ترانسفورماتور(Transformer) یک المان الکتریکی است که در حیطه های برق الکترونیک و برق قدرت کاربرد دارد و در ابعاد مختلف در سیستم های الکترونیکی و همچنین در سیستم های قدرت الکتریکی وجود داشته و از آن استفاده می شود. وظیفه اصلی ترانسفورماتورها تبدیل سطوح ولتاژ متناوب است و کاربردهای بسیار مختلفی دارند. در این مقاله، ابتدا نحوه عملکرد ترانسفورماتور و روابط اصلی حاکم بر ترانسفورماتورها را بررسی می کنیم و سپس به موضوع ظرفیت ترانسفورماتورها و روابط آن می پردازیم.
عملکرد ترانسفورماتور
ترانسفورماتور بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی که توسط مایکل فارادی در اوایل قرن 19 کشف شد، عمل می کند. ساختار اصلی یک ترانسفورماتور شامل دو یا چند لایه سیم پیچ با سیم دارای عایق است که به دور یک هسته مغناطیسی مشترک (از جنس فریت، فولاد و ...) پیچیده شده اند. این سیم پیچ ها به عنوان سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه شناخته می شوند.
هنگامی که یک جریان متناوب (AC) از سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور عبور می کند، موجب ایجاد یک میدان مغناطیسی متغیر در اطراف هسته می شود. این میدان مغناطیسی که دائما در حال تغییر است، ولتاژی را در سیم پیچ ثانویه القا می کند. این ولتاژ القا شده در سیم پیچ ثانویه متناسب با نسبت دور سیم پیچ اولیه و ثانویه است. رابطه ولتاژ سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور را در شکل زیر مشاهده می کنید:
که در رابطه بالا، V1و V2 به ترتیب مقادیر ولتاژ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور بوده و N1 و N2 نمایش دهنده تعداد دور اولیه و ثانویه ترانسفورماتور می باشد.
ظرفیت ترانسفورماتور
به حداکثر مقدار توان الکتریکی که یک ترانسفورماتور می تواند از ورودی به سمت خروجی منتقل کند، ظرفیت ترانسفورماتور می گویند. این ظرفیت معمولاً بر حسب ولت آمپر (VA) یا کیلو ولت آمپر (kVA) بیان می شود و نشان دهنده مقدار توانی است که یک ترانسفورماتور می تواند بدون عبور از محدودیت های طراحی شده خود تحمل کند.
از دیدگاه فیزیکی، ظرفیت ترانسفورماتور بر اساس نحوه طراحی و ساخت آن تعیین می شود. طراحی و ساخت شامل مواردی همانند اندازه هسته ترانسفورماتور، تعداد سیم پیچ ها، قطر سیم ها، نوع سیستم خنک کننده و کیفیت مواد مورد استفاده در ترانسفورماتور می باشد. دانستن ظرفیت ترانسفورماتور برای استفاده در سیستم های قدرت همانند بخش توزیع و یا انتقال بسیار ضروری است. همچنین، ترانسفورماتورها معمولا به نحوی طراحی می شوند که توان بیشتر از ظرفیت خود را تا مدتی محدود تحمل کنند تا در شرایط اضطراری دچار مشکل نشوند.
به عنوان مثال، اگر یک ترانسفورماتور دارای برچسب ظرفیت 100 کیلوولت آمپر است، به این معنی است که می تواند تا 100 کیلو ولت آمپر توان ظاهری را تحمل کند. بنابراین، انتخاب ظرفیت مناسب ترانسفورماتور برای یک کاربرد معین برای اطمینان از توزیع توان کارآمد و قابل اعتماد بسیار مهم است.
محاسبه ظرفیت ترانسفورماتور
در این بخش، به بررسی روابط مربوط به محاسبه ظرفیت ترانسفورماتورهای تک فاز و سه فاز که به آن توان ظاهری ترانسفورماتور هم گفته می شود، پرداخته شده است. ظرفیت معمولاً بر حسب ولت آمپر (VA) برای ترانسفورماتورهای کوچک و کیلو ولت آمپر (kVA) و یا مگاولت آمپر (MVA) برای ترانسفورماتورهای متوسط و بزرگ بیان می شود.
الف) ظرفیت نامی ترانسفورماتور تک فاز
ظرفیت نامی ترانسفورماتور تک فاز را می توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد:
ظرفیت نامی (VA یا kVA) = حداکثر ولتاژ قابل تحمل (ولت) × حداکثر جریان قابل تحمل (آمپر)
به عنوان مثال، اگر یک ترانسفورماتور تک فاز با ولتاژ 240 ولت و جریان 50 آمپر دارید، ظرفیت نامی(حداکثر) آن به صورت زیر محاسبه می شود:
ب) ظرفیت نامی ترانسفورماتور سه فاز
همچنین، ظرفیت نامی ترانسفورماتور سه فاز را با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود:
ظرفیت نامی (VA یا kVA) = 3√ × حداکثر ولتاژ قابل تحمل (ولت) × حداکثر جریان قابل تحمل (آمپر)
به عنوان مثال، اگر یک ترانسفورماتور سه فاز با ولتاژ 480 ولت و جریان 100 آمپر دارید، ظرفیت نامی برابر خواهد بود با:
باید توجه داشت که روابط ذکر شده در بالا، مقدار ظرفیت و یا توان ظاهری ترانسفورماتور را محاسبه می کنند، که حاصل ضرب ولتاژ و جریان بدون در نظر گرفتن ضریب توان است. در کاربردهای عملی، ظرفیت انتقال توان واقعی (قدرت واقعی) ممکن است به دلیل ملاحظات ضریب توان کمتر از توان ظاهری باشد. ضریب توان نسبت توان حقیقی (توانی که کار انجام می دهد) به توان ظاهری است و معیاری برای سنجش کارایی استفاده از توان در سیستم است. برای محاسبه توان اکتیو یا همان توان حقیقی می توان مقدار توان ظاهری را در مقدار ضریب توان (cosϕ) که در پلاک ترانسفورماتور نوشته شده است ضرب کرد. به طور مثال یک ترانسفورماتور 10kVA با ضریب قدرت cosϕ=0.9، دارای 9 کیلووات توان حقیقی خواهد بود.
جمع بندی
در این مقاله، ابتدا توضیحاتی در مورد عملکرد ترانسفورماتور و ظرفیت آن ارائه گردید و سپس روابط مربوط به ظرفیت ترانسفورماتورهای تکفاز و سه فاز و همچنین، نحوه محاسبه توان حقیقی ترانسفورماتور مورد بحث و بررسی قرار گرفت.
تمامی موارد فوق را به صورت عملی همراه با نکات تجربی دیگر در مورد ترانسفورماتورها به طور کامل در دوره جامع آموزش الکترونیک بررسی کرده ایم.
در پایان، ممنون که همراه ما بودید. هر سوال یا ابهامی در مورد مطالب ارائه شده در این مقاله دارید حتما در کامنت ها بنویسید، به تمام سوالات پاسخ داده میشه. اگه انتقاد یا پیشنهادی هم داشتید ممنون میشم با ما در میان بزارید.
