പരിവർത്തകങ്ങൾ ( Transformers ) നാലാം ഭാഗം - ട്രാൻസ്ഫോർമറിന്റെ പരിപഥങ്ങൾ( Transformer circuits)

ട്രാൻസ്ഫോർമറിന്റെ വെക്ടർ ചിത്രം.

ട്രാൻസ്ഫോർമറിന്റെ  പ്രൈമറി, സെക്കന്ററി, കരണ്ടുകൾ വോൾട്ടെജുകൾ എന്നിവ ഉൾപ്പെടുത്തി വരയ്ക്കുന്നതാണ്‌ ട്രാൻസ്ഫോർമറിന്റെ വെക്ടർ ചിത്രം

മാതൃകാ ട്രാൻസ്ഫോർമർ ( Ideal transformer)

ട്രാൻസ്ഫോർമറിൽ ഊർജ്ജനഷ്ടവും (energy  loss) കാന്തികച്ചോർച്ചയുമൊന്നുമില്ലാത്ത (magnetic leakage) ട്രാൻസ്ഫോർമറാണ്‌ മാതൃകാട്രാൻസ്ഫോർമർ. ഇതിൽ പ്രൈമറി സെക്കന്ററി വൈന്റിങ്ങുകൾക്കു പ്രതിരോധം  (resistance )ഇല്ല എന്നു സങ്കൽപ്പിയ്ക്കുന്നു. 

ചിത്രം കാണുക. ഈ ട്രാൻസ്ഫോർമറിന്റെ പ്രൈമറിയിൽ ഒരു പ്രത്യാവർത്തിധാരാ വോൾട്ടേജ്‌ V₁ നൽകുന്നു. അപ്പോൾ ട്രാൻസ്ഫോർമർ പ്രൈമറി ഒരു കരണ്ടെടുക്കുന്നു. ഇതിനെ കാന്തവൽക്കരണ കരണ്ടെന്നു പറയുന്നു (magnetaization current) ഇത്‌ I_m എന്ന അക്ഷരം കൊണ്ടു സൂചിപ്പിയ്ക്കുന്നു. കോറിനെ കാന്തവൽക്കരിയ്ക്കാനാണീ കരണ്ടെടുക്കുന്നത്‌. അതുകൊണ്ടുതന്നെ ഇതിന്റെ അളവ്‌ വളരെ ചെറുതായിരിയ്ക്കും. ഈ കരണ്ട്‌ പ്രൈമറി വോൾട്ടെജ്‌ V1 നെ 90 ഡിഗ്രി കോണളവിൽ ലാഗ്ഗിംഗിലായിരിയ്ക്കും (90⁰ lagging ).

Im കോറിൽ ഒരു കാന്തിക ഫ്ലക്സ്‌ Φ . ഉണ്ടാക്കുന്നു. Im ഉം Φ യും ഒരെ ഫേസിലായിരിയ്ക്കും.മാത്രമല്ല ഈ ഫ്ലക്സ്‌ മുൻപ്‌ പറഞ്ഞപോലെ നിരന്തരം വ്യതിയാനം വരുന്ന ( Alternating ) രീതിയിലുമായിരിയ്ക്കും. ഈ കാന്തിക ഫ്ലക്സുമൂലം പ്രൈമറിയിൽ ഒരു ഇ എം എഫ്‌  ( e.m.f.) ഉൽപ്രേരിപ്പിയ്ക്കപ്പെടും ഇതിനെ E1 എന്ന അക്ഷരം കൊണ്ടു സൂചിപ്പിയ്ക്കുന്നു. ഇത്‌ V1 നു വിപരീത ദിശയിലായിരിയ്ക്കും. E1 നെ പ്രൈമറി വൈന്റിങ്ങിലെ ബാക്ക്‌ ഇ എം എഫ്‌ ( back e.m.f.) എന്നു പറയുന്നു.

 അതുപോലെ തന്നെ സെക്കന്ററിയിലും പരസ്പര പ്രേരണം ( Mutual induction )വഴി ഇ എം എഫ്‌ E2 ഉൽപ്രേരിപ്പിയ്ക്കപ്പെടും . പ്രൈമറി വോൾട്ടേജായ V1 നു എതിർ ദിശയിലായിരിയ്ക്കും E2 വും . ഇങ്ങനെ ഉൽപ്രേരിപ്പിയ്ക്കപ്പെട്ട വോൾട്ടേജുകളുടെ മൂല്യം മുകളിൽ സൂചിപ്പിച്ച സമീകരണം കൊണ്ടു കണക്കാക്കാം.

ഒരു മാതൃകാ ട്രാൻസ്ഫോർമറിലെ പ്രൈമറി സെക്കന്ററി വോൾട്ടത, കരണ്ടുകൾ മുതലായവയുടെ തരംഗ ചിത്രവും, വെക്ടർ ചിത്രവും താഴെക്കൊടുക്കുന്നു.

വൈന്റിംഗ്‌ പ്രതിരോധം ( Winding resistance )

 ട്രാൻസ്ഫോർമർ വൈന്റിംഗ്‌ നിർമ്മിയ്ക്കുന്നത്‌ ചാലകകമ്പി ( Conductor )കൊണ്ടാണെന്നു നമുക്കറിയാം. ചാലകങ്ങൾക്കു പ്രതിരോധം ( Resistance ) ഉള്ളതിനാൽ വൈന്റിങ്ങിനു  പ്രതിരോധമുണ്ടാകും ഇതിനെ വൈന്റിംഗ്‌ പ്രതിരോധമെന്നു ( winding resistance ) പറയുന്നു. പ്രൈമറിയ്ക്കും സെക്കന്ററിയ്ക്കും പ്രതിരോധമുണ്ടാകും. ഇതുമൂല ട്രാൻസ്ഫോർമർ വൈന്റിങ്ങിൽ ഊർജ്ജ നഷ്ടമുണ്ടാകുകയും വോൾട്ടതക്കുറവുണ്ടാകുകയും ചെയ്യും. വൈന്റിങ്ങിലുണ്ടാകുന്ന ഊർജ്ജനഷ്ടം ജൂൾസ്‌ ( Joules law ) നിയമമനു സരിച്ച് I²R  എന്നു കാണം. വോൾട്ടതയിലുണ്ടാകുന്ന കുറവ്‌ ( Voltage drop ), IR എന്നും കാണാം.

(ഇവിടെ I എന്നത്‌ വൈന്റിങ്ങിലൂടെയുള്ള കരണ്ടും Rഎന്നത്‌ വൈന്റിങ്ങിന്റെ പ്രതിരോധവുമാണ്‌)

കാന്തിക ചോർച്ച. ( Magnetic leakage )

മാതൃകാപരമായ ( Ideal ) ട്രാൻസ്ഫോർമറിൽ പ്രൈമറി വൈന്റിങ്ങുൽപ്പാദിപ്പിയ്ക്കുന്ന കാന്തിക ഫ്ലക്സ്‌ മുഴുവനായും സെക്കന്ററിയിലെത്തുന്നതായി സങ്കൽപ്പിയ്ക്കുന്നു. എന്നാൽ യഥാർത്ഥത്തിൽ ഇതു സംഭവിയ്ക്കുന്നില്ല. പ്രൈമറി ഉൾപ്പാദിപ്പിയ്ക്കുന്നി കാന്തിക ഫ്ലക്സിന്റെ ചെറിയൊരു ഭാഗം കോറിലൂടെ സഞ്ചരിച്ച്‌ സെക്കന്ററിയുമായി സമ്പർക്കത്തിൽ വരാതെ വായുവിലൂടെ സഞ്ചരിയ്ക്കുന്നു. ഇതിനെ കാന്തിക ചോർച്ച ( Magnetic leakage ) എന്നു പറയുന്നു. ഇതുമൂലം പ്രൈമറിയിൽ ഒരു ഇൻഡക്ടൻസുണ്ടാകുകയും ( Inductance ) പ്രൈമറിയിൽ ഇൻഡക്ടീവ്‌ റിയാക്ടൻസുണ്ടാകുകയും ( Inductive reactance or leakage reactance ) ചെയ്യും. ഇതുപോലെ സെക്കന്ററിയിലെ ലീക്കേജ്‌ ഫ്ലക്സുമൂലം സെക്കന്ററിയിൽ റിയാക്ടൻസുണ്ടാകുകയും ചെയ്യും. കോറിലെ കാന്തിക ഫ്ലക്സു ക്സു കൂടുന്നതനുസരിച്ച്‌ ലീക്കേജ്‌ ഫ്ലക്സും കൂടിവരും. ലീക്കേജ്‌ റിയാക്ടൻസു മൂലം ട്രാൻസ്ഫോർമറിൽ വോൾട്ടതാ നഷ്ടമുണ്ടാകും. ( Voltage drop )

പ്രതിരോധം ( Resistance )  - ഒരു ചാലകത്തിലൂടെയുള്ള വൈദ്യുതിപ്രവാഹത്തിന്‌ ( current )ആ ചാലകം നൽകുന്ന എതിർപ്പിനെയാണ്‌ ( Opposition) പ്രതിരോധം എന്നു പറയുന്നത്‌. ഒരു ചാലകത്തിന്റെ പ്രതിരോധം ആ ചാലകത്തിനെ വണ്ണം, നീളം, ചാലകം നിർമ്മിച്ച വസ്തു, ചാലകത്തിന്റെ താപനില എന്നിവയെ ആശ്രയിച്ചിരിയ്ക്കും. ചാലകത്തിന്റെ നീളം കൂടുമ്പോൾ പ്രതിരോധം നേർ അനുപാതത്തിൽ വർദ്ധിയ്ക്കുകയും ചാലകത്തിന്റെ ഛേദതല വിസ്തീർണ്ണത്തോടു വിപരീതാനുപാതത്തിലായിരിയ്ക്കുകയും ചെയ്യും. ഓരോ ചാലകത്തിന്റേയും പ്രതിരോധം ആചാലകം നിർമ്മിച്ച വസ്തുവിന്റെ വിശിഷ്ട പ്രതിരോധ ( specific resistance or resistivity )ത്തിനാനുപാതികമായിരിയ്ക്കും. ലോഹീയ ചാലകങ്ങളിൽ ( metals ) താപനില വർദ്ധിയ്ക്കുമ്പോൾ പ്രതിരോധം വർദ്ധിയ്ക്കുകയും, അർദ്ധ ചാലകങ്ങൾ, കുചാലകങ്ങൾ എന്നിവയിൽ താപനില കൂടിയാൽ പ്രതിരോധം കുറയുകയും ചെയ്യും

ഇംഗ്ലീഷ്‌ അക്ഷരമായ R എന്നതുകൊണ്ടാണ്‌ പ്രതിരോധത്തെ സൂചിപ്പിയ്ക്കുന്നത്‌ ഓം ( ohm - Ω ) എന്നതാണിതിന്റെ ഏകകം

ഒരു ചാലകത്തിന്റെ രണ്ടഗ്രങ്ങൾക്കിടയ്ക്ക്‌ ഒരു നേർധാരാ വോൾട്ടതനൽകിയാൽ ( DC ) അതിലൂടെ ഒഴുകുന്ന കരണ്ട്‌ എന്നത്‌ I=V/R എന്നായിരിയ്ക്കും.

പ്രതിരോധമുള്ള ഒരു ചാലകത്തിലൂടെ കരണ്ടൊഴുകുമ്പോൾ അതിൽ ഊർജ്ജനഷ്ടമുണ്ടാകും(energy loss ) . ആ ഊർജ്ജനഷ്ടം താഴെക്കാണുന്ന സമീകരണത്തിലൂടെ മനസിലാക്കാം. ഇതിൽ I എന്നത്‌ പ്രവാഹ തീവ്രത ( current – Ampere ), R ചാലകത്തിനെ പ്രതിരോധം ( Resistance - Ω ), t എന്നത്‌ കരണ്ടോഴുകിയ സമയം

H=I²Rt   joules

മാത്രമല്ല പ്രതിരോധമുള്ള ചാലകത്തിലൂടെ കരണ്ടൊഴുകുമ്പോൾ അതിൽ വോൾട്ടത നഷ്ടമുണ്ടാകുന്നു ( voltage drop ) അത്‌ V=  I.R എന്നും കാണാം

ഒരു ചാലകത്തിലൂടെ ദിശയ്ക്കോ മൂല്യത്തിനോ വ്യതിയാനം സംഭവിയ്ക്കുന്ന വൈദ്യുത പ്രവാഹമുണ്ടാകുകയാണെങ്കിൽ ( Alternating current ) ചാലകം അത്തരം കരണ്ടൊഴുകുന്നതിനെ പ്രതിരോധിയ്ക്കാൻ ശ്രമിയ്ക്കും. ഉദാഹരണത്തിനു എ.സി കരണ്ടാണൊഴുകുന്നതെങ്കിൽ ഡി സി കരണ്ടൊഴുകുന്നതിനേക്കാൾ കൂടുതൽ എതിർപ്പ്‌ ചാലകം പ്രകടിപ്പിയ്ക്കും. ഇതിനെ ഇൻഡക്ടീവ്‌ റിയാക്ടൻസ്‌ ( Inductive reactance ) എന്നു വിളിയ്ക്കുന്നു. ചാലകത്തിനെ സ്വയംപ്രേരണ ( self induction ) സ്വഭാവമാണിതിനു കാരണം. ഇതിനെ ഇൻഡക്ടൻസ്‌ ( inductance ) എന്നു പറയുന്നു. ചാലകത്തിലൂടെ എ.സി കരണ്ടൊഴുകുമ്പോൾ അതിനു ചുറ്റുമുള്ള കാന്തികഫ്ലക്സും പ്രത്യാവർത്തിധാരാ സ്വഭാവത്തിലുള്ളതായിരിയ്ക്കും. അതിനാൽ അത്‌ ചാലകത്തിലുണ്ടാക്കുന്ന പ്രേരിത വോൾട്ടതയാണ്‌ റിയാക്ടൻസിനു കാരണം. ഓരു ഇൻഡക്ടർ അതിലൂടെയുള്ള കരണ്ടിന്റെ എല്ലാത്തരത്തിലുള്ള വ്യതിയാനത്തോടും എതിർപ്പു പ്രകടിപ്പിയ്ക്കും. ചാലകങ്ങൾ നേരെയുള്ള കമ്പികളായിരിയ്ക്കുന്നതിനേക്കാൾ ചുരുളുകളായിരിയ്ക്കുമ്പോളാണ്‌( coil ) അവയുടെ ഇൻഡക്ടൻസ്‌ കൂടുതലായിരിയ്ക്കുന്നത്‌. അതിനാൽ വൈന്റിങ്ങുകൾക്ക്‌ ഇൻഡക്ടൻസും ഇൻഡക്ടീവ്‌ റിയാക്ടൻസും കൂടുതലായുണ്ടാകും.

ചുരുക്കത്തിൽ ഒരു ചാലകത്തിലൂടെ എ.സി കരണ്ടൊഴുകുമ്പോൽ അതിൽ പ്രതിരോധവും റിയാക്ടൻസുമുണ്ടാകും. ഇവയുടെ രണ്ടിന്റേയും വെക്ടർ തുകയെ ( vector sum ) ഇമ്പീഡൻസ്‌ ( Impedence )എന്നു പറയുന്നു. ഒരു ചാലകത്തിന്റെ അഗ്രങ്ങളിൽ ഒരു എ.സി വോൾട്ടത നൽകിയാൽ അതിലൂടെയുള്ള  കരണ്ട്‌   I = V/Z  എന്നു കാണാം.

ഇവിടെ  I കരണ്ടും, V വോൾട്ടതയും Z ഇമ്പീഡൻസുമാണ്‌

എന്നാൽ അതേ ചാലകത്തിലൂടെ അതേ മൂല്യം ഡി.സി വോൾട്ടത നൽകിയാൽ കരണ്ട്‌  I = V/R  എന്നും കാണാം.

 റിയാക്ടൻസിന്റേയും ഇമ്പീഡൻസിന്റേയും ഏകകം ( unit ) ഓം  ( ohm - Ω )  തന്നെയാണ്‌. റിയാക്ടൻസിലൂടെ കരണ്ടൊഴുകുമ്പോൽ അതിൽ പ്രതിരോധത്തിലേതു പോലെ ഊർജ്ജ നഷ്ടമുണ്ടാകുകയില്ല ( Energy loss ) എന്നാൽ റിയാക്ടൻസിൽ വോൾട്ടതാ നഷ്ടമുണ്ടാകും ( Voltage drop ). അത്‌ V = I.X എന്നു കാണാം. ഇവിടെ X എന്നത്‌ ഇൻഡക്ടീവ്‌ റിയാക്ടൻസാണ്‌.

ഇമ്പീഡൻസിൽ നഷ്ടം ( Impedence drop )വരുന്ന വോൾട്ടതയാണെങ്കിൽ V = I.Z എന്നും കാണാം. റിയാക്ടൻസിൽ നഷ്ടം( Reactance voltage drop )വരുന്ന വോൾട്ടത യും കരണ്ടും തമ്മിൽ 90⁰ ഫേസ്‌ വ്യതിയാനമുണ്ടായിരിയ്ക്കും. എന്നാൽ പ്രതിരോധത്തിലെ വോൾട്ടതയും കരണ്ടും നേർ ഫേസിലായിരിയ്ക്കും.

ട്രാൻസ്ഫോർമറിന്റെ വൈന്റിങ്ങും ചാലകത്താൽ ചുറ്റിയ കോയിലാണല്ലോ. അതിനാൽ ട്രാൻസ്ഫോർമർ വൈന്റിങ്ങുകൾക്ക് പ്രതിരോധമുണ്ടാകും. അതിനാൽ അവയിൽ വോൾട്ടതാനഷ്ടവും പവർ നഷ്ടവുമുണ്ടാകും. ഊർജ്ജ നഷ്ടം താപമായാണ്‌ ( heat )  പുറത്തു വരിക . ഈ ഊർജ്ജ നഷ്ടത്തെ കോപ്പർ ലോസ്‌ ( Copper loss )എന്നു പറയുന്നു. പ്രൈമറിയിലും  സെക്കന്ററിയിലും കോപ്പർ ലോസ്സ്‌ ഉണ്ടാകും. ട്രാൻസ്ഫോർമറിലെ പ്രതിരോധം മൂലമുണ്ടാകുന്ന കോപ്പർ ലോസ്സ്‌ ( Copper loss ) ട്രാൻസ്ഫോർമറിലെ കരണ്ടിന്റെ വർഗ്ഗത്തി ( square of current ) നാനുപാതികമായിരിയ്ക്കും. അത്‌ പൂർണ്ണമായ അളവിൽ ( Full load ) കരണ്ടൊഴുകുമ്പോൾ ഉണ്ടാകുന്ന കോപ്പർ ലോസിന്റെ നാലിലൊന്നേ പകുതി ലോഡിൽ ( half load ) ഉണ്ടാകു.

കോറിലുണ്ടാകുന്ന ഊർജ്ജനഷ്ടം

ട്രാൻസ്ഫോർമർ പ്രവർത്തിയ്ക്കുമ്പോൽ കോറിലുണ്ടാകുന്ന ഊർജ്ജ നഷ്ടം രണ്ടു വിധത്തിലുണ്ട്‌.

1, ഹിസ്റ്റരസിസ്‌ നഷ്ടം ( hysteresis loss )

2, എഡ്ഡി കരണ്ട്‌ നഷ്ടം ( Eddy current loss )

ഹിസ്റ്റരസിസ്‌ നഷ്ടവും, എഡ്ഡി കരണ്ട്‌ നഷ്ടവും ലോഡ്‌ കരണ്ടിനനുസരിച്ച്‌ വ്യതിയാനം വരുന്നവയല്ല. അത്‌ കോറിലെ ഫ്ലക്സിനേയും, വോൾട്ടതയുടെ ആവൃത്തിയേയും ആശ്രയിച്ചിരിയ്ക്കും. സാധാരണ ട്രാൻസ്ഫോർമറുകളിൽ കോർ ഫ്ലക്സും, ആവൃത്തിയും സ്ഥിരമായതിനാൽ ഇവ സ്ഥിരമായിരിയ്ക്കും. ഹിസ്റ്റരസിസ്‌ നഷ്ടത്തേയും, എഡ്ഡി കരണ്ട്‌ നഷ്ടത്തേയും ചേർത്ത്‌ കോർ ലോസ്സ്‌ എന്നു പറയുന്നു.