آزمایش بررسی ترانسفورماتورها
هدف آزمایش: مطالعه اصول فیزیكی یك ترانسفورماتور.
وسایل آزمایش: رئوستا 20 اهمي، پك كامل پرتهاي آزمايشگاهي uشکل، منبع تغذیه AC-DC واريابل ( )، فن خنك كننده، سیم پیچ الکترومغناطیس300 دور، سیم پیچ الکترومغناطیس600 دور، سیم پیچ الکترومغناطیس900 دور، سیم پیچ الکترومغناطیس 1200 دور، هسته I بزرگ ورقهای لمینت شده، هسته U ورقهای لمینت شده و گیره مربوطه، مولتيمتر دستي دیجیتال (2عدد).
تئوری آزمایش:
ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور مدار باز برحسب تابعی از:
1) تعداد دورهای اولیه 2) تعداد دورهای ثانویه 3) ولتاژ اولیه
جریان مدار اتصال كوتاه در طرف دوم برحسب تابعی از:
1) تعداد دورهای اولیه 2) تعداد دورهای ثانویه 3) جریان اولیه
جریان اولیه برای ترانسفورماتور باردار برحسب تابعی از:
1) جریان ثانویه 2) تعداد دورهای ثانویه 3) تعداد دورهای اولیه
تئوری آزمایش
ترانسفورماتورها براساس القای الكتریكی یعنی ایجاد نیروی الكتروموتوری القایی دراثر تغییر شارمغناطیسی كار می كنند. برای یك ترانسفورماتور درحالت ایده آل، رابطه ولتاژ ورودی به ولتاژ خروجی مطابق زیر است:
(1)
كه n تعداد دور پیچه هاست.
در یك ترانسفورماتور ایدهآل تلفات وجود ندارد. مقدار انرژی¬ای كه ترانسفورماتور از شبكه برق می گیرد است كه درآن، زاویه بین ولتاژ وجریان سیم پیچ اولیه است.
مقدار انرژی تحویلی برابر می باشد. چون بنا به فرض، ترانسفورماتور فاقد تلفات می باشد پس = است وداریم :
(2)
ازتركیب دو رابطه (1) و (2) نتیجه می شود:
(3)
یعنی نسبت جریان ها به نسبت عكس تعداد دورهاست.
خارج قسمت نسبت ترانسفورماسیون (نسبت تبدیل) نامیده می شود.
چون اتلاف حرارت در یك سیم متناسب با مجذور جریان است، بنابراین مناسب است كه برای انتقال انرژی، از ولتاژ زیاد و جریان كم استفاده كنند، از تراتسفورماتورهای افزاینده ( ) برای بالا بردن ولتاژ ژنراتورها استفاده می شود. سپس انرژی را با این ولتاژ انتقال می دهند. در انتهای خط از تراتسفورماتورهای كاهنده ولتاژ استفاده كرده و اختلاف پتانسیل را تا حد قابل مصرف پایین می آورند. یكی از مهمترین عللی كه باعث استفاده زیاد جریان متناوب در صنعت شده است همین موضوع قابل تغییر بودن ولتاژ توسط ترانسفورماتورها است.
ترانسفورماتور تجارتی
ترانسفورماتور تجارتی دارای تلفات است. این تلفات باعث می شود كه بازده تراسفورماتور در حدود R كم شود تلفات هنگامی كمینه هستند كه ترانسفورماتور در شرایطی كه برای آن طرح شده است كار كند. مقدار بازده چنین است:
تلفات در ترانسفورماتور از دو قسمت تشكیل شده است: تلفات مس و تلفات در هسته آهن
تلفات درهسته آهن: تلفات آهن بستگی به ولتاژ دارد و با تغییر بار تغییر نمی كند. بنابراین هرگاه از تراتسفورماتور بار بگیریم بازده آن بهتر می شود. تلفات آهن از سه عامل زیر ناشی می شود:
1-تلفات هیستر زیس:
می دانیم كه وقتی آهن مغناطیس می شود، مقداری از آهنربایی را در خود نگه¬ می¬دارد كه برای زایل كردن آن باید آن را درجهت عكس آهنربا كرد. از بین بردن این آهنربایی همواره با از دست دادن مقداری انرژی همراه است. در جریان متناوب كه آهنربایی متناوباً تغییر می كند، این پس ماند، مقداری از انرژی را تلف می كند كه مقدار آن متناسب با فركانس است و به «تلفات هیسترزیس» مشهور است. با انتخاب جنس آهن مورد استفاده درهسته، می توان اتلاف هیسترزیس را به حداقل رسانید. درصنعت، بیشتر از آهنی استفاده می شود كه 4% سیلیس داشته باشد.
2-جریان فوكو:
شار متغیری كه ازهسته عبور می كند، یك نیروی الكتروموتوری درخود هسته، القا می كند و این نیروی الكتروموتوری به نوبه خود جریانی در هسته ایجاد می كند. این جریان را جریان فوكو می نامند. مقدار جریان بستگی به مقاومت هسته دارد. بنابراین برای كم كردن تلفات فوكو باید مقاومت الكتریكی هسته را زیاد كرد. برای انجام این كار، هسته را از آلیاژ مناسب اختیار كرده و آن را ورقه ورقه می سازند. این ورقه ها نسبت به یكدیگر عایق هستند. تلفات فوكو به مجذور فركانس بستگی دارد.
3- شار پراكندگی:
هنگامی كه یك مسیر مغناطیسی با قابلیت نفوذ زیاد و سطح مقطع كافی برای شار موجود باشد تمام شار از این مسیر عبور خواهد كرد و از داخل هر دو سیم پیچ خواهد گذشت.
اما اگر در این مسیر یك شكستگی وجود داشته یا مقطع آن كم باشد مقداری از شار از آهن خارج شده و مدار خود را در هوا طی می كند. این شار پراكنده از سیم پیچ دوم نخواهد گذشت و باعث پایین آمدن بازده خواهد شد.
تلفات مس: دریك ترانسفورماتورایده¬آل، مقاومت سیم پیچ ها را صفر فرض كردیم درحالیكه در یك ترانسفورماتور حقیقی، سیم پیچ ها دارای مقاومت هستند. بنابراین مقداری حرارت معادل درسیم پیچ ها ایجاد می شود كه در آن R مقاومت سیم پیچ است. تلفات مس را حتی المقدور با كم كردن مقاومت كاهش می دهند. روش آزمایش
الف) مدار را مطابق شكل ببندید و آن را به برق شبكه وصل نمایید. با افزایش ولتاژ اولیه، ولتاژهای ثانویه را اندازه گیری كنید و جدول (1) را پركنید.
با استفاده ازسیم پیچهای مختلف رابطه بین ولتاژ و تعداد دور را بررسی كنید.
نمودار ولتاژ برحسب تعداد دور را رسم كنید.
50 40 30 20
جدول (1)
ب) برای اتصال كوتاه ابتدا ولتاژ منبع را روی صفر قرار دهید، سپس دو انتهای ثانویه را بهم وصل كنید و جریان I1 را 1A تنظیم كنید، جریان در طرف دوم را اندازه گیری كنید، وابستگی به تعداد دورهای اولیه و ثانویه و جریان اولیه را بررسی كنید. منحنی مربوط به جریان را برحسب تعداد دورهای اولیه و ثانویه رسم كنید.
ج) برای ترانسفورماتور باردار، ازیك رئوستا به عنوان بار استفاده كنید و با تغییر مقاومت آن جریان های خواسته شده درجدول (2) را تنظیم كرده و I1 را اندازه گیری نمایید.منحنی I2 را برحسب I1 رسم كنید.
I1
1 8/0 6/0 4/0 2/0 I2
جدول (2)