ترانسفورماتور (ترانسفورمر) دستگاهی است که انرژی الکتریکی را از یک مدار به مداری دیگر و از راه پیوستگی مغناطیسی بین سیم پیچهای خود انتقال می دهد.به غیر از ترانسفرماتور های با هسته ی هوایی،سیم پیچهای بقیه ی ترانسفورماتور ها به دور هسته ی آهنی با هدایت مغناطیسی بالا و یا به دور هسته های جداگانه که از نظر مغناطیسی به یکدیگر متصل شده اند پیچیده می شوند.در ترانسفورماتورها، جریان متغیر جاری شده در سیم پیچ اولیه با نام "جریان اولیه"،میدان مغناطیسی متغیری را در هسته (یا هسته های) ترانسفورماتور به وجود می آورد.میدان مغناطیسی متغیر باعث ایجاد یک نیروی محرکه ی مغناطیسی(
اگر یک بار الکتریکی به سیم پیچ ثانویه ی ترانسفورماتور متصل گردد،جریان الکتریکی در سیم پیچ ثانویه جاری می گردد و در نتیجه انرژی الکتریکی از ترانسفورماتور به مدار ثانویه جاری می شود.در یک ترانسفورماتور ایده آل نسبت ولتاژ ثانویه(
EMF) و یا یک ولتاژ در سیم پیچ ثانویه می شود.این اثر "القای متقابل" نامیده می شود.Vs) به ولتاژ اولیه(Vp) برابر است با نسبت تعداد دورهای سیم پیچ ثانویه به تعداد دور سیم پیچ اولیه. با تغییر دادن تعداد دور سیم پیچها،و در صورتی که نسبت تعداد دور ثانویه(
ترانسفورماتورها در اندازه های مختلف از یک ترانسفورماتور
تاریخچه
اصول نخستین ترانسفورماتور نخستین بار در سال 1831 توسط مایکل فارادی و در نتیجه ی اثبات نظریه ی القای الکترومغناطیسی اعلام شد.اما در آن زمان هنوز نقش القای الکترومغناطیسی در تولید نیروی محرکه ی مغناطیسی مشخص نشده بود.اولین سیم پیچ های الکترومغناطیسی به روشی که استفاده ی آنها متدوال شد توسط نیکولاس کالان یکی از نخستین محققانی که پی برد افزایش تعداد دور در ثانویه ی یک ترانسفورماتور در تولید نیروی محرکه ی مغناطیسی بیشتر در اولیه ربط دارد در ایرلند و در سال 1936اختراع شد.بوبین های مغناطیسی به کوشش دانشمندان و مخترعان برای گرفتن ولتاژ بیشتر از باطری ها بهبود پیدا کردند.بین سالهای 1830 و 1870تلاش هایی که برای ساختن سیم پیچ های بهتر که بیشتر بر پایه ی روش سعی و خطا بود رفته رفته قوانین اساسی ترانسفورماتور ها را آشکار کرد.تا سال 1880 هیچ گونه طراحی موثر و کارآمد انجام نشد.اما در یک دهه مشخص شد که ترانسفورماتور ها در سیستمهای توزیع جریان متناوب نسبت به جریان
در سال 1876 یک مهندس روسی به نام پاول یابلوچکوف سیستم روشنایی بر پایه ی چندین سیم پیچ الکتریکی اختراع کرد که در آن سیم پیچ اولیه به منبعی با جریان متناوب متصل شده بود و سیم پیچ ثانویه می توانست به چندین لامپ متصل شود.سیم پیچ هایی که در این سیستم استفاده شده بود به عنوان ترانسفورماتور اولیه رفتار می کردند.این اختراع اذعان می کرد که این سیستم می تواند چندین منبع ولتاژ جداگانه را از تنها یک منبع برق به لامپ های با قدرت های متفاورت تامین کند.
تولد نخستین ترانسفورماتور
بین سالهای 1884 و 1885 دانشمندان مجارستانی اولین مدل هسته ی بسته ی
اصول پایه
ترانسفورماتور بر دو قائده ی کلی استوار می باشد.نخست اینکه جربان الکتریکی باعث تولید یک میدان مغناطیسی می شود و دوم اینکه میدان مغناطیسی متحرک باعث القای ولتاژ در سیم پیچ ثانویه شده و در دو سر سیم پیچ ثانویه اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود می آورد.تغییرات جریان سیم پیچ اولیه باعث تغییرات شدت میدان مغناطیسی تولید شده می شود.شار متغیر مغناطیسی از میان سیم پیچ ثانویه عبور کرده و باعث ایجاد ولتاژ در آن می شود.
قانون القا
ولتاژ القا شده در سیم پیچ ثانویه را می توان از رابطه ی قانون القای فارادی بر اساس زیر محاسبه کرد
که در این رابطه
Ns) بیشتر از تعداد دور اولیه(Np) باشد، یک ترانسفورماتور باعث افزایش ولتاژ خروجی می شود و در صورتی که تعداد دور اولیه از تعداد دور ثانویه بیشتر باشد،ترانسفورماتور باعث کاهش ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی می شود. به اندازه ی ناخن انگشت که در یک میکروفن کارگذاری شده تا ترانسفورماتورهای غول پیکر چند هزار تنی که برای اتصال شبکه های قدرت کشورها استفاده می شوند ساخته می شوند.اما با وجود اینکه اندازه های ترانسفورماتورها گوناگون می باشد کاربرد و استفاده ی همه ی ترانسفورماتورها بر اساس یکسری اصول پایه ای مشترک می باشد.اگرچه فناوری های نوین نیاز استفاده از ترانسفرماتورها را در بعضی از مدارات الکترونیکی از بین بردند اما ترانسفورماتورها هنوز هم در خیلی از مدارات الکترونیکی که برای کار با برق شهر ساخته و طراحی می شوند استفاده می شوند.ترانسفورماتورها از اساسی ترین دستگاه های انتقال قدرت در ولتاژهای بالا می باشند که انتقال انرژی در فاصله های طولانی را کارآمد و مقرون به صرفه می سازند.dc بسیار مناسب تر هستند و این موضوع باعث شد که ترانسفورماتور ها تا به امروز در این مورد پابرجا بمانند.ZBD را ساختند.(ZBDمخفف نام سازندگان این هسته می باشد).این دانشمندان کشف کردند که سیم پیچهای پیشین با هسته ی باز یا هسته ی هوایی قادر به تنظیم ولتاژ نیستند و همین موضوع باعث شده بود که آنها کمتر موثر واقع شوند.حق اختراع مشترک این سه محقق ترانسفورماتور بدون قطبی را معرفی می کرد که شامل دو نوع ترانسفورماتور می شد،ترانسفورماتور با هسته ی بسته و ترانسفورماتور با هسته ی پوستی.در ترانسفورماتور با هسته ی بسته،هسته از جنس آهن و به شکل گرد بود که سیم پیچ ها به طور منظم دور آن پبچیده شده بود.در ترانسفورماتور با هسته ی پوستی،سیم پیچها از میان هسته عبور می کردند.در هر دو طرح، تقریبا تمام شار مغناطیسی که بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه عبور می کرد، از هسته ی آهنی عبور میکند.این هسته شامل صفحات آهنی و یا ساده بود.بر پایه ی همین اختراع این امکان به وجود آمد تا روشنایی مقرون به صرفه برای صنایع و خانه ها فراهم شود.Vs ولتاژ لحظه ای ،Ns بیانگر تعداد دور های سیم پیچ ثانویه و علامت ( فی) بیانگر میزان شار مغناطیسی در یک دور از سیم پیچ می باشد.اگر تعداد دورهای سیم پیچ ها نسبت به خطوط قوا( شار) به صورت عمودی قرار گیرد،شار مغناطیسی در نتیجه ی شدت میدان مغناطیسی B سطح مقطعی که سیم شار را قطع می کند(A) می باشد.سطح مقطع ثابت می باشد اما میزان شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ اولیه به نسبت زمان تغییر می کند.وقتی که در یک ترانسفورماتور ایده ال شار مغناطیسی هم از سیم پیچ اولیه و هم از ثانویه عبور کند،ولتاژ لحظه ای در سیم پیچ اولیه از رابطه ی زیر بدست می آید:با توجه به مقدار معادله های
معادله ی قدرت ایده آل
اگر به سیم پیچ ثانویه باری وصل شود که باعث جاری شدن جریان الکتریکی بشود،انرژی الکتریکی از سیم پیچ اولیه به سیم پیچ ثانویه منتقل می شود.به طور ایده آل ترانسفورماتوری ایده آل است که تمام انرژی الکتریکی از مدار اولیه و از راه میدان مغناطیسی هسته به مدار ثانویه منتقل شود.اگر این شرط حاصل شود،انرژی الکتریکی ورودی باید با انرژی الکتریکی خروجی برابر باشد.
Vs و
Vp میتوان به معادله ای اساسی برای کاهش یا افزایش ولتاژ دست یافت
Pin=IpVp=IsVs
اگر ولتاژ افزایش یابد(ترانس افزاینده) جریان خروجی به همان نسبت کاهش می یابد.ترانسفورماتورها معمولا بر اساس همین رابطه ایده آل تخمین زده می شوند.
بررسی مفصل تر
اصولی که در بالا مطرح شد از خیلی از عوامل کارآمد و اصلی،به خصوص در مورد جریان مورد نیاز سیم پیچ اولیه و تقابل این جریان با میدان مغناطیسی ناشی از سیم پیچ ثانویه چشم پوشی می کند.
مدل های ترانسفورماتور های ایده آل معمولا با یک هسته با رلوکتانس(مقاومت مغناطیسی) پایین و دو سیم پیچ با مقاومت الکتریکی صفر شبیه سازی می شوند.وقتی که یک ولتاژ به سیم پیچ اولیه اعمال می شود یک جریان کوچک باعث ایجاد میدان مغناطیسی هسته می شود.جریان مورد نیاز برای تولید میدان مغناطیسی " جریان مغناطیس کننده " نامیده می شود.در حالت ایده آل که هسته های مغناطیسی دارای مقاومت مغناطیسی نزدیک به صفر فرض می شوند،جریان مغناطیس کننده بسیار ناچیز است اما این جریان برای تولید میدان مغناطیسی لازم می باشد.
میدان مغناطیسی متغیر باعث القای یک نیروی محرکه ی مغناطیسی(
منبع: www.electrotechnic4.blogsky.com
EMF) در دوسر هر کدام از سیم پیچ ها می شود.در ترانسفورماتور های ایده آل که سیم پیچ ها دارای هیچ امپدانسی(مقاومت ظاهری) نمی باشند بنا بر این دارای هیچ افت ولتاژی نمیباشند و در نتیجه ولتاژ اندازه گیری شده در ترمینال های ترانسفورماتور برابر با مقدار نیروی محرکه ی مغناطیسی محاسبه شده بر روی کاغذ می باشد.نیروی محرکه ی مغناطیسی ثانویه که با ولتاژ تولید شده در ثانویه مخالفت می کند معمولا
EMF برگشتی نامیده می شود.این موضوع بر اساس قانون لنز می باشد که این قانون بیان می کند که "نیروی محرکه ی مغناطیسی همواره با تغییر میدان مغناطیسی مخالفت می کند".
سلام من سعی کردم با مختصر مطالبی که گرد هم اورده ام بتوانم پاسخ گوی شما عزیزان باشم