چکیده: در نیروگاه های بزرگ، ترانسفورماتور ( Transformator) یکی از اجزای اصلی سیستم انتقال برق می باشد. ترانسفورماتور با استفاده از القای متقابل بین دو هسته اصلی، باعث ایجاد نواسان در جریان برق شده و انتقال برق به شکل موج سینوسی را میسر می سازد.
نحوه کار ترانسفورماتور
کارکرد ترانسفورماتور (مبدل) به خطوط مغناطیسی نیرو (شار) وابسته است. یک ترانسفورماتور به صورت اولیه توسط جریان متناوب (AC) برق دار می شود و جریانی از الکترون ها (جریان) آغاز می شود. در مدت زمان بسته شدن سوییچ، جریان ایجاد می شود و میدان مغناطیسی تولید می شود.
با توجه به این که جریان آغاز گر بخش مثبت موج سینوسی است، خطوط نیروی مغناطیسی (شار) به سمت خارج سیم توسعه پیدا می کنند و تا زمانی که جریان در پیک (مقدار حداکثر) مثبتش قرار گیرد ادامه پیدا می کند. این میدان مغناطیسی نیز در پیک مثبتش قرار دارد. سپس موج سینوسی جریان شروع به کم شدن می کند و از مقدار صفر عبور می کند و این روند ادامه پیدا می کند تا به مقدار پیک منفی اش برسد.
شار مغناطیسی جهت را تغییر می دهد و به مقدار پیکش در جهت مخالف می رسد.
در یک مدار الکتریکی با جریان متناوب، جریان (تناوب ها) به صورت پیوسته ۶۰ بار در ثانیه تغیر می کند که این مقدار در ایالات متحده استاندارد است و سایر کشور ها ممکن است از فرکانس های دیگر استفاده کنند. در اروپا تعداد ۵۰ سیکل در ثانیه متداول است.
قدرت میدان الکتریکی به میزان جریان و تعداد چرخش ها در سیم پیچ بستگی دارد. زمانی که جریان کاهش می یابد، میدان مغناطیسی کاهش می یابد. هنگامی که جریان قطع می شود میدان مغناطیسی افت می کند.
- هنگامی که سیم پیچ در مدار جریان متناوب (AC) قرار می گیرد، جریان در هسته اولیه توسط یک میدان مغناطیسی که به طور ثابت افزایش و کاهش می یابد همراه خواهد بود. هنگامی که سیم پیچ دیگر در میدان مغناطیسی متناوب سیم پیچ اول قرار می گیرد، شار افزایشی و کاهشی سبب القا ولتاژ در سیم پیچ دوم می شود.
هنگامی که مدار خارجی به سیم پیچ دوم متصل می شود، ولتاژ القایی در سیم پیچ سبب ایجاد جریان در سیم پیچ دوم می شود. در این حالت گفته می شود که این سیم پیچ ها به صورت مغناطیسی به یکدیگر متصل شده اند با این که آن ها از نظر الکتریکی از یکدیگر تفکیک شده اند. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است بسیاری از ترانسفورماتور ها دارای سیم پیچ های مجزا هستند و حاوی دور سیم های بسیاری و یک هسته مغناطیسی هستند که مسیری را شکل می دهد و شار مغناطیسی را متمرکز می کند.
- سیم پیچی که انرژی الکتریکی را از منبع دریافت می کند به سیم پیچ اولیه نامیده می شود و سیم پیچی که انرژی را از سیم پیچ اولیه توسط میدان مغناطیسی دریافت می کند سیم پیچ ثانویه نامیده می شود.
- سیم پیچ با ولتاژ زیاد یا کم می تواند اولیه یا ثانویه باشد.
با وجود GSU ها در نیروگاه های برق، سیم پیچ اولیه بخش ولتاژ کم است (ولتاژ ژنراتور) و بخش ولتاژ بالا مربوط به سیم پیچ ثانویه است (ولتاژ انتقال).
در جایی که توان الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد ( مانند محل زندگی یا کسب و کار) سیم پیچ اولیه بخش ولتاژ زیاد است و سیم پیچ ثانویه سمت ولتاژ کم است.
میزان ولتاژ القا شده در هر دور از سیم پیچ ثانویه همانند ولتاژ در میان هر دور از سیم پیچ اولیه خواهد بود. میزان کل ولتاژ القایی برابر با جمع ولتاژ های القا شده در هر دور خواهد بود.
بنابراین اگر سیم پیچ ثانویه دارای تعداد دور های بیشتری نسبت به سیم پیچ اولیه باشد، ولتاژ عظیمی در ثانویه القا خواهد شد و این ترانسفورماتور به عنوان یک ترانسفورماتور افزاینده شناخته می شود. اگر سیم پیچ ثانویه دارای تعداد دور های کمی نسبت به سیم پیچ اولیه باشد آنگاه ولتاژ کمی در ثانویه القا خواهد شد و این ترانسفورماتور به عنوان یک ترانسفورماتور کاهنده نامیده می شود.
- توجه داشته باشید که سیم پیچ اولیه همواره به مبنع توان الکتریکی متصل است و سیم پیچ ثانویه همواره به بار الکتریکی متصل است.
در کاربرد های واقعی میزان توان الکتریکی قابل دسترسی از سیم پیچ ثانویه تا حدی کمتر از میزان توان الکتریکی تغذیه شده در سوی سیم پیچ اولیه است چرا که دلیل آن تلفات توان موجود در خود ترانسفورماتور است. هنگامی که یک ژنراتور جریان متناوب به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور متصل می شود، الکترون ها از طریق سیم پیچ به دلیل وجود ولتاژ ژنراتور به جریان در می آیند و حرکت می کنند.
جریان متناوب تغییر می کند و به همراه آن نیز شار مغناطیسی تغییر می کند و سیم پیچ های ترانسفورماتور و ولتاژ القایی در هر مدار سیم پیچ را قطع می کند.
ولتاژ القا شده در مدار اولیه در جهت مخالف ولتاژ اعمال شده است و به عنوان ولتاژ تماسی یا نیرو محرکه ی الکتریکی تماسی ( EMF تماسی) نامیده می شود. هنگامی که مدار ثانویه باز می شود، EMF تماسی هم راستا با مقاوت مدار اولیه برای محدود کردن جریان اولیه اقدام می کند.
- جریان اولیه می بایست به اندازه ای باشد تا بتواند میدان مغناطیسی کافی را برای تولید EMF تماسی مورد نیاز تولید کند.
هنگامی که مدار ثانویه بسته می شود و بار الکتریکی اعمال می شود، جریان در ثانویه به علت ولتاژ القایی ظاهر می شود که حاصل شار ایجاد شده توسط جریان اولیه است. این جریان ثانویه میدان مغناطیسی ثانویه را در ترانسفورماتور در جهت مخالف میدان اولیه ایجاد می کند.
بنابراین این دو میدان مغناطیسی در خلاف جهت یکدیگر هستند و منجر به یک میدان مغناطیسی ترکیب با قدرتی کمتر از میدان تولید توسط اولیه است هنگامی که مدار ثانویه باز است. این مساله سبب کاهش ولتاژ تماسی (EMF تماسی) اولیه می شود و در نتیجه جریان اولیه را افزایش می دهد.
جریان اولیه تا زمانی افزایش می یابد که به کل میدان مغناطیسی در مقدار قدرت اصلی اش برسد.
در ترانسفورماتورها همواره بایستی یک وضعیت متعادل میان میدان های مغناطیسی اولیه و ثانویه وجود داشته باشد. همواره می بایست حاصلضرب ولتاژ آمپر در هر دو سوی اولیه و ثانویه متعادل (یکسان) باشد.
ولتاژ و جریان اولیه مورد نیاز می بایست به اندازه ای باشد که بتواند تلفات ترانسفورماتور و بار ثانویه را تامین کند.
