نظریه عملکرد ترانسفورماتور در حالت باردار و بدون بار

ما تئوری ترانسفورماتور ایده‌آل را برای درک بهتر تئوری واقعی ترانسفورماتور بحث کردیم. حالا به تدریج جنبه‌های عملی ترانسفورماتور الکتریکی می‌پردازیم و سعی می‌کنیم در هر مرحله یک نمودار برداری ترانسفورماتور رسم کنیم. همانطور که گفتیم، در یک ترانسفورماتور ایده‌آل، هیچ زیان هسته‌ای وجود ندارد یعنی هسته بدون زیان است. اما در ترانسفورماتور عملی، زیان‌های هیستریسی و جریان دوگانه در هسته ترانسفورماتور وجود دارد.

تئوری ترانسفورماتور بدون بار

بدون مقاومت پیچشی و بدون واکنش لازم

بیایید یک ترانسفورماتور الکتریکی با تنها زیان‌های هسته‌ای در نظر بگیریم، یعنی تنها زیان‌های هسته‌ای دارد اما بدون زیان مس و بدون واکنش لازم. وقتی یک منبع متناوب به بخش اولیه اعمال می‌شود، منبع جریان را برای مغناطیس‌سازی هسته ترانسفورماتور تأمین می‌کند.

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

به دلیل این مؤلفه زیان، جریان منبع در یک ترانسفورماتور بدون بار که از منبع تأمین می‌شود دقیقاً ۹۰ درجه پشت سر می‌ماند ولی با یک زاویه θ که کمتر از ۹۰ درجه است، پشت سر می‌ماند. اگر جریان کلی از منبع Io باشد، یک مؤلفه آن با ولتاژ V1 همزمان خواهد بود و این مؤلفه جریان Iw مؤلفه زیان است.

این مؤلفه به علت مرتبط بودن با زیان‌های فعال یا کارکردی در ترانسفورماتور با ولتاژ منبع همزمان است. مؤلفه دیگر جریان منبع با Iμ نشان داده می‌شود.

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

حالا دیدید که چقدر ساده است تا تئوری ترانسفورماتور را در حالت بدون بار توضیح دهید.

تئوری ترانسفورماتور با بار

بدون مقاومت پیچشی و واکنش لازم

حالا رفتار ترانسفورماتور فوق را در حالت بار، یعنی زمانی که بار به سطوح ثانویه متصل می‌شود، بررسی خواهیم کرد. یک ترانسفورماتور با زیان‌های هسته‌ای اما بدون زیان مس و واکنش لازم در نظر بگیرید. هرگاه بار به پیچش ثانویه متصل شود، جریان بار از طریق بار و پیچش ثانویه جریان خواهد یافت.

این جریان بار کاملاً به ویژگی‌های بار و همچنین ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور بستگی دارد. این جریان جریان ثانویه یا بار نامیده می‌شود و در اینجا با I2 نشان داده می‌شود. زیرا I2 از طریق ثانویه جریان می‌یابد، یک MMF خودکار در پیچش ثانویه تولید می‌شود. در اینجا N2I2 است، که N2 تعداد دورهای پیچش ثانویه ترانسفورماتور 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 سعی می‌کند EMF خودالحاظ E1 را کاهش دهد. اگر E1 کمتر از ولتاژ اولیه V1 شود، جریان اضافی از منبع به پیچش اولیه خواهد رفت.

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

اولی برای مغناطیس‌سازی هسته و جبران زیان‌های هسته، یعنی Io است. این مؤلفه بخش بدون بار جریان اولیه است. مؤلفه دوم برای جبران میدان مغناطیسی مخالف پیچش ثانویه استفاده می‌شود. این مؤلفه به عنوان مؤلفه بار جریان اولیه شناخته می‌شود. بنابراین جریان اولیه کلی I1 یک ترانسفورماتور الکتریکی بدون مقاومت پیچشی و واکنش لازم می‌تواند به صورت زیر نمایش داده شود

که در آن θ2 زاویه بین ولتاژ ثانویه و جریان ثانویه ترانسفورماتور است.
حالا یک قدم بیشتر به سمت جنبه عملی‌تر ترانسفورماتور می‌رویم.

تئوری ترانسفورماتور با بار، با پیچش مقاومتی اما بدون واکنش لازم

حالا، مقاومت پیچش ترانسفورماتور را در نظر بگیرید اما بدون واکنش لازم. تاکنون ترانسفورماتوری که پیچش‌های ایده‌آل دارد، یعنی پیچش‌هایی بدون مقاومت و واکنش لازم را بحث کردیم، اما حالا ترانسفورماتوری را در نظر می‌گیریم که مقاومت داخلی در پیچش دارد اما بدون واکنش لازم. چون پیچش‌ها مق