اصول کار ترانسفورماتور

۱

ترانسفورماتور وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به وسیلهٔ دو یا چند سیم‌پیچ و از طریق القای الکتریکی از یک مدار به مداری دیگر منتقل می‌کند. به این صورت که جریان جاری در مدار اول (اولیهٔ ترانسفورماتور) موجب به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم‌پیچ اول می‌شود، این میدان مغناطیسی به نوبهٔ خود موجب به وجود آمدن یک ولتاژ در مدار دوم می‌شود که با اضافه کردن یک بار به مدار دوم این ولتاژ می‌تواند به ایجاد یک جریان ثانویه بینجامد.
ولتاژ القا شده در ثانویه VS و ولتاژ دو سر سیم‌پیچ اولیه VP دارای یک نسبت با یکدیگرند که به طور ایده آل برابر نسبت تعداد دور سیم پیچ ثانویه به سیم‌پیچ اولیه است:

Vs/Vp = Ns/Np

به این ترتیب با اختصاص دادن امکان تنظیم تعداد دور سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور، می‌توان امکان تغییر ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویهٔ ترانس را فراهم کرد.
یکی از کاربردهای بسیار مهم ترانسفورماتورها کاهش جریان پیش از خطوط انتقال انرژی الکتریکی است. دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه هادی‌های الکتریکی دارای میزان مشخصی مقاومت الکتریکی هستند، این مقاومت می‌تواند موجب اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی شود. میزان تلفات در یک هادی با مجذور جریان عبوری از هادی رابطهٔ مستقیم دارد و بنابر این با کاهش جریان می‌توان تلفات را به شدت کاهش داد. با افزایش ولتاژ در خطوط انتقال به همان نسبت جریان خطوط کاهش می‌یابد و به این ترتیب هزینه‌های انتقال انرژی نیز کاهش می‌یابد، البته با نزدیک شدن خطوط انتقال به مراکز مصرف ولتاژ خطوط در چند مرحله و باز به وسیله ترانسفورماتورها کاهش می‌یابد تا به میزان استاندارد مصرف برسد. به این ترتیب بدون استفاده از ترانسفورماتورها امکان استفاده از منابع دوردست انرژی فراهم نمی‌آمد.
ترانسفورماتورها یکی از پربازده‌ترین تجهیزات الکتریکی هستند به طوری که در برخی ترانسفورماتورهای بزرگ بازده به ۹۹٫۷۵٪ نیز می‌رسد. امروزه از ترانسفورماتورها در اندازه‌ها و توان‌های مختلفی استفاده می‌شود از یک ترانسفورماتور کوچک که در یک میکروفن قرار دارد تا ترانسفورماتورهای غول‌پیکر چند مگا ولت-آمپری. همه این ترانسفورماتورها اصول کار یکسانی دارند اما در طراحی و ساخت متفاوت هستند.

🔴 اصول کار ترانسفورماتور
بطور کلی عملکرد یک ترانسفورماتور بر دو اصل استوار است:
۱) جریان الکتریکی متناوب می‌تواند یک میدان مغناطیسی متغیر پدید آورد (الکترومغناطیس)
۲) یک میدان مغناطیسی متغیر در داخل یک حلقه سیم‌پیچ می‌تواند موجب به وجود آمدن یک جریان الکتریکی متناوب در یک سیم سیم‌پیچ دیگر شود.
ساده‌ترین طراحی برای یک ترانسفورماتور در شکل ذیل آمده‌است. جریان جاری در سیم‌پیچ اولیه موجب به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی می‌گردد. هر دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه بر روی یک هسته که دارای خاصیت نفوذپذیری مغناطیسی بالایی است (مانند آهن) پیچیده شده‌اند. بالا بودن نفوذپذیری هسته موجب می‌شود تا بیشتر میدان تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه از داخل هسته عبور کرده و به سیم‌پیچ ثانویه برسد.

۲

✅ قانون القاء فارادی:
میزان ولتاژ القا شده در سیم‌پیچ ثانویه را می‌توان به وسیله قانون فاراده به دست آورد:

۳

در فرمول بالا VS ولتاژ لحظه‌ای، NS تعداد دورهای سیم‌پیچ در ثانویه و Φ برابر مجموع شار مغناطیسی است که از یک دور از سیم‌پیچ می‌گذرد. با توجه به این فرمول تا زمانی که شار در حال تغییر از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه عبور کند ولتاژ لحظه‌ای در اولیه یک ترانسفورماتور ایده آل از فرمول زیر بدست می‌آید:

۴

و با توجه به تعداد دور سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه و این معادله ساده می‌توان میزان ولتاژ القایی در ثانویه را بدست آورد:

۵

۲

✅ معادله ایده‌آل توان:
اگر سیم‌پیچ ثانویه به یک بار متصل شده باشد جریان در سیم‌پیچ ثانویه جاری خواهد شد و به این ترتیب توان الکتریکی بین دو سیم‌پیچ منتقل می‌شود. ترانسفورماتور ایده‌آل باید کاملاً بدون تلفات کار کند و تمام توانی که به ورودی وارد می‌شود به خروجی برسد و به این ترتیب توان ورودی و خروجی باید برابر باشد و در این حالت داریم:

۶

معادله ایده آل توان:

۷

نسبتهای اساسی ترانسفورماتور

✅✅بنابر این اگر ولتاژ ثانویه از اولیه بزرگتر باشد جریان ثانویه باید به‌همان نسبت از جریان اولیه کوچکتر باشد.  بیشتر ترانسفورماتورها بازده بسیار بالایی دارند و به این ترتیب نتایج به دست آمده از این معادلات به مقادیر واقعی بسیار نزدیک خواهد بود

➿شار پراکندگی
در یک ترانسفورماتورایده آل شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ اول به طور کامل توسط سیم‌پیچ دوم جذب می‌شود اما در واقع بخشی از شار مغناطیسی در فضای اطراف پراکنده می‌شود. به شاری که در حین انتقال از مسیر خود جدا می‌شود شار پراکندگی (leakage flux) می‌گویند. این شار پراکندگی موجب به وجود آمدن اثر خود القا در سیم‌پیچ‌ها می‌شود و به این ترتیب موجب می‌شود که در هر سیکل، انرژی در سیم‌پیچ ذخیره شده و در نیمه پایانی سیکل آزاد شود. این اثر به طور مستقیم باعث ایجاد افت توان نخواهد شد اما به دلیل ایجاد اختلاف فاز موجب ایجاد مشکلاتی در تنظیم ولتاژ خواهد شد و به این ترتیب باعث خواهد شد تا ولتاژ ثانویه دقیقاً نسبت واقعی خود با ولتاژ اولیه حفظ نکند؛ این اثر به ویژه در بارهای بزرگ خود را نشان خواهد داد. به همین دلیل ترانسفورماتورهای توزیع طوری ساخته می‌شوند تا کمترین میزان تلفات پراکندگی را داشته باشند.

با این حال در برخی کاربردها، وجود تلفات پراکندگی بالا پسندیده‌است. در این ترانسفورماتورها با استفاده از روش‌هایی مانند ایجاد مسیرهای مغناطیسی طولانی، شکاف‌های هوایی یا مسیرهای فرعی مغناطیسی اقدام به افزایش شار پراکندگی می‌کنند. دلیل افزایش عمدی تلفات پراکندگی در این ترانسفورماتورها قابلیت بالای این نوع ترانسفورماتورها در تحمل اتصال کوتاه است. از این گونه ترانسفورماتورها برای تغذیه بارهای دارای مقاومت منفی مانند دستگاه‌های جوش (یا دیگر تجهیزات استفاده کننده از قوس الکتریکی)، لامپ‌های بخار جیوه و تابلوهای نئون یا ایجاد ایمنی در بارهایی که احتمال بروز اتصال کوتاه در آنها زیاد است استفاده می‌شود.

مفاهیم_پایه ترانسفورماتور (بخش چهارم)

تاثیر فرکانس
مشتق زمان در قانون فاراده نشان می‌دهد که شار در یک سیم‌پیچ، برابر انتگرال ولتاژ ورودی است. در یک ترانسفورماتور ایده‌آل افزایش شار در سیم‌پیچ به طور خطی در نظر گرفته می‌شود اما در عمل شار مغناطیسی با سرعت نسبتاً زیاد افزایش پیدا می‌کند این افزایش تا جایی ادامه دارد که شار به نقطه اشباع مغناطیسی هسته می‌رسد. به خاطر افزایش ناگهانی جریان مغناطیس کننده در یک ترانسفورماتور واقعی، همه ترانسفورماتورها باید همیشه با جریان متناوب سینوسی (نه پالسی) تغذیه شوند.

برای یک ترانسفورماتور در چگالی مغناطیسی ثابت، EMF با افزایش فرکانس افزایش می‌یابد که تأثیر آن را می‌توان از معادله عمومی EMF محاسبه کرد؛ بنابراین با استفاده از ترانسفورماتورها در فرکانس بالاتر می‌توان بهره‌وری آنها را نسبت به وزن‌شان افزایش داد چراکه یک ترانسفورماتور با حجم هسته ثابت در فرکانس بالاتر می‌تواند میزان توان بیشتری را بین سیم‌پیچ‌ها جابجا کند و تعداد دور سیم‌پیچ کمتری نیز برای ایجاد یک امپدانس ثابت نیاز خواهد بود. با این حال افزایش فرکانس می‌تواند موجب به وجود آمدن تلفات مضاعف مانند تلفات هسته و اثر سطحی در سیستم شود. در هواپیماها و برخی تجهیزات نظامی از فرکانس ۴۰۰ هرتز استفاده می‌شود چرا که با این کار گذشته از افزایش برخی تلفات می‌توان حجم تجهیزات را کاهش داد.

به طور کلی استفاده از یک ترانسفورماتور در ولتاژ نامی ولی فرکانس بیش از نامی موجب کاهش جریان مغناطیس کننده می‌شود و به این ترتیب در فرکانس کمتر از فرکانس نامی جریان مغناطیس کننده می‌تواند در حد زیادی افزایش یابد. البته استفاده از ترانسفورماتورها در فرکانسهای بیشتر یا کمتر از فرکانس نامی باید قبل از اقدام، مورد ارزیابی قرار گیرد تا شرایط ایمن برای کار ترانس مثل سنجش ولتاژها، تلفات و استفاده از سیستم خنک‌کننده خاص بررسی شود. برای مثال ترانسفورماتورها باید به وسیله رله‌های کنترل محافظتی ولتاژ به ازای فرکانس مجهز شوند تا در مقابل اضافه ولتاژهای ناشی از افزایش فرکانس محافظت شوند.

🔴 معادله عمومی EMF برای ترانسفورماتورها:
اگر شار مغناطیسی را سینوسی در نظر بگیریم رابطه بین ولتاژ E، فرکانس f، تعداد دور N، سطح مقطع هسته A و ماکزیمم چگالی مغناطیسی B از رابطه عمومی EMF و به صورت زیر به دست می‌آید:

۸

معادله عمومی EMF:

۹

مدار معادل یک ترانسفورماتور ایده آل:

ترانسفورماتور معمولاً از دو سیم پیچی اولیّه و ثانویه تشکیل شده که با یک مدار مغناطیسی یا هسته با هم ارتباط دارند. زمانی که ولتاژ متناوب به یکی از سیم پیچ ها (اولیّه) اعمال می شود، جریانی بوجود می‌آید که نیروی محرکه مغناطیسی متغیر را تشکیل داده و موجب پدید‌ آمدن شار مغناطیسی در هسته می شود. شار متغیر هر دو سیم پیچ را به هم متصل کرده و نیروی محرکه الکتریکی را در هر دوی آنها القا می کند. در سیم پیچ اولیّه این نیرو‌، نیروی ضد محرکه الکتریکی بوده و در صورتیکه ترانسفورماتور ایده آل باشد عکس ولتاژ اولیّه اعمالی است به گونه ای که هیچ جریانی عبور نمی کند. لیکن در عمل، جریان مغناطیس کننده از هسته عبور می کند. نیروی محرکه الکتریکی القاء شده در سیم پیچ ثانویه در حقیقت ولتاژ ثانویه مدار باز است.

در صورتی که بار به سیم پیچ ثانویه متصل شود، جریان عبوری از آن نیروی محرکه مغناطیسی ضد مغناطیس کننده ای بوجود می آورد که تعادل بین ولتاژ اولیّه و نیروی ضد محرکه الکتریکی را از بین می برد. جهت بازگشت به نقطه تعادل، جریان اولیّه بیشتری از منبع تغذیه، کشیده شده تا دقیقاً معادل مقدار نیروی محرکه مغناطیسی ایجاد شود و این جریان اضافی موجب تعادل آمپر دور اولیّه با ثانویه می شود. از آنجاکه هیچ تفاوتی بین ولتاژ القاء شده بین هر لایه سیم پیچ اولیّه و ثانویه وجود ندارد، لذا ولتاژ کل القاء شده در هر سیم پیچی (با شار مشترک) متناسب با تعداد دور هر سیم پیچ بوده که در معادله ذیل نشان داده شده است:

۱۰

و همچنین معادله مربوط به تعادل آمپر ـ دور مطابق ذیل می باشد:

۱۱

که در معادلات فوق E، I و N به ترتیب ولتاژ، جریان و تعداد دور در سیم پیچ های اولیّه و ثانویه می باشد. با توجه به معادلات ذکر شده نسبت ولتاژ بین دو سیم پیچ به نسبت تعداد دورها و نسبت جریان، عکس نسبت دورها می باشد. (معادلات فوق هم برای مقادیر لحظه ای و هم برای مقادیر مؤثر صادق است).
نسبت بین ولتاژ القائی و شار مغناطیسی با توجه به قانون فارادی (مقدار ولتاژ القائی متناسب با نرخ تغییر شار می باشد) و قانون لنز (قطبیت ولتاژ در جهت معکوس شار مغناطیسی است) مطابق معادله ذیل تعریف می شود:

۱۲

اما در یک ترانسفورماتور واقعی می توان نشان داد که ولتاژ القائی در هر دور، از رابطه ذیل تبعیت می کند:

۱۳

که در این رابطه: K مقدار ثابت، Ø حداکثر شار کل برحسب وبر و f فرکانس برحسب هرتز می باشد.
معادله فوق هم برای ولتاژ اولیّه و هم برای ولتاژ ثانویه صدق می کند درصورتیکه N را تعداد دور سیم پیچ متناظر با آن فرض کنیم، شکل ذیل نشان دهنده شکل فازی متناسب با یک ترانسفورماتور بدون بار و بدون در نظر گرفتن راکتانس است. معمولاً در طراحی ترانسفورماتور، افت ولتاژ بدلیل جریان بی باری در سیم پیچ اولیّه نادیده گرفته می شود.

۱۴

دیاگارم فازی ترانسفورماتور تکفاز، مدار باز با فرض نسبت دوریک به یک

۱۵

توضیحات دیاگرام فازوری:

از آنجا که ولتاژ اعمال شده به ترانسفورماتور سینوسی است: Kبرابر ۴۴/۴ بوده ورابطه فوق به رابطه زیر تبدیل می شود:

۱۶

در محاسبات مربوط به طراحی ترانسفورماتور، ولت بر دور و چگالی شار در هسته، بیشتر از شار کل اهمیت داشته لذا  می توان این کمیت ها را مطابق معادله ذیل نوشت:

۱۷

که در این معادله:
E/N : ولت بر دور که در هر دو سیم پیچ یکسان است.
Bm : حداکثر مقدار چگالی شار در هسته بر حسب تسلا
A : سطح مقطع هسته برحسب میلی متر مربع
f : فرکانس برحسب هرتز

✅نکته مهم:
حداکثر مقدار چگالی شار در هسته با توجه به نوع ورق هسته و شرایط بهره برداری ترانسفورماتور توسط طراح انتخاب می شود. سطح مقطع هسته با توجه به ابعاد استاندارد هسته ای که تولید کننده ترانسفورماتور مورد استفاده قرار می دهد انتخاب شده و فرکانس بر اساس سیستم شبکه برق‌رسانی مشخص می گردد. با مشخص شدن مقادیر این پارامترها می توان مقدار ولت بر دور را محاسبه نمود. با محاسبه ولت بر دور به آسانی می توان تعداد دورهای هر سیم پیچ را با در نظر گرفتن ولتاژ آن (ولتاژ اولیّه و ثانویه) محاسبه نمود.

مفاهیم_پایه ترانسفورماتور (بخش پنجم):

✅ راکتانس نشتی: امپدانس ترانسفورماتور
پیشتر ذکر شد که انتقال ولتاژ از اولیّه به ثانویه بصورت ایده آل نیست: اولاً کل شار بوجود آمده در سیم پیچی اولیّه در سیم پیچی ثانویه القاء نمی شود، یا به عبارت دیگر می توان گفت در ترانسفورماتور یک راکتانس نشتی وجود دارد. طراحان اولیّه ترانسفورماتور راکتانس نشتی را بعنوان یک عیب تلقی کرده و تلاش داشتند که تا حد ممکن آنرا کاهش دهند. با افزایش ظرفیت و پیچیدگی سیستم های تولید، انتقال و توزیع برق، راکتانس نشتی (یا امپدانس ترانسفورماتور با لحاظ کردن مقاومت سیم پیچی) به عنوان عامل مهمی در محدود کردن جریان اتصال کوتاه تلقی شد. از دیدگاه طراحی پست، امپدانس ترانسفورماتور به صورت درصد افت ولتاژ (یا ولتاژ اتصال کوتاه) ترانسفورماتور در بار نامی تعریف می شود. به عنوان مثال امپدانس ده درصد بدین معنی است که افت ولتاژ در بار نامی، ده درصد ولتاژ در حالت مدار باز بوده یا به عبارت دیگر، با حذف سایر امپدانس های سیستم، ولتاژ سیستم معادل ده برابر افت ولتاژ (ولتاژ اتصال کوتاه) ترانسفورماتور می باشد. این رابطه در معادله ذیل نشان داده شده است:

۱۸

✅ پارامترهای R و X به ترتیب مقاومت و راکتانس نشتی ترانسفورماتور و IFL و E به ترتیب جریان بی باری و ولتاژ اتصال کوتاه اولیّه یا ثانویه سیم پیچ ها می باشند.  R و X را نیز می توان به صورت درصد افت ولتاژ بیان نمود. طبیعتاً مقدار امپدانس درصد با افزایش توان ترانسفورماتور بیشتر می گردد. در یک ترانسفورماتور با توان نامی متوسط مقدار امپدانس درصد معمولاً بین ۹ تا ۱۰ درصد است. بعضاً برخی از ترانسفوماتورها به گونه ای طراحی می گردند که امپدانس درصدی حتی تا ۲۲٫۵ درصد داشته باشند.

✅✅ تلفات در هسته و سیم پیچی:
ترانسفورماتور دارای تلفات است. جهت عبور شار از هسته و القاء مغناطیسی، به جریان مغناطیس کننده نیاز است که خود باعث ایجاد تلفات می گردد. این تلفات به سه گروه: تلفات هسته، تلفات بی باری و تلفات آهنی تقسیم می شوند. تلفات هسته زمانی بوجود می آید که ترانسفورماتور تحت ولتاژ قرار گیرد. ترانسفورماتور در حالت مدار باز (ثانویه) مانند یک سیم پیچ با اندوکتانس بالا عمل کرده که ضریب قدرتی معادل ۰/۱۵ پس فاز دارد. جریان بار در ثانویه ترانسفورماتور و نیروی محرکه مغناطیسی که ایجاد می کند موجب جریان و نیروی محرکه مغناطیسی معادلی در اولیّه می شود. این نشان می دهد که چرا تلفات آهنی مستقل از بار است.
عبور جریان در هر سیستم الکتریکی، با توجه به دامنه جریان و مقاومت سیستم، ایجاد تلفات می کند. سیم پیچ های ترانسفورماتور نیز از این قاعده مستثنا نمی باشد. عبور جریان از سیم پیچ تلفاتی را بوجود می آورد که تلفات بار یا تلفات مس نامیده می شود. از آنجا که مقدار جریان بی باری کوچک بوده و تلفات مقاومتی ناچیزی بوجود می آورد، می توان گفت تلفات بار تنها زمانی ایجاد می شود که ترانسفورماتور تحت بار باشد.

✅✅✅ مدار معادل ترانسفورماتور:
محدودیت‌های فیزیکی یک ترانسفورماتور واقعی به صورت یک مدار نمایش داده می‌شوند. این مدار معادل از تعدادی از عوامل به وجود آورنده تلفات یا محدودیت‌ها و یک ترانسفورماتور ایده‌آل تشکیل شده‌است. تلفات توان در سیم‌پیچ یک ترانسفورماتور به طور خطی تابعی از جریان هستند و به راحتی می‌تواند آنها را به صورت مقاومت‌هایی سری با سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور نمایش داده شود؛ این مقاومت‌ها RS و RP هستند. با بررسی خواص شار پراکندگی می‌توان آن را به صورت خود القاهای XP و XS نشان داد که به صورت سری با سیم‌پیچ ایده‌آل قرار می‌گیرند. تلفات آهنی از دو نوع تلفات گردابی (فوکو) و پسماند (هیسترزیس) تشکیل شده. در بسامد ثابت این تلفات با مجذور شار هسته نسبت مستقیم دارند و از آنجایی که شار هسته نیز تقریباً با ولتاژ ورودی نسبت مستقیم دارد این تلفات را می‌توان به صورت مقاومتی موازی با مدار ترانسفورماتور نشان داد. این مقاومت همان RC است.
هسته‌ایی با نفوذپذیری محدود نیازمند جریان Im خواهد بود تا همچنان شار مغناطیسی را در هسته برقرار کند؛ بنابراین تغییرات در جریان مغناطیس کننده با تغییرات در شار مغناطیسی هم فاز خواهد بود و به دلیل اشباع پذیر بودن هسته، رابطه بین این دو خطی نخواهد بود. با این حال برای ساده کردن این تأثیرات در بیشتر مدارهای معادل این رابطه خطی در نظر گرفته می‌شود. در منابع سینوسی شار مغناطیسی ۹۰ درجه از ولتاژ القایی عقبتر خواهد بود، بنابراین این اثر را می‌توان با القاگر Xm در مدار نشان داد که به طور موازی با تلفات آهنی هسته Rc قرار می‌گیرد. Rc و Xm را در برخی موارد با هم به صورت یک شاخه در نظر می‌گیرند و آن را شاخه مغناطیس کننده می‌نامند. اگر سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور را مدار باز کنیم تمامی جریان عبوری از اولیه ترانسفورماتور جریان Io خواهد بود که از شاخه مغناطیس کننده عبور خواهد کرد این جریان را جریان بی‌باری نیز می‌نامند.
مقاومت‌های موجود در طرف ثانویه یعنی Rs و Xs نیز باید به طرف اولیه منتقل شوند. این مقاومت‌ها در واقع معادل تلفات مسی و پراکندگی در طرف ثانویه هستند و به صورت سری با سیم پیچ ثانویه قرار می‌گیرند.
مدار معادل حاصل را مدار معادل دقیق می‌نامند گرچه در این مدار معادل نیز از برخی ملاحظات پیچیده مانند اثرات غیرخطی چشم پوشی می شود.

۱۹

مدار معادل ترانسفورماتور:

۲۰

مدار معادل ترانسفورماتور انتقال یافته به سمت اولیه:

مفاهیم_پایه ترانسفورماتور (بخش ششم):

✅ تلفات در هسته و سیم پیچی:
ترانسفورماتور دارای تلفات است. جهت عبور شار از هسته و القاء مغناطیسی، به جریان مغناطیس کننده نیاز است که خود باعث ایجاد تلفات می گردد. این تلفات به سه گروه: تلفات هسته، تلفات بی باری و تلفات آهنی تقسیم می شوند. تلفات هسته زمانی بوجود می آید که ترانسفورماتور تحت ولتاژ قرار گیرد. ترانسفورماتور در حالت مدار باز (ثانویه) مانند یک سیم پیچ با اندوکتانس بالا عمل کرده که ضریب قدرتی معادل ۰/۱۵ پس فاز دارد. جریان بار در ثانویه ترانسفورماتور و نیروی محرکه مغناطیسی که ایجاد می کند موجب جریان و نیروی محرکه مغناطیسی معادلی در اولیّه می شود. این نشان می دهد که چرا تلفات آهنی مستقل از بار است.
عبور جریان در هر سیستم الکتریکی، با توجه به دامنه جریان و مقاومت سیستم، ایجاد تلفات می کند. سیم پیچ های ترانسفورماتور نیز از این قاعده مستثنا نمی باشد. عبور جریان از سیم پیچ تلفاتی را بوجود می آورد که تلفات بار یا تلفات مس نامیده می شود. از آنجا که مقدار جریان بی باری کوچک بوده و تلفات مقاومتی ناچیزی بوجود می آورد، می توان گفت تلفات بار تنها زمانی ایجاد می شود که ترانسفورماتور تحت بار باشد.

✅✅ افت ولتاژ راکتیو و مقاومتی و شکل فازی
مجموع جریان در مدار اولیّه، مجموع فازی جریان بار اولیّه و جریان بی باری است. فعلاً با صرفنظر از افت ولتاژهای ناشی از مقاومت و راکتانس نشتی، شرایط را برای ترانسفورماتوری که بار غیر اندوکتیو تغذیه می نماید در شکل فازی شکل ذیل نشان داده ایم. اکنون افت ولتاژ ناشی از مقاومت و راکتانس نشتی سیم پیچ های ترانسفورماتور را که باید در ابتدا در نظر می گرفتیم ملاحظه نمایید که به تفکیک مشخص شده اند . مجموع اثر کلی آنها در ترمینال های ثانویه ظاهر شده است. افت مقاومتی در سیم پیچ اولیّه و ثانویه به راحتی تفکیک شده اند و برای هر سیم پیچ می توانند تعیین شوند. افت ولتاژ راکتیو که به دلیل مجموعه شار نشتی بین دو سیم پیچ است مستقیماُ نمی تواند به دو مؤلفه تجزیه شود، همانگونه که نمی توان بین شار نشتی ناشی از سیم پیچ اولیّه و سیم پیچ ثانویه تفکیکی قائل شد، به همین دلیل به صورت قراردادی نیمی از شار نشتی را ناشی از سیم پیچ اولیه و نیم دیگر را ناشی از سیم‌پیچ دیگر تلقی نمود.

۲۱

شکل فازی مربوط به یک ترانسفورماتور تک فاز که باری به ضریب توان یک را تغذیه می کنند نسبت دور ۱:۱ است.

۲۲

مفاهیم_پایه ترانسفورماتور (بخش هفتم):

✅ افت ولتاژ راکتیو و مقاومتی و شکل فازی (ادامه):

⚡️ شکل ۳ رابطه فازی ترانسفورماتور تکفازی که یک بار اندوکتیو دارای ضریب توان ۰/۸ پس فاز را تغذیه می کند ، نشان می دهد که در آن افت مقاومتی و راکتانس نشتی هر سیم پیچ مشخص شده است. در حقیقت مجموع اثر کلی، کاهش ولتاژ در ترمینال ثانویه است. افت ولتاژ مقاومتی و راکتانسی مربوط به سیم پیچ اولیّه به صورت افزایش در نیروی محرکه الکتریکی القا شده در سیم پیچ اولیّه در شکل ظاهر شده است.

۲۳

شکل ۳: شکل فازی مربوط به یک ترانسفورماتور تک فاز که یک بار اندوکیتو با ضریب توان cos∅۲ پس فاز را تغذیه می کند ، فرض شده است نسبت دورها ۱:۱ است. افت ولتاژ بین قسمت اولیّه و ثانویه تقسیم شده است.

۲۴

توضیح پارامترهای شکل ۳:

مفاهیم_پایه ترانسفورماتور (بخش هشتم):
افت ولتاژ راکتیو و مقاومتی و شکل فازی (ادامه):

✅در شکل ۴ افت ولتاژهای مقاومتی و راکتانسی طوری نشان داده شده اند که گویی در سمت ثانویه اتفاق می افتند. بدیهی است که ترانسفورماتور کاهنده باشد یا افزاینده، افت های ناشی از مقاومت و راکتانس نشتی همه بر مبنای ولتاژ ثانویه تبدیل شده اند ، بدین معنی که، افت ولتاژهای اولیّه به نسبت دور n تقسیم شده اند به عبارت دیگر درصد افت ولتاژهای در نظر گرفته شده برای هر سیم پیچ تغییری نمی یابد.
هر دو حالت ترانسفورماتور کاهنده یا افزاینده، برای انتقال مقاومت R_1 یا راکتانس نشتی X_1 به سمت ثانویه لازم است هردو مقدار بر مربع نسبت تبدیل تقسیم شوند. انتفال امپدانس از یک سمت به سمت دیگر به شکل زیر انجام می شود.

۲۵

۲۶

۲۷

شکل۴: شکل فازی مربوط به یک ترانسفورماتور تک فاز که یک اندوکیتو ضریب توان cos ∅_۲پس فاز را تغذیه می کند.
فرض شده نسبت دور ۱:۱ است ، افت ولتاژها به سمت ثانویه منتقل شده است.

۲۸

توضیحات پارامترهای دیاگرام فازوری ترانسفورماتور:

مفاهیم_پایه ترانسفورماتور (بخش آخر):
رگولاسیون ولتاژ در ترانسفورماتور

۲۹

۳۰

۳۱

از آنجا که عبارت دوم معادله ناچیز است در اغلب اوقات می توانیم رگولاسیون را به خصوص در مواردی که امپدانس در حدود ۴ درصد یا ضریب توان حدود ۰٫۹ یا بیشتر است، برابر با مقدار عبارت اول در نظر بگیریم که به اندازه کافی دقیق است.  Vx می تواند به صورت تئوریک محاسبه شود یا از امپدانس تست شده واقعی و تلفات ترانسفورماتور بدست آید. باید توجه شود که درصد مقاومت استفاده شده، مقداری است که از تلفات ترانسفورماتور بدست می آید و در آن تلفات جریان گردابی و تلفات پراکندگی داخل ترانسفورماتور لحاظ شده است. برخی اوقات به این مقاومت، مقاومت جریان متناوب می گویند، تا از مقداری که توسط عبور جریان مستقیم از سیم پیچ اندازه گیری می شود و از اندازه گیری افت ولتاژ متمایز باشد.