تلفات ترانسفورماتور

ترانسفورماتور یا به عبارت دیگر ” Transformer ” به عنوان کلیدی‌ترین عناصر در انتقال انرژی الکتریکی محسوب می شود. تلفات ترانسفورماتورها از مهم‌ترین موضوعات مربوط به حوزه ترانسفورماتورهاست. محاسبه این تلفات نیاز به دانش و مهارت فنی و آکادمیک دارد. تلفات ترانسفورماتورها موجب کاهش راندمان آن‌ها می‌شود، هرچند ترانسفورماتورها جز تجهیزات با راندمان بالا محسوب می‌شوند.

ویدئوی زیر در ارتباط با انواع تلفات انرژی در ترانسفورماتورها تهیه شده است.

تلفات ترانسفورماتورها

از آن‌جا که بازده ترانسفورماتورها مانند سایر تجهیزات الکتریکی ۱۰۰% نیست، بنابراین اتلافی در عملکرد آن‌ها وجود دارد. تلفات در ترانسفورماتور به چهار نوع زیر تقسیم می‌شود.

تلفات هسته ترانسفورماتور

همان‌گونه که در تصویر بالا ملاحظه می‌شود، تلفات هسته ترانسفورماتور خود بر دو نوع است: تلفات جریان ادی و تلفات هیسترزیس. هر کدام از این تلفات در زیر توضیح داده شده است.

تلفات جریان ادی

از این تلفات با نام‌های دیگری چون تلفات جریان گردابی و تلفات جریان فوکو نیز یاد می‌شود. جریان ادی (گردابی یا فوکو) در حقیقت به جریان‌هایی گفته می‌شود که در یک جسم رسانا در اثر وجود یک میدان‌ مغناطیسی متغیر با زمان، القا می‌شود.

میدان مغناطیسی متغیر ناشی از یکی از عوامل: جریان متناوب یا حرکت نسبی رسانا و میدان مغناطیسی باشد. وجود این میدان مغناطیسی جریان‌های ادی را در رسانا ایجاد می‌کند. جریان‌های ایجاد شده در اثر این میدان مغناطیسی متغیر، خود میدان مغناطیسی جدیدی تولید می‌کنند. طبق قانون لنز این میدان‌های مغناطیسی با تغییر در میدان مغناطیسی اولیه مخالفت می‌کنند، که این موضوع خود سبب اتلاف انرژی در ترانسفورماتورها می‌گردد.

فرمول محاسبه تلفات جریان ادی به شکل زیر است:

در این فرمول f فرکانس منبع، B_m حداکثر اندازه میدان مغناطیسی و Ƭ ضخامت است.

در راستای کاهش تلفات جریان ادی هسته‌ ترانسفورماتورها را به شکل ورقه ورقه می‌سازند. این کار موجب می‌شود تا جریان ایجاد شده در اثر میدان مغناطیسی در مقاطعی کوچک اسیر شود و به سایر بخش‌های هسته منتقل نشود.

تلفات هیسترزیس

تلفات هیسترزیس که به نام تلفات پسماند مغناطیسی نیز شناخته می‌شود، ناشی از کاهش و افزایش حوزه مغناطیسی در اثر مثبت و منفی شدن جریان است. در حقیقت با تغییر جهت جریان، جهت اتم‌های تشکیل دهنده هسته نیز تغییر می‌کند که این امر باعث اصطکاک و گرم شدن هسته می‌شود.

جنس هسته ترانسفورماتور از مواد فرومغناطیس است. خاصیت مواد فرومغناطیس این است که پس از عبور شار مغناطیسی از آن‌ها، مانند یک آهن‌ربا عمل می‌کنند و تمام دوقطبی‌های آن در یک جهت و به شکل موازی مرتب می‌شوند. پس از حذف میدان مغناطیسی بیشتر دوقطبی‌ها به حالت قبل و در جهت‌های تصادفی قرار می‌گیرند، اما این موضوع در مورد همه دوقطبی‌ها صادق نیست. به منظور خنثی کردن مغناطیس شوندگی این دوقطبی‌ها به یک نیروی محرکه مازاد در جهت خلاف نیاز است. این نیروی محرکه مازاد، همان تلفات هیسترزیس است.

محاسبه تلفات هیسترزیس

تلفات هیسترزیس برابر است با مساحت نموداری که در زیر ملاحظه می‌کنید و از فرمول زیر محاسبه می‌شود. این تلفات وابسته به فرکانس و جنس هسته است.

در این فرمول K_h ثابت هیسترزیس است که بسته جنس ماده فرومغناطیس و ابعاد هسته متفاوت است. f فرکانس، B_m چگالی شار بیشینه و n ثابتی است که به صورت تجربی به دست می‌آید.

تلفات مسی یا اهمی

تلفات مسی که با نام تلفات اهمی نیز شناخته می‌شود، ناشی از مقاومت سیم‌پیچ‌های سمت اولیه و ثانویه ترانسفورماتورها در برابر جریان است. این تلفات با توان دوم جریان متناسب است.

تلفات تغییر شکل بر اثر مغناطیس

در اثر ایجاد شار مغناطیسی در هسته، به دلیل فرومغناطیس بودن مواد هسته در ورقه‌ها انبساط و انقباض صورت می‌گیرد، که موجب تغییر شکل هسته می‌شود. اگر تاکنون صدای وز وز یک ترانسفورماتور را شنیده‌اید، به دلیل وجود این پدیده است. گرمای بوجود آمده در اثر این پدیده موجب اتلاف انرژی می‌شود.

تلفات مکانیکی

تغییر شکل ایجاد شده در اثر مغناطیس موجب حرکت برخی از قطعات ترانسفورماتور (به ویژه اگر به خوبی محکم نشده باشند) می‌شود. این تحرکات مکانیکی موجب اتلاف انرژی می‌شود.

بازده (راندمان) ترانسفورماتور

به طور کلی بازده یک ترانسفورماتور از تقسیم توان خروجی بر توان ورودی محاسبه می‌گردد. در حقیقت توان ورودی در این رابطه مجموع توان خروجی و تلفات است. تلفات ترانسفورماتور نیز برابر است با مجموع تلفات هسته و سیم‌پیچ‌های آن. اصولا بازده ترانسفورماتورها در محدوده بین ۹۵% تا ۹۹% است.

اندازه‌گیری‌های ورودی و خروجی ترانسفورماتور در شرایط بارداری انجام نمی‌شود. این به خاطر این است که در این حالت ۱ الی ۲ درصد خطا وجود خواهد داشت. با توجه به راندمان بالای ترانسفورماتورها چشم‌پوشی از این مقدار خطا منطقی به نظر نمی‌رسد.

به همین منظور از تست‌های مدار باز (Open Circuit) و اتصال کوتاه (Short Circuit) به منظور محاسبات تلفات هسته و سیم‌پیچ استفاده می‌شود.