مرزدانه‌ها می‌شود که این امر با کاهش رلوکتانس هسته موجب افزایش بهره‌وری ترانسفورماتور می‌گردد. شکل حلقوی بسته باعث از بین رفتن فاصله هوایی در هسته‌هایی با ساختار E-I می‌شود. سطح مقطع حلقه عموماً به صورت مربعی یا مستطیلی می‌باشند، البته هسته‌هایی با سطح مقطع دایروی با قیمت بالا نیز وجود دارند. سیم‌پیچی‌های اولیه و ثانویه به صورت فشرده پیچیده می‌شوند و تمام سطح حلقه را می‌پوشانند. با این کار می‌توان طول سیم مورد نیاز را به حداقل رساند.
در توانهای برابر ترانسفورماتورهای حلقوی از انواع E-I -که ارزانتر می‌باشند- بازده بیشتری دارند. دیگر مزایای ترانسفورماتورهای حلقوی به قرار زیرند: اندازه کوچکتر (در حدود نصف)، وزن کمتر (در حدود نصف)، اغتشاش (صدای هوم) پائین (ایده‌آل برای استفاده در تقویت‌کننده‌های صوتی)، میدان مغناطیسی کمتر (در حدود یک دهم)، تلفات بی باری پائین (مناسب برای مدارها در حالت آماده بکار-standby-). از معایب آن‌ها به قیمت بیشتر و توان نامی محدود می‌توان اشاره کرد.
در بسامدهای بالا هسته‌های حلقوی فریت مورد استفاده قرار می‌گیرند. فریت قابلیت کار در بسامدهای چند ده کیلوهرتز تا یک مگاهرتز را دارا می‌باشد. با بکارگیری فریت تلفات، اندازه فیزیکی، و وزن منبع تغذیه سوئیچینگ کاهش می‌یابد. ایراد دیگر ترانسفورماتورهای حلقوی هزینه بالای سیم پیچی در آنهاست. در نتیجه آن‌ها در توان‌های نامی بیشتر از چند کیلو ولت-آمپر کاربرد بسیار کمی دارند.