ترانسفورماتور قدرت چگونه ولتاژ را افزایش یا کاهش می‌دهد؟

ترانسفورماتورها ولتاژ متناوب را از طریق القای الکترومغناطیسی افزایش یا کاهش می‌دهند. ولتاژ خروجی آن‌ها عمدتاً توسط نسبت تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه به تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه تعیین می‌شود.

اگر تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه بیشتر از سیم‌پیچ اولیه باشد، ترانسفورماتور ولتاژ را افزایش می‌دهد. اگر تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه کمتر باشد، ولتاژ را کاهش می‌دهد.

هرچند اصل کار ساده است، اما طراحی یک ترانسفورماتور عملی نیازمند توجه به جریان مورد نیاز، توان اسمی، فرکانس، عایق‌بندی، افزایش دما، بازده و استانداردهای ایمنی قابل اعمال است.

چه چیزی یک ترانسفورماتور ?

ترانسفورماتور دستگاه الکتریکی غیرفعالی است که انرژی را بین دو یا چند سیم‌پیچ از طریق میدان مغناطیسی متغیر منتقل می‌کند.

ترانسفورماتور عایق‌بندی شدهٔ معمولی شامل سه قسمت اصلی است:

• سیم‌پیچ اولیه: متصل به منبع تغذیهٔ ورودی
• سیم‌پیچ ثانویه: ولتاژ را به بار تأمین می‌کند
• هسته مغناطیسی: مسیری با مقاومت مغناطیسی کم برای شار مغناطیسی متناوب فراهم می‌کند

سیم‌پیچ اولیه و ثانویه معمولاً از نظر الکتریکی عایق هستند، اما از طریق هسته به‌صورت مغناطیسی به هم متصل‌اند. این عایق‌بندی می‌تواند ایمنی الکتریکی را بهبود بخشد و اتصال هادی مستقیم بین ورودی و خروجی را جلوگیری کند.

با این حال، همهٔ ترانسفورماتورها عایق‌بندی ارائه نمی‌دهند. ترانسفورماتور اتو ترانسفورمر اتو ترانسفورماتور، برای مثال، از یک سیم‌پیچ مشترک استفاده می‌کند و بنابراین جداسازی گالوانیکی یکسانی ارائه نمی‌دهد.

چگونه یک ترانسفورمر کار می‌کند؟

عملکرد ترانسفورماتور بر پایهٔ قانون القای الکترومغناطیسی فارادی شارِ جَهش‌نَکردهٔ مغناطیسی که از سیم‌پیچی عبور می‌کند، نیروی محرکهٔ الکتریکی را در آن سیم‌پیچ القا می‌کند.

این فرآیند را می‌توان در سه مرحله درک کرد.

۱. سیم‌پیچ اولیه شار مغناطیسی تولید می‌کند

وقتی ولتاژ متناوبی به سیم‌پیچ اولیه اعمال می‌شود، جریان متناوبی ایجاد می‌گردد. این جریان شار مغناطیسی متغیری را در هستهٔ ترانسفورماتور ایجاد می‌کند.

۲. هسته شار مغناطیسی را اتصال می‌دهد

هستهٔ مغناطیسی بیشترین بخش شار متغیر را از طریق هر دو سیم‌پیچ هدایت می‌کند. مواد تشکیل‌دهندهٔ هسته و روش‌های ساخت آن برای دستیابی به اتصال مغناطیسی مؤثر و در عین حال کاهش تلفات ناشی از جریان‌های گردابی و هیسترزیس انتخاب می‌شوند.

۳. سیم‌پیچ ثانویه ولتاژی تولید می‌کند

از آنجا که شار متغیر هسته از سیم‌پیچ ثانویه عبور می‌کند، ولتاژی را در آن سیم‌پیچ القا می‌کند. ولتاژ القاشده با افزایش تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه افزایش می‌یابد.

این رابطه مستقیماً از قانون فارادی پیروی می‌کند و اساس ترانسفورماتورهای افزاینده و کاهندهٔ ولتاژ را تشکیل می‌دهد. OpenStax University Physics فرمول‌های ترانسفورماتور را به‌صورت دقیق و گام‌به‌گام استخراج می‌کند.

The ترانسفورماتور فرمول نسبت دور

برای یک ترانسفورماتور ایده‌آل:

Vs ÷ Vp = Ns ÷ Np

جایی که:

• Vp = ولتاژ ورودی سیم‌پیچ اولیه
• Vs = ولتاژ خروجی سیم‌پیچ ثانویه
• Np = تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه
• Ns = تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه

بنابراین نسبت ولتاژ برابر با نسبت تعداد دورهای سیم‌پیچ است.

ترانسفورماتور افزاینده

ترانسفورماتور ولتاژ را افزایش می‌دهد وقتی:

Ns > Np

بنابراین:

Vs > Vp

پیچ‌های سیم‌پیچ ثانویه بیشتر از پیچ‌های سیم‌پیچ اولیه است، بنابراین ولتاژ ثانویه بیشتر از ولتاژ اولیه است.

تبدیل‌کننده کاهنده

ترانسفورماتور ولتاژ را زمانی کاهش می‌دهد که:

Ns < Np

بنابراین:

Vs < Vp

پیچ‌های سیم‌پیچ ثانویه کمتر از پیچ‌های سیم‌پیچ اولیه است، بنابراین ولتاژ ثانویه کمتر از ولتاژ اولیه است.

ترانسفورماتور جداسازی یک‌به‌یک

زمانی که تعداد پیچ‌های سیم‌پیچ اولیه و ثانویه تقریباً برابر باشد:

Ns = Np

بنابراین:

Vs ≈ Vp

ولتاژ خروجی تقریباً برابر با ولتاژ ورودی است.

نمونه‌ای عملی از ترانسفورماتور کاهنده

فرض کنید ترانسفورماتوری باید ولتاژ متناوب ۲۳۰ ولت را به ولتاژ متناوب ۲۴ ولت تبدیل کند.

نسبت لازم دورهای سیم‌پیچ عبارت است از:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = ۲۴ / ۲۳۰

Ns / Np ≈ ۰٫۱۰۴

اگر سیم‌پیچ اولیه دارای ۱۰۰۰ دور باشد:

Ns = ۱۰۰۰ × ۰٫۱۰۴

Ns ≈ ۱۰۴ دور

بنابراین، سیم‌پیچ ثانویهٔ ایده‌آل تقریباً ۱۰۴ دور خواهد داشت.

در ترانسفورماتوری عملی، سازنده ممکن است تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه را برای جبران مقاومت سیم‌پیچ و افت ولتاژ تحت بار افزایش دهد.

مثالی از ترانسفورماتور افزایندهٔ عملی

فرض کنید ترانسفورماتوری باید ولتاژ را از ۱۲۰ ولت AC به ۲۴۰ ولت AC افزایش دهد.

نسبت لازم دورهای سیم‌پیچ عبارت است از:

Ns / Np = ۲۴۰ / ۱۲۰

Ns / Np = ۲

اگر سیم‌پیچ اولیه ۵۰۰ دور داشته باشد:

Ns = ۵۰۰ × ۲

Ns = ۱٬۰۰۰ دور

بنابراین، سیم‌پیچ ثانویه به تقریب دو برابر سیم‌پیچ اولیه نوبت نیاز دارد.

جریان چه اتفاقی می‌افتد؟

ترانسفورماتور جریان را در جهتی مخالف ولتاژ تغییر می‌دهد.

برای یک ترانسفورماتور ایده‌آل، توان ورودی برابر با توان خروجی است:

Vp × Ip = Vs × Is

جایی که:

• Vp = ولتاژ اولیه
• Ip = جریان اولیه
• Vs = ولتاژ ثانویه
• Is = جریان ثانویه

نسبت جریان عبارت است از:

آی‌اس تقسیم بر آی‌پی برابر است با ان‌پی تقسیم بر ان‌اس

بنابراین:

• ترانسفورماتور افزاینده: ولتاژ افزایش می‌یابد و جریان قابل‌دسترس کاهش می‌یابد.
• ترانسفورماتور کاهنده: ولتاژ کاهش می‌یابد و جریان قابل‌دسترس افزایش می‌یابد.

ترانسفورماتور انرژی اضافی ایجاد نمی‌کند. در یک ترانسفورماتور واقعی، توان خروجی به‌دلیل تلفات مسی، تلفات هسته و سایر تلفات، کمی کمتر از توان ورودی است.

چرا سیم‌پیچ ولتاژ پایین از سیم ضخیم‌تری استفاده می‌کند؟

سیم‌پیچ ثانویهٔ یک ترانسفورماتور کاهنده معمولاً جریان بیشتری را نسبت به سیم‌پیچ اولیه حمل می‌کند؛ بنابراین معمولاً نیازمند سیم ضخیم‌تری است.

اندازهٔ رسانا باید بر اساس موارد زیر انتخاب شود:

• جریان مؤثر (RMS)
• چگالی جریان مجاز
• دمای پیچش
• دمای محیط
• چرخه کاری
• شرایط خنک‌سازی
• ضخامت عایق
• فضای موجود برای سیم‌پیچی

استفاده از سیمی با قطر بسیار کوچک، مقاومت، افت ولتاژ، تلفات مسی و دمای پیچش را افزایش می‌دهد. دمای بیش از حد می‌تواند عمر عایق را کوتاه کرده و خطر ایمنی ایجاد کند.

در ترانسفورماتور افزایش‌دهنده، سیم‌پیچ ولتاژ بالاتر معمولاً از سیم نازک‌تر با تعداد دور بیشتر استفاده می‌کند، زیرا جریان کمتری را حمل می‌کند. اندازه دقیق هادی همچنان نیازمند محاسبه مهندسی است.

چرا از ترانسفورماتورها در انتقال توان استفاده می‌شود؟

برای توان انتقالی معین، افزایش ولتاژ، جریان را کاهش می‌دهد:

I = P / V

جایی که:

• I = جریان
• P = توان
• V = ولتاژ

با افزایش ولتاژ، جریان لازم برای انتقال توان یکسان کاهش می‌یابد.

از آنجا که جریان در این معادله به توان دو رسیده است، کاهش جریان می‌تواند گرمایش هادی و تلفات انتقال را به‌طور قابل توجهی کاهش دهد.

بنابراین سیستم‌های تأمین توان از ترانسفورماتورهای افزایش‌دهنده ولتاژ برای افزایش ولتاژ تولیدکننده در انتقال بلندمدت استفاده می‌کنند. در نزدیکی نقطه مصرف، ترانسفورماتورهای کاهش‌دهنده ولتاژ را به سطوح مناسب توزیع و مصرف کاهش می‌دهند. وزارت انرژی ایالات متحده نیز به‌همین‌گونه توضیح می‌دهد که انتقال با ولتاژ بالا جریان مورد نیاز را کاهش داده و تلفات خطوط را کم می‌کند. وزارت انرژی ایالات متحده

آیا ترانسفورماتور می‌تواند با جریان مستقیم کار کند؟

ترانسفورماتور معمولی نیازمند شار مغناطیسی متغیر است و بنابراین نمی‌تواند ولتاژ جریان مستقیم پایدار را به‌طور مداوم تبدیل کند.

اگر جریان مستقیم پایدار مستقیماً به سیم‌پیچ ترانسفورماتور استاندارد اعمال شود:

• پس از گذشت حالت گذرا، هیچ عمل ترانسفورماتوری مداومی رخ نمی‌دهد.
• جریان سیم‌پیچ ممکن است به سطح خطرناکی افزایش یابد.
• هسته ممکن است اشباع شود.
• سیم‌پیچ ممکن است بیش از حد گرم شده یا از کار بیفتد.

منابع تغذیه الکترونیکی می‌توانند ولتاژ جریان مستقیم را با ابتداً سوئیچ کردن آن در یک فرکانس کنترل‌شده تبدیل کنند. موج متناوب حاصل سپس می‌تواند یک ترانسفورماتور با فرکانس بالا یا یک القاء‌کننده جفت‌شده را به کار بیندازد. این روش عملکرد بسیاری از مبدل‌های فلای‌بک، فوروارد، پوش-پول، نیم‌پل و تمام‌پل است.

تفاوت مهم این است که یک ترانسفورماتور معمولی نمی‌تواند جریان مستقیم ثابت را مستقیماً تبدیل کند؛ بلکه ابتدا باید جریان مستقیم به‌صورت الکترونیکی سوئیچ شود.

معادلات ایده‌آل در مقابل عملکرد واقعی ترانسفورماتور

معادله نسبت دوره‌ها برای یک ترانسفورماتور ایده‌آل صادق است. ترانسفورماتورهای واقعی دارای تلفات و افت ولتاژ هستند.

تلفات مسی

تلفات توان مقاومتی در یک هادی عبارت است از:

تلفات توان = I² × R

برای سازگانی بیشینه با وردپرس، این عبارت را می‌توان به‌صورت زیر نیز نوشت:

تلفات توان = I × I × R

جایی که:

• I = جریان عبوری از هادی
• R = مقاومت رسانا

ازآنجاکه جریان در این محاسبه به توان دو می‌رسد، کاهش جریان می‌تواند اتلاف‌های خط انتقال را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد.

تلفات هسته

میدان مغناطیسی متغیر متناوب باعث ایجاد اتلاف هیسترزیس و جریان‌های گردابی در هسته می‌شود. اتلاف هسته تحت تأثیر عوامل زیر قرار دارد:

• ماده هسته
• فرکانس عملیاتی
• ولتاژ اعمال‌شده
• تعداد دورهای اولیه
• مساحت مقطع عرضی هسته
• چگالی شار مغناطیسی
• ضخامت لایه بندی

شار نشتی

تمام شار مغناطیسی به هر دو سیم‌پیچ پیوند نمی‌خورد. شار نشتی بر تنظیم ولتاژ تأثیر می‌گذارد و می‌تواند تداخل الکترومغناطیسی ایجاد کند.

جریان خالی

حتی در غیاب بار روی سیم‌پیچ ثانویه، سیم‌پیچ اولیه جریانی را برای مغناطیس‌کردن هسته و جبران اتلاف‌های هسته می‌کشد.

افزایش دمای

اتلاف‌های مسی و هسته‌ای حرارت تولید می‌کنند. ترانسفورماتور باید در شرایط بار و محیطی مشخص، دمای خود را در محدوده‌ی تحمل سیستم عایقی‌اش نگه دارد.

تنظیم ولتاژ

ولتاژ خروجی معمولاً به دلیل امپدانس داخلی، بین شرایط بدون بار و بار کامل کاهش می‌یابد.

تنظیم ولتاژ را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

تنظیم ولتاژ (%) = [(Vبدون‌بار − Vبا بار کامل) ÷ Vبا بار کامل] × ۱۰۰

به همین دلیل، سازندگان ممکن است ولتاژ ثانویهٔ بدون بار را کمی بالاتر از ولتاژ خروجی نامی طراحی کنند.

آیا فرکانس بر طراحی ترانسفورماتور تأثیر می‌گذارد؟

بله. فرکانس یک پارامتر طراحی حیاتی است.

برای یک موج سینوسی، ولتاژ تقریبی مؤثر (RMS) هر سیم‌پیچ با فرکانس، تعداد دورها، سطح مقطع هسته و چگالی شار ماکزیمم از رابطهٔ زیر مرتبط است:

V = ۴٫۴۴ × f × N × A × Bmax

جایی که:

• V = ولتاژ مؤثر سیم‌پیچ
• f = فرکانس کاری بر حسب هرتز
• N = تعداد دورهای پیچش
• A = سطح مقطع مؤثر هسته
• Bmax = بیشترین چگالی شار مغناطیسی

ترانسفورماتور ۶۰ هرتزی را نباید به‌طور خودکار در فرکانس ۵۰ هرتز و با همان ولتاژ به‌کار برد. کاهش فرکانس ممکن است چگالی شار مغناطیسی را افزایش دهد که منجر به اشباع هسته، جریان بیش‌ازحد، نویز و گرم‌شدن بیش‌ازحد می‌شود.

سازنده باید پیش از تکمیل طراحی، فرکانس واقعی و محدوده ولتاژ ورودی را بداند.

چگونه یک ترانسفورماتور افزاینده یا کاهنده را مشخص کنیم

مشخصات حرفه‌ای یک ترانسفورماتور باید فراتر از ولتاژ ورودی و خروجی باشد.

هنگام درخواست طراحی یا نقل‌قول، اطلاعات زیر را ارائه دهید:

• ولتاژ ورودی نامزد
• کمترین و بیشترین ولتاژ ورودی
• فرکانس ورودی
• ولتاژ یا ولتاژهای خروجی مورد نیاز
• جریان خروجی پیوسته
• جریان اوج و مدت زمان آن
• نوع بار
• رتبه‌بندی مورد نیاز وات-آمپر
• چرخه کاری
• بیشترین ابعاد مجاز
• روش نصب
• نیازمندی‌های سیم راهنما یا ترمینال
• دمای محیط
• شرایط خنک‌کنندگی و پوشش
• حداکثر افزایش دمای مجاز
• طبقه عایق
• نیازمندی‌های مقاومت دی‌الکتریک
• نیازمندی‌های سیستم محافظت الکترواستاتیک یا مغناطیسی
• نیازمندی‌های فیوز حرارتی یا محافظ حرارتی
• کشور یا بازار هدف
• نیازمندی‌های ایمنی و زیست‌محیطی قابل اعمال
• تعداد تخمینی تولید

فراهم‌آوردن شرایط کاری کامل به جلوگیری از انتخاب نادرست اندازه و بهبود تنظیم ولتاژ، قابلیت اطمینان و عمر خدماتی کمک می‌کند.

سوالات متداول

آیا ترانسفورماتور افزایش‌دهنده توان را افزایش می‌دهد؟

خیر. ترانسفورماتور افزایش‌دهنده ولتاژ را افزایش می‌دهد اما جریان در دسترس را کاهش می‌دهد. توان خروجی آن همواره کمی کمتر از توان ورودی است، زیرا ترانسفورماتور واقعی دارای تلفات مسی، هسته‌ای و سایر تلفات است.

آیا ترانسفورماتور کاهش‌دهنده همواره جریان بیشتری تأمین می‌کند؟

ممکن است جریان ثانویه نامی بالاتری را برای سطح تقریبی یکسانی از توان فراهم کند، اما جریان واقعی توسط بار متصل و ظرفیت نامی ترانسفورماتور تعیین می‌شود. ترانسفورماتور جریان حداکثری خود را به بار تحمیل نمی‌کند.

آیا سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به هم متصل هستند؟

در ترانسفورماتور جداکننده، این سیم‌پیچ‌ها از نظر الکتریکی از هم جدا هستند و از طریق هسته مغناطیسی به هم پیوند خورده‌اند. در ترانسفورماتور خودی، بخشی از سیم‌پیچ مشترک است؛ بنابراین معادلی از جداسازی گالوانیک وجود ندارد.

آیا یک ترانسفورماتور می‌تواند چندین ولتاژ خروجی فراهم کند؟

بله. یک ترانسفورماتور می‌تواند از چندین سیم‌پیچ ثانویه، سیم‌پیچ‌های با نقطهٔ میانی یا نقاط دسترسی روی سیم‌پیچ برای ارائهٔ ولتاژهای خروجی متفاوت استفاده کند.

چگونه ظرفیت ظاهری (VA) ترانسفورماتور را محاسبه کنم؟

برای یک ترانسفورماتور سادهٔ جریان متناوب با یک سیم‌پیچ ثانویه:

VA = Vs × Is

جایی که:

• VA = ظرفیت ظاهری ترانسفورماتور
• Vs = ولتاژ نامی سیم‌پیچ ثانویه
• Is = جریان نامی سیم‌پیچ ثانویه

مثال:

ولتاژ ثانویه = ۲۴ ولت جریان متناوب
جریان ثانویه = ۵ آمپر

VA = ۲۴ × ۵

وی‌ا = ۱۲۰ وی‌ا

برای سیم‌پیچ‌های ثانویهٔ چندگانه، مجموع وی‌ا مورد نیاز از جمع بارهای سیم‌پیچ‌ها محاسبه می‌شود، با در نظر گرفتن مناسب نوع بار، چرخه کار، بازده، تنظیم، یکسو‌سازی و افزایش دما.

ترانسفورماتورهای سفارشی افزاینده و کاهنده از دینگ‌شین

دینگ‌شین ترانسفورماتورهای سفارشی تولید می‌کند، از جمله راه‌حل‌های ترانسفورماتوری برای مشتریان و تجهیزاتی که قرار است در بازار اروپا به‌کار روند.

ترانسفورماتورها می‌توانند مطابق با الزامات الکتریکی، مکانیکی، حرارتی و کاربردی مشخص‌شده توسعه یابند، از جمله:

• ولتاژهای ورودی و خروجی سفارشی
• طراحی‌های افزاینده و کاهنده
• سیم‌پیچ‌های ثانویهٔ چندگانه
• ساختارهای EI و توروئیدال
• کاربردهای ۵۰ هرتز و ۶۰ هرتز
• رتبه‌های ولت‌آمپر سفارشی
• سیم‌های رهبر، ترمینال‌ها، براکت‌ها و گزینه‌های نصب
• سپر الکترواستاتیک
• فیوزهای حرارتی و محافظ‌های حرارتی
• سیستم‌های عایق‌بندی مخصوص کاربرد
• طراحی‌های مبتنی بر نیازهای بازار هدف مشتری

نیازهای نهایی مربوط به انطباق و گواهی‌نامه باید در طول فرآیند مهندسی و بر اساس طراحی ترانسفورماتور، تجهیزات مورد نظر و بازار مقصد تأیید شوند.

درخواست طراحی ترانسفورماتور سفارشی

آیا به ترانسفورماتوری با نسبت ولتاژ خاص، رتبه توان، ابعاد، حد دمایی یا روش نصب خاصی نیاز دارید؟

اطلاعات زیر را به دینگ‌شین ارسال کنید:

1. ولتاژ و فرکانس ورودی
2. ولتاژ و جریان خروجی مورد نیاز
3. شرایط بار پیوسته و اوج
4. بیشترین ابعاد مجاز
5. نیازمندی‌های نصب و اتصال
6. دماي عملکرد
7. بازار هدف و الزامات انطباق
8. تعداد تقریبی سفارش

امروز با دینگ‌شین تماس بگیرید تا درخواست بررسی فنی، طراحی ترانسفورماتور سفارشی، نمونه یا پیش‌فاکتور دهید.