پيشگفتار :
پيدايش ترانسفورماتور در صنعت برق دو تحول عمده در اين صنعت بوجود آورده است :
۱- ارتباط سراسري ميان شبكه هاي مصرف و توليد در سطح يك يا چند كشور
۲- امكان طراحي وسايل الكتريكي با منابع تغذيه دلخواه.
گستردگي منابع انرژي در سطح هر كشور و مقرون به صرف بودن تاسيس نيروگاههاي برق در نزديكي منابع انرژي ، همچنين ضرورت تعيين محلي خاص براي احداث سدها سبب مي شود كه هنگام انتقال انرژي الكتريكي با ولتاژ پايين ، تلفات زيادي در انرژي توليد شده به وجود آيد. بنابراين ، يا بايد نيروگاههاي برق ، محلي طراحي شوند يا به دليل پايين بودن بازده اقتصادي از احداث آنها صرفنظر شود. بهره گيري از ترانسفورهاي قدرت موجب افزايش ولتاژ جريان انتقال و كاهش تلفات انرژي به مقدار زياد مي شود، در نتيجه :
۱- مشكل انتخاب محل نيروگاه را بر طرف مي كند.
۲- ايجاد شبكه سراسري را ميسر مي سازد.
۳- مديريت بر شبكه مصرف و توليد را به مراتب گسترش مي دهد
از سوي ديگر كاهش ولتاژ جريان متناوب شبكه با استفاده از ترانسفورماتور امكان طراحي وسايل الكتريكي ، الكترونيكي ، صوتي ، تصويري و سيستم هاي كنترل را با هر ولتاژ لازم فراهم مي آورد . همچنين به علت طراحي مدارهاي فرمان الكتريكي با ولتاژ كمتر، ايمني تكنيسينها و كارگران فني مربوطه در هنگام كار افزايش مي يابد.

اصول و طرز كار ترانسفورماتور
ترانسفورماتور دستگاه استاتيكي ( ساكن ) است كه قدرت الكتريكي ثابتي را از يك مدار به مدار ديگر با همان فركانس انتقال مي دهد . ولتاژ در مدار دوم مي تواند بيشتر يا كمتر از مدار اول بشود، در صورتيكه جريان مدار دوم كاهش يا افزايش مي يابد.
بنابراين اصول فيزيكي ترانسفورماتورها بر مبناي القاء متقابل مي باشد كه بوسيله فوران مغناطيسي كه خطوط قواي آن اوليه و ثانويه را قطع مي كند، ايجاد مي گردد.
ساده ترين فرم ترانسفورماتورها بصورت دو سيم القائي است كه از نظر الكتريكي از يكديگر جدا شده هستند ولي از نظر مدار مغناطيس داراي يك مسير با مقاومت مغناطيس كم مي باشد .

هر دو سيم پيچ اوليه و ثانويه داراي اثر القايي متقابل زياد مي باشند . بنابراين اگر يك سيم پيچ به منبع ولتاژ متناوب متصل شود، فلوي مغناطيسي متغير بوجود خواهد آمد كه بوسيله مدار مغناطيسي ( هسته ترانسفورماتور كه از يكديگر عايق شده اند ) مدارش بسته شده و در نيتجه بيشتر فلوي مغناطيسي مدار ثانويه را قطع نموده و توليد نيروي محركه التريكي مي نمايد. ( طبق قانون فاراده نيروي محركه القاء شده ) . اگر مدار ثانويه ترانسفورماتور بسته باشد يك جريان در آن برقرار مي گردد و مي توان گفت كه انرژي الكتريكي سيم پيچ اوليه ( بوسيله واسطه مغناطيس ) تبديل به انرژي الكتريكي در مدار ثانويه شده است .

تعريف مدار اوليه و ثانويه در ترانسفورماتور.
بطور كلي سيم پيچ كه به منبع ولتاژ متناوب متصل مي گردد را سيم پيچ اوليه يا اصطلاحاً «طرف اول » و سيم پيچي كه اين انرژي را به مصرف كننده منتقل مي كند ، سيم پيچ ثانويه « طرف دوم » مي نامند .
حال مي توان بطور كلي مطالب فوق را بصورت زير جمع بندي نمود:
بنا به تعريف ترانسفورماتور وسيله ايست كه :
۱- قدرت الكتريكي را از يك مدار به مدار ديگر انتقال مي دهد. بدون آنكه بين دو مدار ارتباط الكتريكي وجود داشته باشد.
۲- در فركانس مدار هيچگونه تغييري ايجاد نمي نمايد.
۳- اين تبديل بوسيله القاء الكترومغناطيسي صورت مي گيرد.
۴- در صورتيكه مدار اوليه و مدار ثانويه بسته باشند ، اين عمل بصورت القاي متقابل و نفوذ در يكديگر صورت مي گيرد.

ساختمان ترانسفورماتور :
اجزاي يك ترانسفورماتور ساده عبارتند از :
۱- دو سيم پيچ كه داراي مقاومت اهمي و سلفي مي باشند.
۲- يك هسته مغناطيسي .
۳- قسمتهاي ديگري كه اصولاً مورد لزوم مي باشند عبارتند از :
الف : يك جعبه براي قرار دادن سيم پيچ ها و هسته در داخل آن
ب : سيستم تهويه – كه معمولاً در ترانسفورماتورهاي با قدرت زياد، علاوه بر سيستم تهويه مي يابد مخزن روغن نيز براي خنك كردن بهتر كار گرفته شود.
ج : ترمينالهايي كه بايد سرهاي اوليه و ثانويه روي آنها نصب شود.

خصوصيات هسته مغناطيسي :
در تمام انواع ترانسفورماتورها هسته از ورقه هاي ترانسفورماتور ( ورقه هاي دينامو ) ساخته مي شود كه مسير عبور فوران مغاطيسي را با حداقل فاصله هوايي ايجاد نمايد و جنس آن از آلياژ فولاد مي باشد كه مقداري سيليس به آن اضافه گرديده است.
با فعل و انفعالاتي كه در متالوژي بر روي اين نوع فولاد انجام مي شود وعمليات حرارتي كه صورت مي گيرد سبب مي شود كه پر مي ابليته ( قابليت هدايت مغناطيسي ) هسته بالا رفته و به عبارت ديگر تلفات هيستر زيس كاهش مي يابد و بطور كلي مقاومت مغناطيسي كوچك مي گردد.
از طرف ديگر براي كاهش تلفات ناشي از جريان گردابي فوكو هسته ترانسفورماتورها را به صورت ورقه مي سازند و اصولاً يك طرف اين ورقه ها را با ماده اي كه بتواند فوران مغناطيسي را عبور دهد ولي عايق جريان الكتريكي باشد، مي پوشانند و بنابراين اين ورقه ها بايد به ترتيبي چيده مي شوند كه از يكديگر عايق الكتريكي باشند.
معمولاً ضخامت ورقه هاي هسته ترانسورماتورها در فركانس ۵۰ تا ۲۵ بين ۳۵/۰ تا ۵۰/۰ ميليمتر مي باشد.
اين ورقه ها پهلوي هم قرار مي گيرند. و اصولاً مقدار آن محاسبه مي گردد. همانطوريكه در اين شكل مشاهده مي شود ، با قرار گرفتن ورقه ها بر روي يكديگر بين آنها فاصله هوايي بوجود مي آيد و در نتيجه در سطح مقطع هسته هميشه يك شكاف وجود دارد كه اجتناب ناپذير است .

انواع هسته هاي ترانسفورماتور
ساختمان هسته ترانسفورماتورهاي معمولي بدو صورت كلي ساخته مي شوند.
الف : هسته نوع معمولي
ب : هسته نوع زرهي
البته ترانسفورماتور با هسته هاي حلزوني يا مارپيچ هم ساخته مي شود، ولي قسمت عمده را در صنعت تشكيل نمي دهد.
از نظر فيزيكي در ترانسفورماتور با هسته معمولي سيم پيچي اوليه و ثانويه در دو طرف بازوهاي هسته و بصورت مجزا پيچيده مي شوند. در حاليكه در نوع زرهي كه كاربرد بيشتري هم دارد ، اين سيم بندي بر روي قسمت وسط ( اوليه و ثانويه ) روي هم پيچيده مي شوند . و از نظر اقتصادي راندمان كار بيشتر دارد و ارزان تر تمام مي شود . به شكل (۴) توجه كنيد.

در قسمت ( الف ) و ( ب ) دياگرام فوران در هر دو نوع هسته مشخص شده است . در قسمت ( الف ) دياگرام بسيار ساده ترانسفورماتور با هسته نوع معمولي و وضعيت سيم بندي اوليه و ثانويه و جهت مخالف فوران در دو بازوي هسته كاملاً مشخص شده است.
ولي بايد توجه داشت كه مقداري فوران بصورت فوران پراكندگي نيز وجود دارد كه سبب كاهش فوران از مقدار اصلي شده و به آن نشد مغناطيس مي گويند.
اما اگر دقت كنيد ، در مي يابيد كه اينبار فوران مغناطيسي در دو مسير دور مي زند و اگر بخواهيم كه هر يك از سيم پيچ هاي اوليه و ثانويه بر روي بازوي اول و دوم نوع معمولي پيچيده شده اند. ( يعني بر خلاف نوع معمولي كه مي يابد كه مي بايد اوليه بر روي يك بازو ثانويه بر روي بازوي ديگر باشند ) .
بايد توجه داشت كه چه نوع هسته معمولي باشد و چه نوع زرهي هر دو نوع هسته از ورقه هاي ترانسفورماتور ساخته شده است كه در نوع معمولي اين ورقه ها را بفرم L در مي آورند و در نوع زرهي اين ورقه ها را بصورت E و I در مي آورند پهلوي هم قرار مي دهند .
نحوه سوار كردن هسته و بستن سيم پيچ يك ترانسفورماتور با هسته نوع معمولي بصورت مي باشد.

همچنانكه در شكل مشاهده مي گردد. اگر قسمت نمايش يك طبقه هسته باشد، قسمت نمايش طبقه دوم هسته است و به همين ترتيب اين عمل تكرار مي شود تا سطح مقطع خواسته شده بدست آيد. و اين عمل براي جلوگيري از افزايش ( مقاومت مغناطيسي ) در نقاط اتصال هسته و كاهش فوران پراكندگي صورت مي گيرد.
نتيجه مي گيريم كه در ترانسفورماتور با هسته نوع معمولي هميشه بايد هر طبقه ورقه ترانسفورماتور نسبت به طبقه بعدي در خلاف جهت هم چيده شوند.
نحوه سوار كردن هسته و بستن سيم پيچ ترانسفورماتور باهسته نوع زرهي هم مانند نوع معمولي است و مطابق صورت مي گيرد.

تئوري مقدماتي ترانسفورماتور آيده آل :
ترانسفورماتور ايده آل ، ترانسفورماتوري است كه افت ندارد. براي مثال سيم پيچ هاي آن مقاومت اهمي ندارد و پراكندگي فوران معناطيسي در آن وجود ندارد . تلفات مسي و تلفات مسي آهني ( p Fe ) در آن موجود نمي باشد.
پس بطور كلي يك ترانسفورماتور ايده آل شامل دو سيم پيچ با ندوكيتويته خالص ( مقاومت سلفي ) كه روي هسته بدون افت فوران مغناطيسي پيچيده شده مي باشد . بايد خاطر نشان شود كه چنين ترانسورماتوري عملاً غير ممكن است و وجود خارجي ندارد و به همين دليل به آن ايده ال مي گوييم . ولي براي كار بحث در مورد ترانسفورماتورها را از حالت ايده آل شروعت كرده و مرحله جلو مي بريم تا به حالت واقعي آن نزديك شويم.

تراسنفورماتور ايده آلي كه مدار ثانويه آن باز است و مدار اوليه آن به مدار اوليه آن به منبع ولتاژ متناوب سينوس V1 متصل است را در نظر مي گيريم . اين ولتاژ باعث يك جريان متناوب در مدار اوليه مي شود. از آنجائيكه سيم پيچي اوليه سلف خالص است و مدار خروجي هم باز است ، پس جرياني كه از مدار اوليه عبور مي كند فقط جريان مغناطيس كننده است . اثر اين جريان فقط مغناطيس كردن هسته مي باشد و از لحاظ دامنه مقدار آن خيلي كوچك است و نسبت به V1 مقدار ۹۰ درجه اختلاف فاز دارد، كه چون مدار سلفي است اين اختلاف فاز بصورت « پس فاز » مي باشد . جريان متناوب يك فوران مغناطيسي متغير كه در تمام مدت متناسب با جريان است را توليد مي كند ( فرض مي كنيم قابليت هدايت مغناطيسي هسته ثابت است ) و بنابراين با آن هم فاز است .

اين فوران متغير هم سيم بندي اوليه و هم ثانويه را قطع مي كند . و طبق قانون لنز نيروي الكتروموتوري E1 را در اوليه توليد مي كند و اين نيروي الكتروموتوري كه در اين حالت به آن خود القاء هم مي توان گفت از نظر مقدار در هر لحظه معادل V1 ولي در جهت مخالف آن مي باشد. به همين ترتيب در ثانويه نيز نيروي الكتروموتوري E2 توليد مي شود كه به آن مي توان نيروي القاي متقابل نيز گفت ، كه جهت آن در خلاف جهت فاز V1 و دامنه آن متناسب با مقدار تغيير فوران مغناطيسي و تعداد دور سيم بندي ثانويه مي باشد.

مقادير لحظه اي ولتاژ بكار رفته و نيروي الكتروموتوري القاء شده و جريان مغناطيسي كننده بوسيله منحني هاي سينوسي مشخص گرديده اند .
معادله نيروي الكتروموتوري در يك ترانسفورماتور
فرض مي كنيم كه تعداد دور سيم پيچهاي اوليه برابر N1 و تعداد دور سيم پيچهاي ثانويه برابر N2 باشد ، و از طرفي فوران مغناطيسي ماكزيمم در هسته نيز برابر است با :

= فوران مغناطيس ماكزيمم هسته
= چگالي فوران مغناطيسي ماكزيمم هسته .
S = سطح مقطع هسته .
چون جريان متناوب است ، بنابراين شكل موج فوران مغناطيس هم كه همفاز با آن مي باشد نيز متناوب است بنابراين اگر مطابق شكل (۱۰) زماني معادل ۴/۱ زمان تناوب يعني را در نظر بگيريم در اين مدت زمان فوران مغناطيسي از مقدار صفر به مقدار ماكزييم خود افزايش مي يابد.

بنابراين اگر بخواهيم مقدار فوران مغناطيسي متوسط هسته را بدست آوريم بايد مقدار از صفر تا ماكزييم را بر زماني كه اين مقدار در طي آن افزايش مي يابد تقسيم كنيم تا مقدار متوسط فوران بدست آيد. يعني :
مقدار متوسط تغييرات فلوي مغناطيسي
كه واحد آن بصورت وبر (wb) بر ثانيه (sec) مي باشد. (wb/sec)
چون مي دانيم كه مقدار نيروي محركه القايي مي باشد . از مقادير متوسط را بررسي كنيم فرمول را بصورت زير براي مقادير متوسط مي توان نوشت:

يعني : مقدار متوسط نيروي محركه القايي برابر است با مقدار متوسط فوران مغناطيس كننده كه در فرمول فوق N , e را مي توان هم براي اوليه در نتيجه صورت N1 , E1 و هم براي ثانويه در نتيجه بصورت N2 , E2 در نظر گرفت . با توجه به بحث فوق در حالت كلي مي توان فرمول بالا را بصورت زير تعريف نمود.

چون مقدار متوسط نيروي محركه القاء شده برابر است با مساحت سطح زير منحني سينوسي تقسيم بر يك ضلع آن يعني بنابراين مي توان مقدار متوسط نيروي محركه را بصورت زير محاسبه نمود.
و از طرفي مي دانيد كه مقدار موثر نيروي محركه القا شده برابر است با :
بنابراين نسبت نيروي محركه موثر به نيروي محركه متوسط برابر است با :
پس مي توان نوشت :
و از رابطه (۱) نيز مقدار عددي Em را در رابطه اخير قرار مي دهيم و در نتيجه

بنابراين مي توان نيروي الكتروموتوري القا شده در طرف اوليه را بصورت زير محاسبه نمود:

كه در اين فرمول N1 تعداد حلقه هاي اوليه مي باشد. و بهمين ترتيب مقدار مؤثر نيروي محركه القايي در طرف ثانويه برابر است با :
كه در فرمول الخير N2 تعداد حلقه هاي طرف ثانويه مي باشد.
در يك ترانسفورماتور ايده آل و بي بار مي توان نوشت : E2=V2 و E1 =V1
كه مقدار V2 ولتاژ بي باري طرف ثانويه مي باشد.

محاسبه ضريب تبديل ترانسفورماتور
اگر معادله نيروي محركه القاء شده در اطراف اول (E1) را بر معادله نيروي محركه القاء شده در طرف دوم (E2) تقسيم كنيم خواهيم داشت.

اين نسبت به عنوان ضريب تبديل ولتاژ يا بطور كلي ضريب تبديل ترانسفورماتور شناخته مي شود. از رابطه فوق مي توان نتيجه گرفت :
الف : اگر باشد يعني در نتيجه به ترانسفورماتور فوق افزاينده مي گويند.
ب : اگر باشد يعني در نتيجه به ترانسفورماتور فوق كاهنده مي گويند .
اما چون بحث در مورد ترانسفورماتورهاي ايده آل است بنابراين افت قدرت در آنها موجود نمي باشد ، و مي توان نوشت كه : قدرت خروجي = قدرت ورودي

بنابراين رابطه جريانها نسبت به ضريب تبديل ولتاژها بصورت عكس مي باشد.
بررسي ترانسفورماتور همراه با افت ولي بدون پراكندگي مغناطيسي
در اين حالت بدو صورت ترانسفورماتور را مورد برسي قرار مي دهيم:
الف : در حاليكه ترانسفورماتور بدون بار باشد.
ب : در صورتيكه ترانسفورماتور باردار باشد .
الف : بررسي ترانسفورماتور در حالتبي باري .
در بحث قبل در مورد ترانسفورماتور ايده آل فرض كرديم كه هيچگونه افت آهن و مسي در آن موجود نيست. اما شرايط واقعي ترانسفورماتور ايجاب مي كند كه اصلاحات و تغييرات اساسي در تئوري قبل ايجاد شود.

موقعيكه يك ترانسفورماتور واقعي بدون بار است تلفات آهني در هسته و تلفات مس در سيم پيچ ها هست و اين تلفات كلاً قابل صرف نظر كردن نمي باشند ، حتي موقعيكه يك ترانسفورماتور بدون بار است ، جريان ورودي اوليه تماشا راكتيو نيست. بلكه اين جريان مجبور است :
۱- افت ناشي از تلفات آهني در هسته را جبران كند يعني تلفات هيسترزيس و فوكو.
۲- مقدار خيلي كمي هم تلفات مسي در اوليه را جبران نمايد.
( البته توجه داريد كه ترانسفورماتور بي بار است و در طرف ثانويه افت مسي وجود ندارد) .
بنابراين نتيجه مي شود كه بعلت تلفات فوق بين جريان بي باري اوليه I0 و ولتاژ اوليه V1 زاويه ۹۰ درجه بصورت پس فاز موجود نمي باشد . بلكه اين زاويه برداري از مقدار ۹۰ كمتر است .قدرت ورودي بي باري برابر است با :
بنابراين شرايط بي باري يك تراسنفورماتور واقعي را مي توان بصورت برداري نمايش داد.