تلفات ترانسفورماتور چیست؟ بررسی انواع تلفات و روش‌های کاهش آن

ترانسفورماتورها از مهم‌ترین تجهیزات مورد استفاده در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی هستند و وظیفه انتقال انرژی الکتریکی از یک مدار به مدار دیگر را بر عهده دارند. با این حال، هیچ ترانسفورماتوری در شرایط واقعی دارای بازده ۱۰۰ درصد نیست و بخشی از توان ورودی در فرآیند انتقال انرژی به شکل حرارت و سایر تلفات از بین می‌رود.

شناخت انواع تلفات ترانسفورماتور، به‌خصوص در زمان انتخاب هسته، سیم‌پیچ و سایر اجزای مغناطیسی، اهمیت زیادی دارد. در این مقاله از روماک الکترونیک، مهم‌ترین تلفات ترانسفورماتور شامل تلفات اهمی سیم‌پیچ، تلفات هیسترزیس و تلفات جریان گردابی را بررسی می‌کنیم.

تلفات ترانسفورماتور چگونه ایجاد می‌شوند؟

به‌طور کلی، تلفات ترانسفورماتور را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد:

1. تلفات سیم‌پیچ یا تلفات اهمی
2. تلفات هسته یا تلفات مغناطیسی

علاوه بر این موارد، مقدار محدودی تلفات در دی‌الکتریک عایق‌ها و میدان‌های پراکنده نیز ایجاد می‌شود که در بسیاری از محاسبات معمول، به دلیل مقدار نسبتاً کم، از آن‌ها صرف‌نظر می‌شود.

این تصویر برای ابتدای مقاله مناسب است، چون هم ساختار ترانسفورماتور و هم نقش هسته و جریان‌های گردابی را به‌صورت شماتیک نشان می‌دهد.

۱. تلفات اهمی ترانسفورماتور؛ تلفات سیم‌پیچ

یکی از مهم‌ترین انواع تلفات در ترانسفورماتور، تلفات اهمی سیم‌پیچ‌ها است. هرچند سیم‌های مورد استفاده در سیم‌پیچ ترانسفورماتور معمولاً رسانایی بالایی دارند، اما مقاومت الکتریکی آن‌ها هیچ‌گاه کاملاً صفر نیست.

با عبور جریان از این مقاومت، بخشی از انرژی الکتریکی به حرارت تبدیل می‌شود. این تلفات به مقاومت سیم‌پیچ و مربع جریان عبوری وابسته است.

رابطه کلی تلفات اهمی سیم‌پیچ‌ها به صورت زیر است:

Pᶜ = Iₚ²Rₚ + Iₛ²Rₛ

که در آن:

• Rₚ: مقاومت سیم‌پیچ اولیه
• Rₛ: مقاومت سیم‌پیچ ثانویه
• Iₚ: جریان سیم‌پیچ اولیه
• Iₛ: جریان سیم‌پیچ ثانویه

از آنجا که تلفات با مربع جریان رابطه دارد، افزایش جریان بار می‌تواند باعث افزایش قابل‌توجه تلفات سیم‌پیچ شود.

مقاومت سیم‌پیچ به چه عواملی بستگی دارد؟

مقاومت یک سیم به سه عامل اصلی وابسته است:

• طول سیم
• سطح مقطع سیم
• جنس هادی

رابطه مقاومت سیم نیز به شکل زیر بیان می‌شود:

R = ρL / A

در این رابطه ρ مقاومت ویژه ماده، L طول سیم و A سطح مقطع هادی است. بنابراین، با افزایش طول سیم یا کاهش سطح مقطع آن، مقاومت افزایش پیدا می‌کند.

این موضوع در طراحی و انتخاب سیم‌پیچ ترانسفورماتور اهمیت زیادی دارد؛ زیرا انتخاب صحیح سیم هادی می‌تواند در کنترل تلفات اهمی و حرارت ایجادشده در سیم‌پیچ مؤثر باشد.

۲. تلفات هسته ترانسفورماتور

دسته دیگری از تلفات در هسته مغناطیسی ترانسفورماتور ایجاد می‌شود. این تلفات معمولاً با عنوان تلفات هسته یا Core Loss شناخته می‌شوند.

بر اساس فایل مورد بررسی، تلفات هسته عمدتاً شامل دو بخش است:

تلفات هیسترزیس

تلفات جریان گردابی یا فوکو

۳. تلفات هیسترزیس چیست؟

هسته مغناطیسی ترانسفورماتور در هنگام کار تحت تأثیر میدان مغناطیسی متناوب قرار دارد. با تغییر جهت میدان مغناطیسی، وضعیت مغناطیسی ماده هسته نیز تغییر می‌کند.

اما این تغییر کاملاً بدون اتلاف انرژی انجام نمی‌شود. هسته پس از کاهش یا صفر شدن میدان مغناطیسی، مقداری شار یا مغناطش پسماند در خود نگه می‌دارد. برای تغییر مجدد وضعیت مغناطیسی هسته، انرژی مصرف می‌شود و بخشی از این انرژی به شکل حرارت تلف می‌شود. این انرژی تلف‌شده را تلفات هیسترزیس می‌نامند.

یکی از مفاهیم مهم برای درک تلفات هیسترزیس، حلقه هیسترزیس است. مساحت داخل این حلقه نشان‌دهنده انرژی تلف‌شده در هر چرخه مغناطیسی است.

در فایل، رابطه تلفات هیسترزیس به‌صورت وابسته به ثابت ماده، فرکانس و چگالی شار بیشینه ارائه شده است:

Pₕ = Kₕ f Bₘ¹·⁶

که در آن:

• Kₕ: ثابت هیسترزیس مربوط به ماده هسته
• f: فرکانس
• Bₘ: چگالی شار مغناطیسی بیشینه

بنابراین جنس و مشخصات مغناطیسی هسته نقش مهمی در میزان تلفات هیسترزیس دارند.

۴. تلفات جریان گردابی یا Eddy Current چیست؟

نوع دیگری از تلفات هسته، تلفات جریان گردابی یا Eddy Current Loss است.

هنگامی که به سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور ولتاژ اعمال می‌شود، میدان مغناطیسی متغیر در هسته ایجاد می‌کند. این میدان متغیر می‌تواند در خود هسته نیز ولتاژ القا کند. اگر هسته رسانا باشد، این ولتاژ باعث ایجاد جریان‌های الکتریکی حلقوی در داخل هسته می‌شود.

این جریان‌ها که به آن‌ها جریان‌های گردابی گفته می‌شود، باعث ایجاد حرارت و در نتیجه اتلاف بخشی از انرژی می‌شوند.

رابطه ارائه‌شده برای این تلفات در فایل به‌صورت وابسته به ثابت جریان گردابی، مجذور فرکانس و مجذور چگالی شار بیان شده است:

Pₑ = Kₑ f² Bₘ²

۵. چرا هسته‌های ترانسفورماتور به‌صورت ورقه‌ای ساخته می‌شوند؟

یکی از روش‌های مهم برای کاهش جریان‌های گردابی در هسته‌های فلزی، استفاده از ورق‌های نازک و عایق‌شده به جای یک توده فلزی یکپارچه است.

در این ساختار، مسیر حرکت جریان‌های گردابی محدود می‌شود و مقاومت مسیر جریان افزایش پیدا می‌کند؛ در نتیجه مقدار تلفات ناشی از جریان‌های گردابی کاهش می‌یابد. فایل نیز به استفاده از ورق‌های آهن با پوشش نارسانا برای محدود کردن جریان‌های گردابی اشاره می‌کند.

این تصویر از TDK برای این قسمت گزینه مناسبی است، چون دقیقاً تأثیر ورقه‌ای کردن هسته و عایق‌کردن لایه‌ها بر کاهش مسیر جریان‌های گردابی را نشان می‌دهد. TDK همچنین توضیح می‌دهد که برای ترانسفورماتورهای فرکانس پایین از ورق‌های فولاد الکتریکی لایه‌لایه استفاده می‌شود و در کاربردهای فرکانس بالا، هسته‌های فریت به دلیل مقاومت الکتریکی بالاتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

منبع تصویر TDK

۶. نقش هسته فریت در کاهش تلفات

هسته‌های فریت به دلیل مقاومت الکتریکی بالا، در بسیاری از کاربردهای فرکانس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. در فایل نیز به این نکته اشاره شده که فریت‌ها نارسانا هستند و به همین دلیل تلفات جریان گردابی در آن‌ها بسیار محدود است.

این ویژگی باعث شده هسته‌های فریت در بسیاری از ترانسفورماتورهای فرکانس بالا، منابع تغذیه سوئیچینگ و قطعات مغناطیسی الکترونیکی اهمیت داشته باشند.

برای مجموعه‌ای مانند روماک الکترونیک که در حوزه قطعات و تجهیزات الکترونیکی فعالیت دارد، شناخت تفاوت رفتار هسته‌های مختلف از نظر فرکانس کاری، تلفات و ساختار هسته در انتخاب قطعه مناسب اهمیت ویژه‌ای دارد.

۷. چه عواملی روی تلفات ترانسفورماتور تأثیر می‌گذارند؟

با توجه به مطالب فایل، مهم‌ترین عوامل عبارت‌اند از:

بنابراین انتخاب صحیح هسته مغناطیسی و سیم‌پیچ یکی از بخش‌های مهم در طراحی یک ترانسفورماتور با عملکرد مناسب است.

۸. چگونه می‌توان تلفات ترانسفورماتور را کاهش داد؟

برای کاهش تلفات، باید متناسب با نوع تلفات، ساختار و مواد مورد استفاده انتخاب شوند.

کاهش تلفات سیم‌پیچ

از آنجا که تلفات اهمی به مقاومت سیم وابسته است، انتخاب مناسب جنس، طول و سطح مقطع هادی اهمیت دارد. رابطه مقاومت سیم نشان می‌دهد که افزایش سطح مقطع می‌تواند مقاومت هادی را کاهش دهد.

کاهش تلفات هیسترزیس

انتخاب ماده مناسب برای هسته می‌تواند در کاهش تلفات هیسترزیس مؤثر باشد؛ زیرا این تلفات به ویژگی‌های مغناطیسی ماده هسته وابسته است.

کاهش تلفات جریان گردابی

در هسته‌های فلزی، استفاده از ورق‌های نازک عایق‌شده باعث محدود شدن مسیر جریان‌های گردابی می‌شود. در کاربردهای فرکانس بالا نیز استفاده از مواد فریتی می‌تواند به محدود کردن این نوع تلفات کمک کند.

جمع‌بندی

تلفات ترانسفورماتور بخش جدایی‌ناپذیر عملکرد واقعی این تجهیزات هستند و به همین دلیل شناخت آن‌ها در طراحی و انتخاب قطعات مغناطیسی اهمیت زیادی دارد.

به‌طور کلی، تلفات اهمی در سیم‌پیچ‌ها به مقاومت هادی و جریان عبوری وابسته است، در حالی که تلفات هسته عمدتاً از دو بخش هیسترزیس و جریان‌های گردابی تشکیل می‌شود.

ساختار هسته، جنس ماده مغناطیسی، فرکانس کاری، چگالی شار و مشخصات سیم‌پیچ، همگی در میزان تلفات نهایی نقش دارند. به همین دلیل، هنگام انتخاب قطعات مورد استفاده در ترانسفورماتورها و منابع تغذیه، توجه به مشخصات هسته فریت، هسته‌های ورقه‌ای و سیم‌پیچ اهمیت بالایی دارد.

برای فعالیت‌های تخصصی حوزه قطعات الکترونیکی، درک این پارامترها می‌تواند به انتخاب دقیق‌تر قطعه متناسب با نوع مدار، فرکانس کاری و شرایط عملکرد کمک کند.