تلفات ترانسفورماتور چیست و انواع آن کدام است؟

در دنیای مدرن امروزی هر وسیله برقی و الکترونیکی تقریباً به یک ترانسفورماتور نیاز دارد تا مقدار مطمئنی از برق را برای عملکرد مؤثر و ایمن به چرخه کار دستگاه وارد کند.

به همین منظور، دستگاهی با چنین اهمیت عظیمی باید در عملکرد خود کارآمد باشد تا یکپارچه عمل کند.

یکی از معیارهای مهم در عملکرد صحیح، راندمان ترانسفورماتور می‌باشد که معیاری برای قابلیت اطمینان و عملکرد عملیاتی محصول است.

راندمان در یک ترانسفورماتور به عنوان نسبت توان خروجی به توان ورودی محاسبه می‌شود و به صورت درصد نشان داده می‌شود.

در بیشتر موارد، توان خروجی ترانسفورماتور همیشه کمی کمتر از توان ورودی ترانسفورماتور است.

یک ترانسفورماتور ایده آل ترانسفورماتور بدون اتلاف انرژی است؛ اما در عمل، ترانسفورماتورها به دلایل مختلف دچار تلفات برق می‌شوند.

دلیل این‌ که ما در اینجا در مورد تلفات ترانسفورماتور صحبت می‌کنیم این است که بین تلفات و کارایی ترانسفورماتور همبستگی قوی وجود دارد.

در ادامه بیشتر به انواع تلفات ترانسفورماتورها، علل و نحوه به حداقل رساندن آن‌ها می‌پردازیم.

با بررسی این جنبه‌ها، هدف ما ارائه یک درک جامع از تلفات ترانسفورماتور است.

1# معنی تلفات ترانسفورماتور چیست؟

ترانسفورماتورها اجزای حیاتی در سیستم‌های قدرت الکتریکی هستند تا انتقال و توزیع کارآمد برق را به دست آورند.

در یک ترانسفورماتور ایده آل، توان ورودی دقیقاً برابر با توان خروجی است.

با این حال، در ترانسفورماتورهای عملی، مقداری از توان ورودی به جای اینکه به بار تحویل داده شود، به‌ صورت گرما تلف می‌شود.

این به دلیل مقاومت ذاتی و خواص مواد اجزای مختلف ترانسفورماتور اتفاق می‌افتد.

چنین توانی که از دست می‌رود منجر به کاهش راندمان ترانسفورماتور می‌شود.

توان از دست رفته در صورت عدم توجه کافی به صورت افزایش دما ظاهر می‌شود.

به طور معمول ترانسفورماتورها کاملاً کارآمد نیستند و در معرض انواع مختلف تلفات هستند.

ترانسفورماتورها انواع مختلفی از تلفات از جمله موارد زیر را را تجربه می‌کنند:

• اتلاف آهن
• اتلاف مس
• افت هیسترزیس
• تلفات جریان گردابی
• تلفات سرگردان
• اتلاف دی‌الکتریک

درک انواع مختلف تلفات ترانسفورماتور برای بهینه‌سازی عملکرد و کارایی آن ضروری است.

2# انواع تلفات ترانسفورماتور از نظر بار

با وجود تنوع فراوان اندازه و قدرت، ترانسفورماتورها مانند سایر دستگاه‌ها کاملاً کامل نیستند.

در حالی که پیکربندی ایده‌آل ترانسفورماتور این است که هیچ تلفاتی نداشته باشد، توان خروجی ترانسفورماتور همیشه کمتر از توان ورودی آن خواهد بود.

واقعیت این است که این دستگاه‌ها تلفات برق نیز دارند که به گرما تبدیل می‌شود و باید از ترانسفورماتور حذف شود تا آسیبی نبیند.

الکتریسیته تولید شده توسط سیم‌پیچ‌ها و تغییر میدان مغناطیسی در داخل، گرما تولید می‌کند.

به طور کلی تلفات ترانسفورماتور به دو دسته تقسیم می‌شوند، تلفات بار که با سیم پیچ‌ها اتفاق می‌افتد و تلفات بدون بار که در هسته اتفاق می‌افتد.

1-2# تلفات بار

تلفات بار با توجه به بارگذاری روی ترانسفورماتور متفاوت است.

آن‌ها شامل تلفات حرارتی و جریان‌های گردابی در هادی‌های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور هستند.

تلفات حرارتی در مواد سیم پیچ بیشترین بخش از تلفات بار را به همراه دارد.

آن‌ها با مقاومت هادی در برابر جریان یا الکترون‌ها ایجاد می‌شوند.

حرکت الکترون باعث حرکت مولکول‌های هادی و تولید اصطکاک و گرما می‌شود.

انرژی تولید شده توسط این حرکت را می‌توان با استفاده از فرمول وات = (ولت) (آمپر) یا VI محاسبه کرد.

طبق قانون اهم، V=RI یا افت ولتاژ در مقاومت برابر با مقدار مقاومت R ضرب در جریان I در مقاومت است؛ بنابراین، تلفات حرارتی برابر با (I) (RI) یا I² R است.

طراحان ترانسفورماتور نمی‌توانند I یا قسمت فعلی تلفات I ² R را که توسط الزامات بار تعیین می‌شود، تغییر دهند.

آن‌ها فقط می‌توانند مقاومت را با استفاده از ماده‌ای که مقاومت پایینی در هر سطح مقطع دارد، تغییر دهند بدون اینکه به هزینه ترانسفورماتور به میزان قابل‌ توجهی اضافه شود.

اکثر طراحان ترانسفورماتور با توجه به وزن، اندازه، هزینه و مقاومت هادی، مس را بهترین هادی می‌دانند.

همچنین طراحان می‌توانند با افزایش سطح مقطع هادی، مقاومت هادی را کاهش دهند.

2-2# تلفات بدون بار

تلفات بدون بار ناشی از جریان مغناطیسی موردنیاز برای انرژی دادن به هسته ترانسفورماتور است و بر اساس بارگذاری روی ترانسفورماتور تغییر نمی‌کند.

آن‌ها ثابت هستند و 24 ساعت شبانه‌روز، 365 روز در سال، بدون توجه به بار رخ می‌دهند، از این‌ رو، به اصطلاح تلفات بدون بار نامیده می‌شود.

آن‌ها را می‌توان به چند جزء طبقه‌بندی کرد:

• تلفات هیسترزیس در لایه‌های هسته
• تلفات جریان گردابی در لایه‌های هسته
• تلفات I² R ناشی از جریان بدون بار
• تلفات جریان گردابی سرگردان در گیره‌های هسته، پیچ‌ها و سایر اجزای هسته و دی‌الکتریک

ضرر و زیان تلفات هیسترزیس و تلفات جریان گردابی بیش از 99 درصد از تلفات بی‌باری را شامل می‌شود، در حالی‌ که تلفات جریان گردابی سرگردان، تلفات دی‌الکتریک و تلفات I² R ناشی از جریان بدون بار کوچک هستند و در نتیجه اغلب نادیده گرفته می‌شوند.

معمولاً لایه نازک‌تر فولاد هسته، تلفات جریان گردابی را کاهش می‌دهد.

3# انواع تلفات ترانسفورماتور از نظر ساختار

تلفات ترانسفورماتور انواع مختلفی دارد که بسیاری از آن‌ها به‌دلیل اندازه کمی که دارند، نادیده گرفته می‌شوند.

چهار نوع اصلی تلفات در ترانسفورماتورها وجود دارد که به‌صورت زیر هستند:

• مقاومتی / تلفات مس
• تلفات آهن یا هسته (تلفات جریان گردابی و کاهش هیسترزیس)
• تلفات جریان سرگردان
• تلفات دی‌الکتریک

1-3# تلفات مقاومتی

تلفات مقاومتی از تلفات برق در ترانسفورماتور ناشی از مقاومت اهمی سیم مسی مورد استفاده برای ساخت سیم پیچ‌ها ایجاد می‌شود.

در اثر جریان‌های الکتریکی در هادی سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور، برق به‌صورت گرما تلف می‌گردد.

این تلفات را تلفات مس یا تلفات اهمی نیز می‌نامند.

از آنجایی که این تلفات با بار متغیر هستند، به آن‌ها تلفات متغیر نیز می‌گویند.

2-3# تلفات آهن یا هسته

هسته ترانسفورماتور هسته‌ای است که سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه را با القای مغناطیسی به‌هم متصل می‌کند.

تلفاتی که در هسته مغناطیسی ایجاد می‌شود تلفات آهن یا هسته در ترانسفورماتور نامیده می‌شود.

دو نوع اصلی تلفات آهن یا هسته وجود دارد: تلفات جریان گردابی و افت هیسترزیس.

این تلفات مستقل و بدون توجه به بار متصل به ترانسفورماتور هستند؛ زیرا هسته آهنی در تمام شرایط بار عملاً ثابت می‌ماند.

3-3# تلفات جریان گردابی

تلفات ترانسفورماتور از نوع جریان گردابی به‌دلیل اثرات مغناطیسی در ترانسفورماتور است.

جریان‌های گردابی جریان‌هایی هستند که در هسته مغناطیسی ترانسفورماتور به گردش در می‌آیند.

همانطور که می‌دانیم هسته آهنی بخش اصلی ترانسفورماتور است که برق را از سیم‌پیچ‌های اولیه به سیم‌پیچ‌های ثانویه هدایت می‌کند.

هنگامی که یک رسانای الکتریکی مانند آهن در یک میدان مغناطیسی متناوب قرار می‌گیرد، یک نیروی الکترومغناطیسی یا EMF در داخل آهن ایجاد می‌شود و جریان‌های گردشی را در هسته آهنی جامد ایجاد می‌کند.

این جریان‌های گردابی انرژی می‌گیرند و در سیستم گرما تولید می‌کنند.

در هر مدار الکتریکی، هر زمان که حرارت تولید شود مقداری تلفات وجود خواهد داشت.

این تلفات باعث کاهش راندمان ترانسفورماتور می‌شود که به آن اتلاف جریان گردابی می‌گویند.

تلفات جریان گردابی را می‌توان با استفاده از یک هسته آهنی ضخیم‌تر که از یک لایه نازک گالوانیزه و چند لایه از ورق‌های آهن عایق شده با رنگ یا لاک تشکیل شده است، به حداقل رساند.

از آنجایی که سطح مقطع هر لمینت در حال حاضر بسیار کوچک‌تر است، جریان‌های گردابی بسیار کاهش می‌یابد و در نتیجه تلفات جریان گردابی کمتر و کارایی بیشتر است.

4-3# تلفات هیسترزیس

هیسترزیس پدیده‌ای است که در هسته دستگاه الکتریکی به دلیل مغناطیس شدن و مغناطیس زدایی مواد رخ می‌دهد.

به دلیل جریان جایگزین در ترمینال ورودی، هسته آهنی در هر چرخه مغناطیسی می‌شود و مقداری انرژی در این فرایند از دست می‌رود.

تلفات هیسترزیس ترانسفورماتور را نمی‌توان حذف کرد؛ اما می‌توان با انتخاب مواد با ضریب پسماند پایین آن را به حداقل رساند.

اتلاف انرژی مرتبط با هیسترزیس مستقیماً با مساحت حلقه پسماند متناسب است.

5-3# تلفات سرگردان

همه ما می‌دانیم که یک ترانسفورماتور بر اساس یک اصل القایی متقابل کار می‌کند که در آن جریان متناوب در سیم پیچ اولیه خطوط شار مغناطیسی ایجاد می‌کند که توسط آن emf در سیم پیچ ثانویه القا می‌شود؛ اما در زمان واقعی، تمام شار تولید شده توسط طرف اولیه به طور کامل با طرف ثانویه ارتباط ندارد.

این مورد، نشت شار نامیده می‌شود و باعث تلفات در ترانسفورماتور می‌گردد و توان خروجی را کاهش می‌دهد.

این نوع تلفات به نام‌های Flux loss یا Stray loss شناخته می‌شود.

سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور باید به گونه‌ای پیچیده شوند که جفت شار بین سیم پیچ‌ها حداکثر باشد.

به این ترتیب، ما می‌توانیم از انتقال حداکثر توان از اولیه به ثانویه در طول اتصالات شار اطمینان حاصل کنیم و در نتیجه تلفات شار را کاهش دهیم.

6-3# تلفات دی‌الکتریک

تلفات دی‌الکتریک در محیط عایق ترانسفورماتور رخ می‌دهد.

به طور کلی روغن به عنوان یک محیط دی‌الکتریک استفاده می‌شود.

به دلیل کار مداوم ترانسفورماتور، قدرت دی‌الکتریک کاهش می‌یابد.

هنگامی که کیفیت روغن بدتر می‌شود، باعث ایجاد تلفاتی می‌شود که به عنوان تلفات ترانسفورماتور نوع دی‌الکتریک شناخته می‌شوند که بازده کلی ترانسفورماتور را کاهش می‌دهد.

بررسی‌های مکرر کیفیت و وضعیت محیط دی‌الکتریک می‌تواند به جلوگیری از چنین تلفاتی کمک کند.

4# روش کاهش انواع تلفات ترانسفورماتور

اگر شما به عنوان صاحب یک ترانسفورماتور، می‌خواهید تلفات ترانسفورماتور را به صفر برسانید، متأسفانه، این عمل امکان‌پذیر نیست؛ ولی خوشبختانه، راه‌های زیادی برای کاهش اثرات تلفات ترانسفورماتور به میزان قابل کنترل‌‎تری وجود دارد.

به خاطر داشته باشید که روش‌های کاهش تلفات در ترانسفورماتور به نوع تلفات ترانسفورماتور بستگی دارد.

برای این بحث، بیایید روی اتلاف آهن، تلفات مس، تلفات سرگردان و تلفات دی‌الکتریک تمرکز کنیم.

1-4# تلفات آهن

برای کاهش تلفات آهن، باید از یک ماده هسته‌ای استفاده کنید که قدرت اجباری پایینی دارد، به این معنی که به راحتی می‌توان آن را مغناطیسی و مغناطیسی زدایی کرد و به آن “نرم مغناطیسی” می‌گویند.

از آنجایی که تلفات هیسترزیس مستقیماً با نیروی اجباری ماده متناسب است، استفاده از یک ماده مغناطیسی نرم باعث کاهش تلفات پسماند می‌شود.

برخی از مواد مغناطیسی نرم عبارت‌اند از:

• آهن پودری
• هسته‌های نانوکریستالی
• فلز بی شکل

راه دیگر برای کاهش تلفات آهن استفاده از مواد هسته با مقاومت بالا است.

مقاومت بالا میزان تلفات جریان گردابی را کاهش می‌دهد؛ زیرا جریان الکترون‌ها در ماده بیشتر طول می‌کشد.

در نتیجه، الکترون‌ها برخوردهای بیشتری را در اتم‌های خود تجربه می‌کنند و در نهایت تلفات را کاهش می‌دهند.

برخی از نمونه‌های مواد با مقاومت بالا، هسته‌های سرامیکی و هسته‌های هوا هستند.

2-4# تلفات مس

در مورد تلفات مس، راه اصلی کاهش آن‌ها، استفاده از سیم‌های مسی با سطح مقطع بزرگ‌تر است.

این به این دلیل است که سطح مقطع بزرگ‌تر منجر به مقاومت کمتری می‌شود و با مقاومت کمتر، الکترون‌ها زمان آسان‌تری برای عبور از ماده خواهند داشت و تلفات را کاهش می‌دهند.

راه دیگر برای کاهش تلفات مس استفاده از گیج مسی بزرگ‌تر است.

گیج مسی بزرگ‌تر به این معنی است که سیم ضخیم‌تر است و در نتیجه مقاومت کمتری دارد.

با این حال، به خاطر داشته باشید که محدودیتی برای نازک شدن سیم، قبل از شکننده شدن و شکستن آن وجود دارد.

3-4# تلفات ترانسفورماتور سرگردان

تلفات ترانسفورماتور سرگردان را می‌توان به روش‌های مختلفی کاهش داد که رایج‌ترین آنها محافظ الکترومغناطیسی است.

همانطور که قبلاً ذکر شد، این یک مانع رسانا است که کل دستگاه را می‌پوشاند و از تداخل الکترومغناطیسی محیطی محافظت می‌کند.

همچنین می‌تواند از انتشار گازهای گلخانه‌ای از خود دستگاه جلوگیری کند تا دستگاه‌هایی را که در همان محیط ترانسفورماتور قرار دارند، مختل کند.

از طرف دیگر، محافظ جریان گردابی یک تکنیک رد شار است که راه حل مناسبی برای مخازن با شکل نامتعارف است.

با این حال، نقطه ضعف آشکار این روش این است که جریان‌های گردابی تلفات ترانسفورماتور هستند که در داخل سپر رخ می‌دهند و منجر به گرم شدن می‌شوند.

این گرمایش به طور بالقوه می‌تواند باعث گرمای بیش از حد در سایر بخش‌های ساختاری ترانسفورماتور شود.

4-4# اتلاف دی‌الکتریک

تلفات دی‌الکتریک که به عنوان تلفات عایق نیز شناخته می‌شود، در اثر جریان الکتریکی عبوری از عایق ایجاد می‌شود.

رایج‌ترین راه برای کاهش تلفات دی‌الکتریک استفاده از مواد با مقاومت بالاتر است.

این به این دلیل است که ماده با مقاومت بالاتر، رسانایی الکتریکی کمتری خواهد داشت که این باعث کندی حرکت الکترون‌ها برای جریان یافتن می‌شود و به کنترل و کاهش اثرات تلفات منجر می‌شود.

راه دیگر برای کاهش تلفات دی‌الکتریک استفاده از ماده‌ای با ثابت دی‌الکتریک بالاتر است.

این به این دلیل است که ماده‌ای با ثابت دی‌الکتریک بالاتر می‌تواند انرژی الکتریکی بیشتری را ذخیره کند و اثرات تلفات را کاهش دهد.

5# روش محاسبه تلفات ترانسفورماتور

محاسبه تلفات ترانسفورماتور می‌تواند مشکل باشد؛ زیرا عوامل مختلفی را باید در نظر گرفت.

تلفات در ترانسفورماتور، ورودی (قدرت اولیه) را با خروجی (قدرت ثانویه) مقایسه می‌کند. ولتاژهای ورودی و خروجی و همچنین میزان جریان هر دو سر، داده‌هایی هستند که توسط اکثر ترانسفورماتورها نشان داده می‌شوند.

به‌ عنوان‌ مثال، یک ترانسفورماتور افزایش دهنده ولتاژ را افزایش و جریان را کاهش می‌دهد.

از طرف دیگر، ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ را می‌دهد؛ اما جریان را افزایش می‌دهد؛ بنابراین، توان ترانسفورماتور (بر حسب وات) نیز برای هر نوع ترانسفورماتور متفاوت خواهد بود.

• توان (P): ولتاژ (E) ضرب در جریان در آمپر (I) است؛ به شکلی دیگر P = IE.

هنگام محاسبه تلفات یک ترانسفورماتور، ابتدا باید هم ولتاژ واقعی و هم ولتاژ جریان را در سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه محاسبه کنید.

همچنین باید مقاومت هر دو سیم پیچ و همچنین طول هادی (l) را تعیین کنید.

هنگامی که این ارقام را به دست آوردید، ولتاژ را بر حسب ولت در جریان سیم پیچ اولیه بر حسب آمپر ضرب کنید.

سپس ولتاژ (V) را بگیرید و در جریان (I) سیم پیچ ترانسفورماتور ثانویه ضرب کنید.

توان ثانویه را از اولیه کم کنید. عدد حاصل تلفات توان ترانسفورماتور شما است.

به‌عنوان‌مثال، فرض کنید یک ترانسفورماتور با مشخصات زیر دارید:

• ولتاژ اولیه (V₁) = 400 ولت
• ولتاژ ثانویه (V₂) = 120 ولت
• جریان اولیه (I₁) = 10 آمپر
• جریان ثانویه (I₂) = 2.5 آمپر
• طول هادی (l) = 1 متر
• مقاومت سیم پیچ اولیه (R₁) = 2 اهم
• مقاومت سیم پیچ ثانویه (R₂) = 0.5 اهم

برای محاسبه تلفات برق، باید 400 ولت را در 10 آمپر ضرب کنید تا توان اولیه (P1) را به دست آورید که برابر با 4000 وات است.

در مرحله بعد، شما باید 120 ولت را در 2.5 آمپر ضرب کنید تا توان ثانویه (P2) را به دست آورید که برابر با 300 وات است.

سپس باید 300 وات را از 4000 وات کم کنید تا تلفات توان را بدست آورید که معادل 3700 وات است.

نتیجه گیری

ترانسفورماتورها در کاربردهای مختلفی از دستگاه‌های الکترونیکی کوچک گرفته تا نیروگاه‌های بزرگ استفاده می‌شوند.

با این حال، همه ترانسفورماتورها صرف نظر از اندازه یا کاربرد مورد نظرشان، با تلفات ذاتی همراه هستند.

این می‌تواند به دلایل مختلفی مانند گرم شدن سیم پیچ‌ها، هیسترزیس و جریان گردابی باشد.

درک کامل مکانیسم‌های تلفات ترانسفورماتور و تکنیک‌های ارزیابی برای توسعه طرح‌هایی که بازدهی بالا را حتی در درجه‌بندی‌های آمپر مگاولت ارائه می‌کنند، مهم است.

این به بهینه سازی عملکرد و همچنین کاهش هزینه‌های عملیاتی کمک می‌کند.

روش‌های کاهش تلفات مورد بحث شامل انتخاب مواد، لایه‌گذاری، رشته‌بندی، عایق‌سازی و غیره است.

نظارت و دیجیتالی‌سازی پیشرفته نقش بزرگ‌تری را در آینده برای به حداقل رساندن تلفات ترانسفورماتور ایفا می‌کند که به اهداف صرفه‌جویی انرژی جهانی کمک می‌کند.