د ترانسفورمر د بار او بی بار کارولو نظریه

تعریف ترانسفورمر

ترانسفورمر به عنوان دستگاه الکتریکی تعریف می‌شود که انرژی الکتریکی را از طریق القای الکترومغناطیسی بین دو یا چند مدار منتقل می‌کند.

نظریه ترانسفورمر بدون بار

بدون مقاومت پیچش و بدون واکنش نشتی

یک ترانسفورمر با وجود تنها زیان‌های هسته‌ای در نظر بگیرید، یعنی آن دارای زیان‌های مسی یا واکنش نشتی ترانسفورمر نیست. وقتی یک منبع جریان متناوب به اولیه اعمال می‌شود، جریانی برای مغناطیس‌سازی هسته ترانسفورمر تامین می‌کند.

اما این جریان جریان مغناطیس‌سازی واقعی نیست؛ بلکه کمی بیشتر از جریان مغناطیس‌سازی واقعی است. جریان کلی که از منبع تأمین می‌شود دو مؤلفه دارد، یکی جریان مغناطیس‌سازی که فقط برای مغناطیس‌سازی هسته استفاده می‌شود، و مؤلفه دیگر جریان منبع برای جبران زیان‌های هسته‌ای ترانسفورمر مصرف می‌شود.

به دلیل مؤلفه زیان‌های هسته‌ای، جریان منبع بدون بار دقیقاً ۹۰ درجه پشت سر ولتاژ تغذیه نمی‌ماند، بلکه با زاویه θ که کمتر از ۹۰ درجه است، پشت سر ولتاژ تغذیه می‌ماند. جریان کلی I0 مؤلفه Iw را در فاز با ولتاژ تغذیه V1 دارد که نماینده مؤلفه زیان‌های هسته‌ای است.

این مؤلفه به دلیل ارتباط آن با زیان‌های فعال یا کاری ترانسفورمر در فاز با ولتاژ منبع گرفته می‌شود. مؤلفه دیگر جریان منبع با Iμ نشان داده می‌شود.

این مؤلفه میدان مغناطیسی متناوب را در هسته تولید می‌کند، بنابراین بی‌قدرت است؛ یعنی بخش واکنشی جریان منبع ترانسفورمر است. بنابراین Iμ در چهارضلعی با V1 و در فاز با میدان مغناطیسی متناوب Φ خواهد بود. بنابراین، جریان کلی اولیه ترانسفورمر در حالت بدون بار می‌تواند به صورت زیر نمایش داده شود:

حالا شما دیدید که چقدر آسان است تا نظریه ترانسفورمر را در حالت بدون بار توضیح دهید.

نظریه ترانسفورمر تحت بار

بدون مقاومت پیچش و واکنش نشتی

حالا رفتار ترانسفورمر فوق را تحت بار بررسی خواهیم کرد، یعنی بار به انتهای ثانویه متصل می‌شود. یک ترانسفورمر با زیان‌های هسته‌ای اما بدون زیان‌های مسی و واکنش نشتی در نظر بگیرید. هر زمان که بار به پیچش ثانویه متصل می‌شود، جریان بار از طریق بار و پیچش ثانویه شروع به جریان می‌کند.

این جریان بار فقط به ویژگی‌های بار و همچنین ولتاژ ثانویه ترانسفورمر بستگی دارد. این جریان به عنوان جریان ثانویه یا جریان بار شناخته می‌شود و در اینجا با I2 نشان داده می‌شود. با جریان I2 در پیچش ثانویه، یک MMF خودآموز در پیچش ثانویه تولید می‌شود. در اینجا N2I2 است، که N2 تعداد دورهای پیچش ثانویه ترانسفورمر است.

این MMF یا نیروی مغناطیسی در پیچش ثانویه میدان مغناطیسی φ2 را تولید می‌کند. این φ2 میدان مغناطیسی اصلی را مخالفت می‌کند و موقتاً آن را ضعیف می‌کند و تلاش می‌کند E1 را کاهش دهد. اگر E1 کمتر از ولتاژ منبع اولیه V1 شود، جریان اضافی از منبع به پیچش اولیه خواهد جریان داشت.

این جریان اولیه اضافی I2′ میدان مغناطیسی اضافی φ′ را در هسته تولید می‌کند که میدان مغناطیسی ضد ثانویه φ2 را خنثی می‌کند. بنابراین میدان مغناطیسی اصلی هسته، Φ مستقل از بار تغییر نمی‌کند. بنابراین جریان کلی که این ترانسفورمر از منبع می‌گیرد می‌تواند به دو مؤلفه تقسیم شود.

اولی برای مغناطیس‌سازی هسته و جبران زیان‌های هسته‌ای استفاده می‌شود، یعنی Io. این مؤلفه بدون بار جریان اولیه است. مؤلفه دوم برای جبران میدان مغناطیسی ضد پیچش ثانویه استفاده می‌شود.

این مؤلفه به عنوان مؤلفه بار جریان اولیه شناخته می‌شود. بنابراین جریان کلی اولیه بدون بار I1 یک ترانسفورمر برقی که بدون مقاومت پیچش و واکنش نشتی است می‌تواند به صورت زیر نمایش داده شود

که θ2 زاویه بین ولتاژ ثانویه و جریان ثانویه ترانسفورمر است. حالا ما یک قدم بیشتر به سمت جنبه عملی‌تر ترانسفورمر خواهیم رفت.

نظریه ترانسفورمر تحت بار، با پیچش مقاومتی اما بدون واکنش نشتی

حالا مقاومت پیچش ترانسفورمر را در نظر بگیرید اما بدون واکنش نشتی. تاکنون ترانسفورمری که دارای پیچش‌های ایده‌آل است، یعنی پیچش‌هایی بدون مقاومت و واکنش نشتی را بررسی کردیم، اما حالا یک ترانسفورمر را در نظر می‌گیریم که دارای مقاومت داخلی در پیچش است اما بدون واکنش نشتی. با توجه به اینکه پیچش‌ها مقاومتی هستند، نوسان ولتاژ در پیچش‌ها خواهد بود.

قبلاً ثابت کردیم که جریان کلی اولیه از منبع تحت بار I1 است. نوسان ولتاژ در پیچش اولیه با مقاومت R1 برابر R1I1 است. واضح است که EMF القایی در پیچش اولیه E1 دقیقاً با ولتاژ منبع V1 برابر نیست. E1 کمتر از V1 به میزان نوسان I1R1 است.

در مورد ثانویه، EMF القایی در پیچش ثانویه E2 کاملاً در بار ظاهر نمی‌شود چون نیز با مقدار I2R2 کاهش می‌یابد، که R2 مقاومت پیچش ثانویه و I2 جریان ثانویه یا جریان بار است.

به طور مشابه، معادله ولتاژ سمت ثانویه ترانسفورمر خواهد بود:

نظریه ترانسفورمر تحت بار، با مقاومت و واکنش نشتی

حالا شرایطی را در نظر می‌گیریم که واکنش نشتی ترانسفورمر و مقاومت پیچش ترانسفورمر وجود دارد.

فرض کنید واکنش نشتی پیچش‌های اولیه و ثانویه ترانسفورمر به ترتیب X1 و X2 هستند. بنابراین مقاومت کلی پیچش‌های اولیه و ثانویه ترانسفورمر با مقاومت R1 و R2 به ترتیب می‌تواند به صورت زیر نمایش داده شود،

ما قبلاً معادله ولتاژ ترانسفورمر تحت بار را با فقط مقاومت‌های در پیچش‌ها تعیین کردیم، که نوسان ولتاژ در پیچش‌ها فقط به دلیل نوسان مقاومتی اتفاق می‌افتد.

اما وقتی واکنش نشتی پیچش‌های ترانسفورمر را در نظر می‌گیریم، نوسان ولتاژ در پیچش‌ها نه تنها به دلیل مقاومت بلکه به دلیل امپدانس پیچش‌های ترانسفورمر نیز اتفاق می‌افتد. بنابراین، معادله ولتاژ واقعی ترانسفورمر به راحتی با جایگزینی مقاومت‌های R1 & R2 در معادلات ولتاژ قبلی با Z1 و Z2 تعیین می‌شود.

بنابراین، معادلات ولتاژ عبارتند از،

نوسانات مقاومتی در جهت بردار جریان هستند. اما نوسان واکنشی عمود بر بردار جریان خواهد بود، مانند آنچه در نمودار برداری بالا ترانسفورمر نشان داده شده است.