آزمايش 9 ترانسفورماتور بررسی تجربی ترانسفورماتور و مقايسه با يك ترانسفورماتور ايدهآل تئوری آزمايش توان متوسط در مدار جريان متناوب برابر است با: P av = ε rms i rms cos φ که ε rms جذر میانگین مربعی ε و i rms جذر میانگین مربعی جريان مدار است. بازاء = φ cos اختالف فاز بین جريان و ولتاژ صفر است و برای i rms ε rms بدست آوردن يك توان معین و میتوان را به گونهای انتخاب کرد که حاصلضرب آنها مقدار ثابتی باشد. بنابراين به وسیلهای نیاز داريم که با توجه به محدوديتهای فنی بتواند اختالف پتانسیل مدار را کاهش يا افزايش دهد و همزمان ε rms i rms حاصلضرب را ثابت نگه دارد. ترانسفورماتور جريان متناوب چنین وسیلهای است. در مرکز تولید برق )نیروگاه( و در محل مصرف )منزل يا کارخانه( بنا به داليل ايمنی بهتر است با ولتاژهای نسبتا کم کار کنیم از طرف ديگر برای انتقال انرژی الکتريکی از نیروگاه تا محل مصرف بهتر است که جريان کمترين مقدار ممکن باشد تا تلفات اهمی خطوط انتقال به حداقل برسد. از ترانسفورماتورهای افزاينده برای مولدهای برق ولتاژ افزايش استفاده میشود سپس انرژی را با اين ولتاژ انتقال میدهند. در انتهای خط از ترانسفورماتورهای کاهنده ولتاژ استفاده کرده و اختالف پتانسیل را تا حد قابل مصرف کاهش میدهند. قابل تغییر بودن ولتاژ وسیله به ترانسفورماتورها مهمترين علت در صنعت است. صنعت در از آنها استفاده جوشکاری که حرارتی فوقالعاده مورد نیاز است بايد مقدار جريان زياد و ولتاژ نسبتا کم باشد. در اين مورد از ترانسفورماتور کاهنده استفاده میشود. سادهترين نوع ترانسفورماتور در شکل نشان داده شده است اين ترانسفورماتور از دو سیمپیچ اولیه و ثانويه که بر روی يك هسته با خاصیت نفوذپذيری مغناطیسی باال )مانند آهن( پیچیده شدهاند تشکیل شده است. سیم- ε = ε m sin ωt ε اولیه با پیچ دور به منبع تغذيه متناوب با نیروی محرکه الکتريکی که از رابطه بدست میآيد وصل شدهاست. سیمپیچ ثانويه با N 2 دور تا زمانی که کلید S باز است در حالت مدار باز است و جريانی از آن عبور نمیکند. فرض میکنیم مقاومت سیمپیچهای اولیه و ثانويه و همچنین تلفات مغناطیسی در هسته آهنی قابل صرفنظر کردن است و سیمپیچ ثانويه در حالت مدار باز است. در اين وضعیت سیمپیچ اولیه يك برای مطالعه بیشتر به کتاب فیزيك هالیدی فصل جريانهای متناوب مراجعه شود.
القاگر است و با عبور جريان متناوب از آن شار مغناطیسی متناوب در هسته آهنی القا میشود. فرض کنید تمام اين شار مغناطیسی از سیمپیچ ثانويه عبور میکند با توجه به قانون القای فاراده نیروی محرکه الکتريکی هر دور برای هر دور سیمپیچ اولیه و ثانويه يکسان است ( dφ B ) = V,rms = V 2,rms dt rms N 2 يا V 2,rms = V,rms ( N 2 ) )( اگر N 2 > باشد ترانسفورماتور افزاينده و اگر N 2 < باشد ترانسفورماتور کاهنده است. شکل وقتی کلید S بسته میشود از مدار ثانويه جريان عبور میکند. اين جريان شار مغناطیسی متناوب خود را در هسته آهنی القا میکند و اين شار با توجه به قانون فاراده و قانون لنز يك نیروی محرکه الکتريکی مخالف در سیمپیچ اولیه ايجاد میکند. بنابراين هر دو سیمپیچ به صورت القاگر متقابل کامال جفت شده عمل میکنند. به علت ثابت بودن نیروی محرکه الکتريکی سیمپیچ اولیه جريان در سیمپیچ اولیه به صورتی تغییر میکند که نیروی محرکه الکتريکی مخالف تولید شده به وسیله سیمپیچ ثانويه در آن را خنثی کند. بويژه در يك ترانسفورماتور ايدهآل اختالف فاز بین جريان و اختالف پتانسیل به سمت صفر میل کرده و در نتیجه ضريب توان cos φ به سمت يك میل میکند. بنابراين برای ترانسفورماتور ايدهآل V,rms I,rms = V 2,rms I 2,rms )2( يعنی توان داده شده بوسیله مولد به سیمپیچ اولیه با توان مصرف شده در بار مقاومتی سیمپیچ ثاويه برابر است. از ترکیب معادلههای )( و )2( نتیجه میشود: I,rms I 2,rms = N 2 يعنی نسبت جريانها به نسبت عکس تعداد حلقههاست. 2
تلفات در ترانسفورماتور ترانسفورماتورها در عمل تلفات دارای هستند يعنی توان خروجی برابر توان بازده نیست. ورودی ترانسفورماتور) R ( را میتوان به وسیله اندازهگیری توان ورودی و خروجی بدست آورد: توان خروجی توان ورودی R = تلفات در يك ترانسفورماتور از دو قسمت تشکیل شده است تلفات در هسته آهن و تلفات در سیمپیچ اولیه و سیمپیچ ثانويه )تلفات مس(. تلفات در هسته آهن از سه عامل زير ناشی میشود: تلفات هیسترزيس : 2 تلفاتی است که در اثر کاهش و افزايش میدان مغناطیسی در هسته به وجود میآيد. جريانی که از سیمپیچ اولیه ترانسفورماتور عبور میکند متناوب است بنابراين با افزايش جريان میدان مغناطیسی در يك جهت معین در هسته به وجود می آيد و وقتی جريان کاهش میيابد میدان مغناطیسی نیز در جهت ذکر شده کاهش میيابد. با کاهش جريان بازاء جريان صفر میدان مغناطیسی هسته صفر نمیشود. اين مقدار باقی مانده را پسماند مغناطیسی مینامند. حذف پسماند مغناطیسی همواره با از دست دادن مقداری انرژی همراه است. تلفات حاصل از پسماند مغناطیسی به بسامد جريان بستگی دارد و با افزايش بسامد جريان تلفات هیسترزيس نیز افزايش میيابد. با انتخاب جنس هسته ترانسفورماتور از آلیاژ مناسب آهن )آهن وچهار درصد سیلیس( میتوان تلفات هیسترزيس را کاهش داد. تلفات جريان فوکو: با عبور جريان متناوب از سیمپیچ اولیه ترانسفورماتور شار مغناطیسی در هسته به طور متناوب تغییر میکند. طبق قانون لنز جريانی به نام جريان فوکو در هسته ايجاد می شود که با عامل تغییر شار مغناطیسی مخالفت میکند و باعث کاهش شار مغناطیسی میشود در نتیجه توان خروجی ترانسفورماتور کاهش میيابد. جريان فوکو همچنین باعث گرم شدن هسته میشود. اندازه جريان فوکو بستگی به مقاومت الکتريکی هسته دارد بنابراين برای کاهش تلفات حاصل از جريان فوکو هسته را از آلیاژ مناسب انتخاب کرده و آن را از ورقه هايی که نسبت به همديگر عايق هستند میسازند. تلفات حاصل از جريان فوکو همچنین به بسامد جريانی که از سیمپیچ اولیه عبور میکند بستگی دارد ومتناسب با مجذور بسامد جريان است. تلفات پراکندگی شار مغناطیسی: اگر در مسیر شار مغناطیسی يك شکستگی وجود داشته يا سطح مقطع هسته کوچك باشد مقداری از شار مغناطیسی ازهسته ترانسفورماتور خارج میشود اين شار پراکنده شده از سیمپیچ ثانويه نخواهد گذشت و باعث کاهش توان میگردد. 2 Hysteresis 3
تلفات مس: به علت مقاومت اهمی در سیمپیچهای اولیه و ثانويه انرژی از مقداری به صورت حرارت در سیم- پیچها تلف میشود. با کاهش مقاومت الکتريکی سیمپیچها تلفات مس را میتوان کاهش داد. وسايل آزمايش منبع تغذيه متناوب هسته آهنی U شکل سیمپیچ )دو عدد( رئوستا واتمتر )دو عدد( ولتمتر سیم رابط. روش آزمايش اندازهگیری جريان توان و ولتاژ در وضعیتی که درمدار سیمپیچ ثانويه مصرف کننده نباشد مدار آزمايش را مطابق شکل 2 ببنديد )دقت کنید قبل از روشن کردن منبع تغذيه ولتاژ آن روی صفر باشد تا دستگاه آسیب نبیند و ولتاژ نیز به آرامی افزايش يابد(. -30 در بازه را اولیه سیمپیچ ولتاژ ولت تغییردهید و اولیه توان سیمپیچ جريان سیمپیچ ولتاژ ورودی ثانويه را اندازهگیری کرده در جدول ثبت کنید. منحنی نمايش تغییرات شکل 2 را بر حسب P و I V رسم کرده و توضیح دهید. V V 2 منحنی نمايش تغییرات را بر حسب با روش کمترين مربعات رسم کنید و با محاسبه شیب خط درستی رابطه V 2 = V ( N 2 ) را بررسی کنید. جدول و = 250 N 2 = 500 V (V) I (ma) P (W) V 2 (V) 4
اندازهگیری جريان توان و ولتاژ در وضعیتی که درمدار سیمپیچ ثانويه مصرف کننده باشد با قرار دادن رئوستا در مدار سیمپیچ ثانويه مدار آزمايش را مطابق شکل 3 ببنديد. با تغییر مقاومت رئوستا جريان سیمپیچ ثانويه را در بازه صفر تا يك آمپر تغییر دهید و بازاء هر جريان P2 و I P منحنی درستی رابطه را اندازهگیری کرده و در جدول 2 ثبت کنید. نمايش تغییرات بر حسب I I 2 I = I 2 ( N 2 ) اختالف توانهای اندازهگیری شده دهید. را را بررسی کنید. و P P 2 با روش کمترين مربعات رسم کنید و با محاسبه شیب خط مربوط به چه نوع تلفاتی در ترانسفورماتور هستند توضیح شکل 3 جدول 2 I 2 (ma) P 2 (W) I (ma) P (W) و = 500 N 2 و = 250 V = 50 (V) سیمپیچ ثانويه در وضعیت اتصال باز مدار آزمايش را مطابق شکل 4 ببنديد )سیمپیچ ثانويه در وضعیت مدار باز است(. جريان سیمپیچ اولیه و توان ورودی را اندازهگیری کرده در جدول 3 ثبت کنید.
شکل 4 جدول 3 و = 500 N 2 و = 250 V = 50 (V) I = (ma) P = (W) سیمپیچ ثانويه در وضعیت اتصال کوتاه ولتاژ منبع تغذيه را روی صفر تنظیم کرده و دو انتهای سیمپیچ ثانويه را به هم وصل کنید )شکل (. با تغییر ولتاژ منبع تغذيه را برابر با I I آخرين ستون جدول 2 تنظیم کرده و جدول را کامل کنید. 4 آيا مجموع توانهای اندازه گیری شده در حالت اتصال باز و اتصال کوتاه )جددول 3 و جددول 4( بدا اخدتالف توان ورودی وخروجی در آخرين ستون جدول 2 برابر است توضیح دهید. شکل جدول 4 و = 500 N 2 = 250 V = (V) I = (ma) P = (W) 6