ترانسفورماتورها دستگاه‌های الکتریکی متشکل از دو یا چند سیم پیچ سیم هستند که برای انتقال انرژی الکتریکی با استفاده از یک میدان مغناطیسی در حال تغییر استفاده می‌شوند. یکی از اصلی ترین دلایلی که ما از ولتاژ و جریان متناوب AC در خانه و محل کار خود استفاده می‌کنیم این است که منابع AC می‌توانند به راحتی در ولتاژ مناسب تولید شوند، (از این رو ترانسفورماتور نام گرفته اند) به ولتاژهای بسیار بالاتری تبدیل شده و سپس با استفاده از ستون‌ها و کابل‌ها در فواصل بسیار طولانی در شبکه ملی قابل استفاده باشند.
دلیل تبدیل ولتاژ به سطح بسیار بالاتر این است که ولتاژهای توزیع بالاتر به معنای جریان‌های کمتری برای همان انرژی و در نتیجه کاهش تلفات I2 * R در امتداد شبکه ای کابل‌ها است. این ولتاژها و جریان‌های انتقال متناوب بالاتر می‌توانند به ولتاژ بسیار پایین تر، ایمن تر و قابل استفاده کاهش پیدا کنند، جایی که می‌تواند برای تأمین تجهیزات الکتریکی در خانه‌ها و محل کار ما استفاده شود، و همه این‌ها به لطف ترانسفورماتورها امکان پذیر است.
ترانسفورماتورها را می‌توان به عنوان یک جز الکتریکی و نه یک جز الکترونیکی در نظر گرفت. یک ترانسفورماتور اساساً یک دستگاه الکتریکی منفعل الکترو مغناطیسی ساکن (یا ثابت) است که با تبدیل انرژی الکتریکی از یک مقدار به مقدار دیگر بر اساس اصل القای فارادی کار می‌کند.
ترانسفورماتورها این کار را با اتصال دو یا چند مدار الکتریکی با استفاده از یک مدار مغناطیسی نوسانی مشترک که توسط خود ترانسفورماتور تولید می‌شود، انجام می‌دهد. یک ترانسفورماتور با اصول “القای الکترومغناطیسی” ، به شکل القایی متقابل کار می‌کند.
القا متقابل فرایندی است که طی آن سیم پیچ سیم به طور مغناطیسی ولتاژ را به سیم پیچ دیگری که در نزدیکی آن قرار دارد، القا می‌کند. سپس می‌توان گفت که ترانسفورماتورها در “حوزه مغناطیسی” کار می‌کنند و ترانسفورماتورها نام خود را از این واقعیت می‌گیرند که “ولتاژ یا سطح جریان را به ولتاژ دیگری” تبدیل می‌کنند.
ترانسفورماتورها قادرند ولتاژ و جریان منبع تغذیه خود را افزایش دهند یا کاهش دهند، بدون اینکه فرکانس آن را تغییر دهند، یا مقدار نیروی الکتریکی را از طریق سیم مغناطیسی به سیم پیچ دیگر منتقل کنند.
یک ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز اساساً از دو سیم پیچ سیم تشکیل شده است، یکی به نام “سیم پیچ اولیه” و دیگری به نام “سیم پیچ ثانویه”. در این مقاله ما “اولیه” سمت ترانسفورماتور را به عنوان طرفی که معمولاً برق می‌گیرد و “ثانویه” را به عنوان طرفی که معمولاً برق را تحویل می‌دهد، تعریف خواهیم کرد. در یک ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز، اولیه معمولاً طرف دارای ولتاژ بالاتر است.
این دو سیم پیچ در تماس الکتریکی با یکدیگر نیستند اما در عوض به دور یک مدار آهن مغناطیسی بسته بسته می‌شوند که “هسته” است. این هسته آهنی نرم جامد نیست اما از لمینیت های منفرد متصل به هم برای کمک به کاهش تلفات هسته تشکیل شده است.
دو سیم پیچ از نظر الکتریکی از یکدیگر جدا شده اند اما به طور مغناطیسی از طریق هسته مشترک به هم متصل شده اند و باعث می‌شوند نیروی الکتریکی از یک سیم پیچ به سیم پیچ دیگر منتقل شود. هنگامی که جریان الکتریکی از سیم پیچ اولیه عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که همان طور که نشان داده شده ولتاژ را به سیم پیچ ثانویه القا می‌کند.
ترانسفورماتور ولتاژ تک فاز
به عبارت دیگر، برای یک ترانسفورماتور هیچ اتصال الکتریکی مستقیمی بین دو سیم پیچ وجود ندارد، در نتیجه به آن یک ترانسفورماتور جداسازی نیز می‌دهد. به طور کلی، سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور به منبع تغذیه ولتاژ متصل می‌شود و نیروی الکتریکی را به یک میدان مغناطیسی تبدیل می‌کند. در حالی که کار سیم پیچ ثانویه تبدیل این میدان مغناطیسی متناوب به برق تولید کننده ولتاژ خروجی مورد نیاز است همانطور که نشان داده شده است.
عملکرد ترانسفورماتورها
ما دیده ایم که تعداد سیم پیچ های پیچیده در سیم پیچ ثانویه در مقایسه با سیم پیچ اولیه و نسبت چرخش‌ها، بر میزان ولتاژ موجود از سیم پیچ ثانویه تأثیر می‌گذارد. اما اگر این دو سیم پیچ از نظر الکتریکی از یکدیگر جدا شده باشند، چگونه این ولتاژ ثانویه تولید می‌شود؟
قبلاً گفتیم كه ترانسفورماتورها اساساً شامل دو سیم پیچ هستند كه به دور یك هسته فلزی پیچیده شده اند. هنگامی که یک ولتاژ متناوب (VP) به سیم پیچ اولیه اعمال می‌شود، جریان از طریق سیم پیچ عبور می‌کند که به نوبه خود یک میدان مغناطیسی در اطراف خود، به نام القایی متقابل، با این جریان مطابق با قانون القای الکترومغناطیسی فارادی ایجاد می‌کند. قدرت میدان مغناطیسی با افزایش جریان از صفر به حداکثر مقدار خود که به عنوان dΦ / dt داده می‌شود ، افزایش می‌یابد.
مبانی ترانسفورماتور اتصال شار
همان طور که خطوط مغناطیسی تنظیم نیرو توسط این آهنربا الکتریکی از سیم پیچ به سمت خارج منبسط می‌شود، هسته فلزی راهی را برای شار مغناطیسی تشکیل می‌دهد و آن را متمرکز می‌کند. این شار مغناطیسی با افزایش و کاهش در جهات مخالف تحت تأثیر منبع تغذیه AC ، پیچ های هر دو سیم پیچ را به هم متصل می‌کند. با این حال، قدرت میدان مغناطیسی القا شده به هسته آهن نرم به میزان جریان و تعداد دور سیم پیچ بستگی دارد. با کاهش جریان، قدرت میدان مغناطیسی کاهش می‌یابد.
هنگامی که خطوط مغناطیسی شار در اطراف هسته جریان می‌یابند ، از پیچ های سیم پیچ ثانویه عبور می‌کنند و باعث می‌شوند ولتاژ به سیم پیچ ثانویه القا شود. سپس می‌توانیم ببینیم که ولتاژ یکسانی در هر پیچ سیم پیچ ایجاد می‌شود زیرا شار مغناطیسی یکسانی پیچ های هر دو سیم پیچ را به یکدیگر متصل می‌کند. در نتیجه، کل ولتاژ القایی در هر سیم پیچ با تعداد دور در آن سیم پیچ مستقیما متناسب است. با این وجود، اگر تلفات مغناطیسی هسته زیاد باشد، از اوج دامنه ولتاژ خروجی موجود در سیم پیچ ثانویه کاسته می‌شود.
اگر می‌خواهیم سیم پیچ اولیه یک میدان مغناطیسی قوی تری برای غلبه بر تلفات مغناطیسی هسته ها ایجاد کند، می‌توانیم جریان بزرگتری را از طریق سیم پیچ ارسال کنیم یا همان جریان را حفظ کنیم و در عوض تعداد چرخش‌های سیم پیچ (NP) را تغییر دهیم. محصول چرخش‌های آمپر بارها “چرخش‌های آمپر” نامیده می‌شود، که نیروی مغناطیسی سیم پیچ را تعیین می‌کند.
