در این ویدیو نحوه‌ی عملکرد ترانسفورماتورها را بررسی خواهیم کرد. این ویدیو یکی از مجموعه ویدیوهای مربوط به مهندسی برق است. پس اگر ویدیوهای قبلی را تماشا نکرده‌اید حتما این کار را انجام دهید.
در ادامه در مورد نحوه‌ی ایجاد یک میدان مغناطیسی با الکتریسیته صحبت می‌کنیم و اینکه چرا تنها یک جریان متناوب را می‌توان در ترانسفورماتورها استفاده کرد.
نحوه‌ی عملکرد یک ترانسفورماتور ساده به چه صورت است؟
بعد به سراغ ترانسفورماتورهای افزاینده و کاهنده می‌رویم و در آخر با ترانسفورماتورهای سه فاز کار را به پایان می‌رسانیم.
خب… دو نوع الکتریسیته وجود دارد AC و DC اما ترانسفورماتورها تنها با استفاده از AC یا جریان متناوب کار می‌کنند و اگر تفاوت این دو را نمی‌دانید پس لطفا، اول ویدیوی مربوط به مبانی الکتریسیته را تماشا کنید.
زمانی که ژنراتور AC را به یک حلقه‌ی بسته از کابل متصل می‌کنیم یک جریان در درون این کابل جاری می‌شود و با چرخش ژنراتور جهت جریان به عقب و جلو تناوب می‌یابد. تناوب یعنی جریان در طول چرخه به نقطه‌ی حداقلی و حداکثری خود برسد و زمانی که به یک اسیلوسکوپ وصل شود یک الگوی موج سینوسی ایجاد می‌کند.
حال می‌توانیم آن را با موج دریا مقایسه کنیم که با تغییر جهت به نقاط حداکثر و حداقل خود می‌رسد. با جاری شدن جریان در کابل یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. اگر جریان DC را از کابل عبور دهیم میدان مغناطیسی ثابت می‌ماند.
اما اگر جریان AC را از کابل عبور دهیم میدان مغناطیسی افزایش یافته و از قدرت آن کاسته می‌شود و با تغییر جهت جریان قطبیت را تغییر می‌دهد.
اگر چند کابل را در کنار یکدیگر قرار دهیم و جریان را از میان آن‌ها عبور دهیم میدان‌های مغناطیسی ادغام شده و یک میدان مغناطیسی قوی‌تر پدید می‌آورند.
اگر کابل را درون یک پیچک بپیچانیم میدان مغناطیسی قوی‌تری خواهیم داشت و اگر یک پیچک دیگر را در نزدیک‌ترین فاصله از پیچک اول قرار دهیم و AC یا جریان متناوب را در پیچک اول جاری سازیم.
میدان مغناطیسی ایجاد شده به پیچک دوم یک جریان القا می‌کند و این نیروی مغناطیسی الکترون‌های آزاد را جذب و دفع کرده و آن‌ها را مجبور به حرکت می‌سازد.
بخش اصلی این است که میدان مغناطیسی علاوه بر قطبیت، شدت خود را نیز تغییر می‌دهد. این تغییر در شدت و جهت میدان مغناطیسی به طور مداوم، الکترون‌های آزاد یک پیچک ثانویه را آشفته می‌سازد و آن‌ها را مجبور به حرکت می‌سازد.
این حرکت، نیروی محرکه‌ی الکتریکی یا EMF نام دارد. زمانی که جریان DC را از پیچک اولیه عبور دهیم نیروی محرکه‌ی مغناطیسی رخ نمی‌دهد و به این خاطر است که میدان مغناطیسی ثابت است و الکترون‌ها مجبور نیستند که حرکت کنند.
تنها زمانی که به مدت خیلی کوتاه باعث ایجاد EMF می‌شود، زمانی است که مدار اول باز و بسته می‌شود یا زمانی که ولتاژ افزایش یا کاهش می‌یابد و به این دلیل است که این موارد سبب تغییر میدان مغناطیسی می‌شوند.
به این خاطر، از جریان متناوب استفاده می‌کنیم چون دائما در حال تغییر است حالا مشکل این تنظیمات این است که میدان مغناطیسی بسیاری از طرف اولیه به هدر می‌رود، زیرا در گستره‌ی پیچک ثانویه قرار ندارد.
پس برای حل این مشکل، مهندسان یک هسته از ماده‌ی فرومغناطیس مثل آهن را در درون حلقه و بین پیچ‌های اولیه و ثانویه قرار می‌دهند.
خب… این حلقه میدان مغناطیسی را در مسیر خود به سمت پیچک ثانویه هدایت می‌کند تا میدان مغناطیسی را به اشتراک بگذارند و همین سبب افزایش بهره‌وری بیشتر ترانسفورماتور می‌گردد.
خب، استفاده از یک هسته‌ی آهنی بهترین راه‌حل نیست. مقداری از انرژی در جریان‌های گردابی به هدر می‌رود. جایی که جریان در اطراف هسته متورم شده و سبب گرم شدن ترانسفورماتور می‌گردد و این یعنی انرژی به صورت گرما به هدر می‌رود.
مهندسان برای کاهش آن، از ورقه‌های لایه لایه‌ی آهن استفاده می‌کنند، تا هسته را تشکیل دهند و این موضوع تا حد چشمگیری از جریان‌های گردابی می‌کاهد.
ترانسفورماتورها در دو نوع افزاینده یا کاهنده تولید می‌شوند و از آن‌ها به منظور افزایش یا کاهش ولتاژ استفاده می‌گردد.
تنها با استفاده از تعداد چرخش‌های متفاوت در پیچک روی طرف ثانویه در یک ترانسفورماتور افزاینده ولتاژ در پیچک ثانویه افزایش می‌یابد و این یعنی جریان کاهش خواهد یافت اما فعلا نگران چرایی این اتفاق نباشید.
در ویدیوی مهندسی برق بعدی، به این مساله می‌پردازیم.. برای افزایش ولتاژ در یک ترانسفورماتور افزاینده فقط باید پیچ‌های بیشتری در سمت ثانویه نسبت. به سمت اولیه به پیچک اضافه کنیم.
در یک ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ در پیچک ثانویه کاهش می‌یابد که یعنی جریان افزایش خواهد داشت. برای این کار، از پیچ‌های کمتری در سمت ثانویه نسبت به سمت اولیه‌ی پیچک استفاده می‌کنیم.
مثلا یک نیروگاه برقی باید الکتریسیته تولید شده را به نقاط دوردست شهر انتقال دهد. نیروگاه برق از یک ترانسفورماتور افزاینده برای افزایش ولتاژ و کاهش جریان استفاده می‌کند. زیرا این میزان هدررفت در کابل‌های انتقال بلند را کاهش می‌دهد.
بعد، زمانی که به شهر رسید برای ایمن شدن و قابل استفاده بودن در ساختمان‌ها و منازل می‌بایست کاهش بیابد. پس وجود یک ترانسفورماتور کاهنده ضروری است.
ترانسفورماتورهای مورد استفاده در ساختمان‌های تجاری و نیروگاه‌های برق معمولا با تنظیمات سه فاز هستند. این‌ها را در اطراف شهر و روستای خود می‌بینید چیزی شبیه به این این ترانسفورمرهای سه فاز را می‌توان از سه ترانسفورمر مجزا که به یکدیگر سیم‌پیچی شده‌اند، ایجاد کرد یا با ساخت یک واحد بزرگ که یک هسته‌ی آهنی مشترک دارند.
در این تنظیمات پیچک‌ها معمولا به صورت هم‌مرکز در کنار یکدیگر قرار دارند. با یک پیچک با ولتاژ بالاتر در سمت بیرون و یک پیچک با ولتاژ پایین‌تر که در داخل قرار دارد حالا این پیچک‌ها از یکدیگر مجزا شده‌اند. به طوریکه تنها میدان مغناطیسی بین دو پیچک عبور خواهد کرد.
برای اتصال این دو سمت تنظیمات مختلف بسیاری وجود دارد. اما رایج‌ترین کاربرد آن اتصال پیچک‌ها با تنظیماتی است که به دلتا وای مشهور است و همچنین برخی مواقع به آن دلتار استار گفته می‌شود.
این به سمت اولیه‌ی سیم‌کشی شده در تنظیمات دلتا اشاره دارد که سمت ثانویه نیز در یک تنظیمات وای سیم‌کشی شده است. نقطه‌ی مرکزی سمت وای که تمام سه اتصال با یکدیگر تلاقی دارند، اغلب اتصال به زمین است که امکان اتصال خط نول را نیز فراهم می‌سازد.
در مورد اتصالات ترانسفورماتور و محاسبات آن در ویدیوهای پیشرفته‌تر صحبت خواهیم کرد، زیرا نمی‌خواهیم موضوع فعلی را پیچیده‌تر کنیم. پس حالا تنها کافی است که بر روی نحوه‌ی عملکرد آن‌ها تمرکز کنید، تا دانش اولیه را به دست آورید.
ترجمه: مینا مقدس نژاد (عضو تیم تحریریه وک شاپ)
منبع ویدیو: YouTube