ترانسفورماتورها از بخشهای اصلی زیرساختهای برقرسانی هستند. این دستگاهها وظیفه تبدیل ولتاژ به میزان مناسب و انتقال توان الکتریکی به تمامی بخشها را برعهده دارند. ترانسفورماتورها، مانند تمامی تجهیزات صنعتی بزرگ، دارای هدر رفت انرژی هستند که به طور کلی به آن، تلفات ترانسفورماتور میگویند.
محاسبه تلفات ترانسفورماتور، از راهکارهای جلوگیری از ضررهای مالی، زیرساختی و محیطزیستی ناشی از اتلاف انرژی است. در این مقاله سعی داریم تا انواع راههای محاسبه اتلاف انرژی ترانسفورماتور را به صورت جامع و کامل معرفی کنیم.
انواع تلفات ترانسفورماتور
به طور کلی دو نوع تلفات ترانسفورماتور وجود دارد؛ تلفات باری (load losses) که به میزان بار الکتریکی ترانسفورماتورها بستگی دارند و با افزایش جریان بار، این تلفات نیز بیشتر میشوند. تلفات باری عمدتا شامل تلفات مسی (copper losses) در سیمپیچها و تلفات پراکنده (stray load losses) ناشی از نشت شار مغناطیسی در اتصالات و قطعات فلزی ترانسفورماتورها هستند.
تلفات بیباری (no-loaded losses) اغلب در هسته مغناطیسی ترانسفورماتور رخ میدهند و بیشتر مواقع به میزان بار الکتریکی موجود در دستگاه مربوط نمیشوند. زمانی که دستگاه به هیچ باری متصل نیست ولی برقدار است این تلفات بهوجود میآید.
این دو نوع تلفات، راههای محاسبه متفاوتی دارند که در ادامه آنها را توضیح میدهیم.
نحوه محاسبه تلفات ثابت (بیباری)، هیسترزیس و جریان گردابی (فوکو)
این سه تلفات با هم مرتبط هستند؛ تلفات بیباری مجموع تلفات هیسترزیس و جریان گردابی است. راهکار اصلی که برای محاسبه مجموع این تلفات استفاده میشود، آزمایش مدار باز (open circuit test) است.
برای انجام این تست باید زمانی که ترانسفورماتور بیبار است؛ یعنی خروجی آن به هیچ مداری متصل نیست، ولتاژ نامی (nominal voltage) به یکی از سیمپیچها، معمولا فشار قوی (HV) اعمال میشود و یک واتمتر در مسیر ورودی، توان مصرفی را اندازه میگیرد. عددی که واتمتر نمایش میدهد، مجموع تلفات ثابت (هسته) است.
با آزمایش مدار باز میتوان تلفات کلی هسته را محاسبه کرد. تفکیک تلفات هیسترزیس و فوکو به دلیل پیچیدگی بالا ضرورتی ندارد. زمانی تفکیک تلفات این بخش به کار میآید که طراحان و تولیدکنندگان با فرمولهای تئوریک بخواهند با تغییر ضخامت ورقههای فلزی تلفات جریان گردابی را کاهش دهند یا با انتخاب آلیاژ مناسب، تلفات هیسترزیس را کمتر کنند.
نحوه محاسبه تلفات متغیر (باری)، اهمی و جریان گردابی
این تلفات تنها در هنگام عبور جریان (بار الکتریکی) از سیمپیچها رخ میدهد و با افزایش میزان جریان، این تلفات نیز بیشتر میشوند. برای محاسبه این تلفات از آزمایش اتصال کوتاه (short circuit voltage) استفاده میشود. در این آزمایش، سمت ولتاژ پایین ترانسفورماتور به منبع تغذیه متصل شده و سمت دیگر اتصال کوتاه میشود. با دادن ولتاژ کم، به قدری جریان عبور میکند تا به اندازه جریان ولتاژ نامی برسد؛ توان اندازهگیری شده در این حالت برابر است با تلفات سیمپیچها.
فرمول:
2I = P ×R
مقاومت اهمی در سیمپیچها نیز با همین فرمول سنجیده میشود.
در فرکانسهای بالا، داخل سیمپیچها نیز جریان گردابی ایجاد میشود با خود اتلاف انرژی به همراه دارد. این تلفات معمولا بیشتر از تلفات عادی سیمپیچهاست و با یک ضریب تقریبی (معمولا بین ۱.۰۵ تا ۱.۵ برابر تلفات اهمی) محاسبه میشود.
جمعبندی
ترانسفورماتورها دستگاههایی با بازدهی بالا (معمولا ۹۵٪) هستند و اتلاف انرژی زیادی به همراه ندارند. ولی به دلیل تعداد بالا و کار بیوقفه این دستگاهها، همین تلفات کم نیز در مجموع به ضررهای مالی، زیرساختی و زیستمحیطی زیادی منجر میشود. محاسبه تلفات ترانسفورماتورها این امکان را میدهد تا ضررهای ایجاد شده جبران شده و آمادگی دربرابر اتلاف انرژی بالا رود.
تکنسینها و مهندسین همواره در تلاش هستند تا این تلفات را به پایینترین حد برسانند تا آیندهای روشن و پاکتری داشته باشیم.
دیدگاه شما چیست؟