ট্রান্সফর্মার ভোল্টেজ বদলাতে পারে, তবু বিনা খরচে বাড়তি ক্ষমতা দিতে পারে না কেন?

সিমুলেশনটি কীভাবে ব্যবহার করবে

1. চালু করো। কোরের নিচের দুই তরঙ্গ প্রাইমারি আর সেকেন্ডারি ভোল্টেজ দেখায়। ডিফল্টে Vp = ২২০ V, Np = ১,০০০, Ns = ১০০, তাই সেকেন্ডারির তরঙ্গ ১০ গুণ ছোট: Vs = ২২.০ V। লেবেলে লেখা থাকবে স্টেপ-ডাউন।
2. Ns বাড়াও। সেকেন্ডারিতে পাক বাড়ে, সবুজ তরঙ্গ বড় হয়, আর Ns = ১,০০০ হলে প্রাইমারির সমান। আরও বাড়ালে লেবেল স্টেপ-আপ হয়ে যায়। বড় তরঙ্গটা সবসময় পুরো প্যানেল ভরে, আর অন্যটা মাপ মিলিয়ে আঁকা হয়।
3. Ns বদলানোর সময় পরিমাপ দেখো। Vs বাড়লে সেকেন্ডারির প্রবাহ Is-ও বাড়ে, কারণ লোড স্থির, তাই উৎসকে বেশি ক্ষমতা দিতে হয়। Ip আর Is তুলনা করো: তাদের অনুপাত পাক অনুপাতের উল্টো।
4. দক্ষতা ১০০% থেকে নামাও। উৎসের ক্ষমতা Pp লোডের ক্ষমতা Ps-কে ছাড়িয়ে যায়, আর ফারাকটা “ট্রান্সফর্মারে অপচয়” হিসেবে দেখা যায়। তোমার চার্জার গরম হয় ঠিক এই কারণে।
5. লোডের রোধ RL বদলাও। RL ছোট হলে প্রবাহ ও ক্ষমতা বেশি লাগে। প্রাইমারির প্রবাহ তার পিছু পিছু বদলে যায়, কারণ সেকেন্ডারি যা নেয়, প্রাইমারিকে তা জোগাতে হয়।
6. পরিমাপের শেষ দুটো লাইন দেখো। একই ক্ষমতা সেকেন্ডারি ভোল্টেজে পাঠালে আর প্রাইমারি ভোল্টেজে পাঠালে ০.৫ Ω লাইনে কত ক্ষয় হয়, সেখানে তুলনা করা আছে। Vs বড় করো আর ক্ষয় কীভাবে ভেঙে পড়ে দেখো।

ভোল্টেজ বদলাতে হয় কেন

একদিনে কত রকম ভোল্টেজের সঙ্গে দেখা হয়, ভেবে দেখো। ফোনের চার্জার দেয় প্রায় ৫ V। দেয়ালের সকেটে ২২০ V। বিদ্যুৎকেন্দ্রের জেনারেটর প্রায় ১১ kV-এ বিদ্যুৎ তৈরি করে। দেশজুড়ে বিদ্যুৎ বয়ে নেওয়া লাইন চলে ১৩২ kV বা তার বেশিতে। কোনো একটা ভোল্টেজ এই সব কাজের জন্য ঠিক নয়: ঘরে কম ভোল্টেজ নিরাপদ, রাস্তায় বেশি ভোল্টেজ কার্যকর।

তাই এমন কিছু চাই, যা কম খরচে, কোনো নড়বড়ে অংশ ছাড়া, প্রায় কিছুই নষ্ট না করে এসি ভোল্টেজ ওঠানামা করাতে পারে। সেটাই ট্রান্সফর্মার। লোহা আর তামার একটা চাঁই, যেটা তোমার বাড়ির বাইরে খুঁটিতে চুপচাপ গুনগুন করে এবং বিদ্যুৎ ব্যবস্থার সবচেয়ে দরকারি কাজগুলোর একটা সামলায়।

ভেতরে কী আছে

সরল ট্রান্সফর্মারে মাত্র তিনটা অংশ, সিমুলেশনে সবকটাই আঁকা।

• লোহার কোর: নরম লোহার একটা বদ্ধ লুপ। প্রায় সব চৌম্বক ফ্লাক্সকে এক কুণ্ডলী থেকে অন্যটিতে পৌঁছে দেয়। আসল কোর নিরেট ব্লক নয়, পাতলা অন্তরিত পাতের (ল্যামিনেশন) স্তূপ।
• প্রাইমারি কুণ্ডলী: Np পাকের তার, এসি উৎসের সঙ্গে যুক্ত। এটি পরিবর্তনশীল ফ্লাক্স তৈরি করে।
• সেকেন্ডারি কুণ্ডলী: Ns পাকের তার, লোডের সঙ্গে যুক্ত। বদলাতে থাকা ফ্লাক্স এখানেই আউটপুট ভোল্টেজ আবিষ্ট করে।

কীভাবে কাজ করে: পারস্পরিক আবেশ

প্রাইমারির পরিবর্তী ভোল্টেজ একটা পরিবর্তী প্রবাহ চালায়, যা কোরকে একবার এক দিকে, একবার অন্য দিকে চুম্বকিত করে। বাংলাদেশ ও ভারতের মেইনে এটা সেকেন্ডে ৫০ বার ঘটে। কোরে চলমান বিন্দুগুলো এই ফ্লাক্সের ঢেউ দেখায়, ফ্লাক্স যখন সবচেয়ে দ্রুত বদলায় তখন ওরা সবচেয়ে উজ্জ্বল।

কোর দুটো কুণ্ডলীকে জুড়ে রাখে বলে একই ফ্লাক্স দুই কুণ্ডলীরই প্রতিটি পাকের ভেতর দিয়ে যায়। ফ্যারাডের সূত্র অনুযায়ী প্রতিটি পাকে একই emf আবিষ্ট হয়, যা ফ্লাক্সের পরিবর্তনের হারের সমান। এই প্রতি পাকের emf-কে ε বলি। তাহলে Np পাকের প্রাইমারিতে ভোল্টেজ Np·ε, আর Ns পাকের সেকেন্ডারিতে Ns·ε। একটাকে আরেকটা দিয়ে ভাগ করলে ε কেটে যায়।

স্টেপ-আপ ও স্টেপ-ডাউন

Ns, Np-এর চেয়ে বড় হলে সেকেন্ডারি ভোল্টেজ প্রাইমারির চেয়ে বেশি: স্টেপ-আপ ট্রান্সফর্মার। Ns ছোট হলে ভোল্টেজ কমে: স্টেপ-ডাউন। দুটো সমান হলে ভোল্টেজ একই থাকে, তখন ট্রান্সফর্মার শুধু দুই বর্তনীকে তড়িৎভাবে আলাদা করার কাজে লাগে।

১,০০০ পাকের প্রাইমারিতে ২২০ V দিলে প্রতিটি পাকে ০.২২ V পড়ে। তাই ডিফল্টের ১০০ পাকের সেকেন্ডারি দেয় ২২.০ V। একই প্রাইমারিতে অন্য সেকেন্ডারি কী করত, নিচে দেখো:

বিনামূল্যে কিছু নেই: ক্ষমতা ঢোকে যা, বেরোয় তা

স্টেপ-আপ ট্রান্সফর্মার বড় ভোল্টেজ বানায়, তাহলে নিশ্চয়ই কিছু পায়? না। সেকেন্ডারির ক্ষমতা প্রাইমারিকে দেওয়া ক্ষমতার বেশি হতে পারে না। কোনো অপচয় না থাকলে, অর্থাৎ আদর্শ ট্রান্সফর্মারে, দুটো ক্ষমতা সমান।

ডিফল্টে সেকেন্ডারিতে ১০ Ω লোডের ওপর ২২.০ V, তাই Is = ২২.০ ÷ ১০ = ২.২০ A আর Ps = ২২.০ × ২.২০ = ৪৮.৪ W। প্রাইমারি ২২০ V-এ ৪৮.৪ W জোগাতে হলে তাকে টানতে হবে Ip = ৪৮.৪ ÷ ২২০ = ০.২২০ A। সেকেন্ডারির প্রবাহ প্রাইমারির ১০ গুণ, আর ভোল্টেজ ১০ গুণ ছোট। ভোল্টেজ আর প্রবাহ জায়গা বদলে নেয়।

আসল ট্রান্সফর্মার নিখুঁত নয়

দক্ষতা হলো কাজে লাগা আউটপুট ক্ষমতা ÷ ইনপুট ক্ষমতা: η = Ps ÷ Pp। আদর্শ ট্রান্সফর্মারে η = ১০০%, আর বড় পাওয়ার ট্রান্সফর্মার এর আশ্চর্য কাছাকাছি, ৯৫% থেকে ৯৯%। ছোট চার্জার ততটা দক্ষ নয়। হারানো ক্ষমতা তাপ হয়ে যায় চার পথে।

• কপার লস: তারের রোধ আছে, তাই দুই কুণ্ডলীতেই I²R তাপ হয়। মোটা তার ব্যবহার করলে কমে।
• এডি কারেন্ট লস: বদলাতে থাকা ফ্লাক্স লোহার কোরের ভেতরেই ঘূর্ণি প্রবাহ আবিষ্ট করে। অন্তরিত পাতলা পাত দিয়ে কোর বানালে এই প্রবাহ ভেঙে যায়।
• হিস্টেরিসিস লস: লোহা বারবার এদিক-ওদিক চুম্বকিত হয় আর প্রতিবার কিছু শক্তি হারায়। সহজে চুম্বকিত হওয়া নরম লোহা বা সিলিকন স্টিল ব্যবহারে এটি কম থাকে।
• ফ্লাক্স ক্ষরণ: সব ফ্লাক্স রেখা দুই কুণ্ডলীকে জড়ায় না। সেকেন্ডারিকে প্রাইমারির ওপরে বা একই বাহুতে জড়ালে ক্ষরণ কমে।

উচ্চ ভোল্টেজে বিদ্যুৎ পাঠানো হয় কেন

প্রতিটি পরীক্ষায় এই প্রশ্ন আসে। ধরো একটা বিদ্যুৎকেন্দ্রকে ৫০ kW পাঠাতে হবে এমন লাইনে, যার মোট রোধ ০.৫ Ω। ক্ষমতা P = VI, তাই দরকারি প্রবাহ I = P ÷ V। লাইনে তাপ নষ্ট হয় I²R হারে।

২২০ V-এ পাঠালে প্রবাহ ২২৭.৩ A। ক্ষয় ২২৭.৩² × ০.৫ = ২৫.৮ kW, অর্থাৎ পাঠানো ক্ষমতার ৫১.৭%: তার প্রায় অর্ধেকটাই খেয়ে ফেলে। একই ৫০ kW যদি ১১ kV-এ পাঠাও, প্রবাহ নেমে আসে ৪.৫৫ A-এ। ক্ষয় তখন মাত্র ১০.৩ W। ভোল্টেজ ৫০ গুণ বাড়াতে ক্ষয় কমল ২,৫০০ গুণ, কারণ ক্ষয় প্রবাহের বর্গের সমানুপাতিক।

বিদ্যুৎকেন্দ্র থেকে সকেট পর্যন্ত যাত্রা

জেনারেটর প্রায় ১১ kV-এ বিদ্যুৎ বানায়। স্টেপ-আপ ট্রান্সফর্মার তাকে ১৩২ kV বা আরও বেশিতে তোলে, অনুপাত ১২, যাতে দেশজুড়ে লম্বা পথ পাড়ি দেওয়া যায়। শহরের কাছে সাবস্টেশনের স্টেপ-ডাউন ট্রান্সফর্মার ধাপে ধাপে ভোল্টেজ নামায়। শেষে তোমার পাড়ার খুঁটিতে বা ছোট ঘরে বসানো ট্রান্সফর্মার প্রায় ১১ kV-কে নামায় ৪০০ V-এ, অনুপাত ২৭.৫, আর ২২০ V-এর একফেজ সরবরাহ তোমার মিটারে পৌঁছায়।

তাই একই বিদ্যুৎ তোমার ফোনে আসতে চার-পাঁচটা ট্রান্সফর্মার পেরোতে পারে। প্রতিটি ধাপে নিরাপত্তা, খরচ আর ক্ষয়ের সেরা ভারসাম্য ধরে ভোল্টেজ বেছে নেওয়া হয়।

উদাহরণ ১: ডিফল্ট ট্রান্সফর্মার

একটি ট্রান্সফর্মারে Np = ১,০০০, Ns = ১০০, প্রাইমারিতে ২২০ V আর লোড ১০ Ω। ধরো এটি আদর্শ। Vs, Is, Ps ও Ip বের করো।

উদাহরণ ২: ৬ V পেতে কত পাক?

২২০ V সরবরাহ থেকে একই ১,০০০ পাকের প্রাইমারি দিয়ে ৬ V চাই। Ns = Np × Vs ÷ Vp = ১,০০০ × ৬ ÷ ২২০ = ২৭.২৭। পাকের ভগ্নাংশ জড়ানো যায় না, তাই ২৭ পাক নিলে পাওয়া যায় ৫.৯৪ V। এমন সামান্য গরমিল স্বাভাবিক, লোড তা সামলে নেয়।

উদাহরণ ৩: একই ট্রান্সফর্মার, ৯০% দক্ষতা

সিমুলেশনে দক্ষতা ৯০% করো। লোড তখনও ৪৮.৪ W পায়, কিন্তু উৎসকে জোগাতে হয় Pp = Ps ÷ η = ৪৮.৪ ÷ ০.৯০ = ৫৩.৭৮ W। প্রাইমারির প্রবাহ বেড়ে হয় ০.২৪৪৪ A, আর ৫.৩৮ W কোর ও কুণ্ডলীতে তাপ হয়ে হারায়। লক্ষ করো, সেকেন্ডারির দিকে কিছুই বদলায় না: লোড অপচয় টের পায় না, টের পায় শুধু উৎস।

উদাহরণ ৪: ফোনের চার্জার

একটি চার্জার ১.৫ A-এ ১২ V দেয়, তাই লোডের ক্ষমতা ১৮ W। দক্ষতা ৯০% হলে ২২০ V সকেট থেকে সে টানে ২০.০ W, অর্থাৎ Ip = ২০.০ ÷ ২২০ = ০.০৯১ A। ফারাক ২.০ W চার্জারকে গরম করে। ১,০০০ পাকের প্রাইমারি হলে সেকেন্ডারিতে লাগত প্রায় ৫৪.৫ পাক।

উদাহরণ ৫: বিদ্যুৎকেন্দ্রের স্টেপ-আপ

বিদ্যুৎকেন্দ্র ১১ kV বানায় আর লাইনের জন্য চাই ১৩২ kV। পাক অনুপাত Ns ÷ Np = ১২। প্রাইমারিতে ৫০০ পাক হলে সেকেন্ডারিতে লাগবে ৬,০০০। উচ্চ ভোল্টেজ দিকের প্রবাহ জেনারেটরের প্রবাহের ১২ ভাগের এক ভাগ, আর এ কারণেই লাইনের তার সরু হতে পারে।

সচরাচর ভুল

এই চারটা ভুলে প্রতি বছর নম্বর কাটা যায়।

• ভাবা যে স্টেপ-আপ ট্রান্সফর্মার বেশি ক্ষমতা দেয়। সে বেশি ভোল্টেজ আর কম প্রবাহ দেয়, গুণফল সমান (বা সামান্য কম)।
• পাক অনুপাত উল্টো লেখা। সূত্রটা Vs/Vp = Ns/Np, আর প্রবাহের জন্য Is/Ip = Np/Ns।
• ট্রান্সফর্মার ডিসিতে চলবে ধরা। চাই বদলাতে থাকা ফ্লাক্স।
• বাস্তব সমস্যায় দক্ষতা ১০০%-এর কম, সেটা ভুলে যাওয়া: Pp = Ps ÷ η, Ps × η নয়।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

সাধারণ প্রশ্ন: চিত্রসহ ট্রান্সফর্মারের নীতি ও কার্যপ্রণালি ব্যাখ্যা করো, Vs/Vp = Ns/Np প্রতিপাদন করো, শক্তি অপচয়ের কারণ ও তার প্রতিকার লিখো, অথবা কেন উচ্চ ভোল্টেজে বিদ্যুৎ সঞ্চালন করা হয় ব্যাখ্যা করো। শেষটার জন্য শিকলটা লিখো: P = VI, তাই নির্দিষ্ট P-তে V বেশি হলে I কম লাগে, আর অপচয় হয় I²R।

সংখ্যাগত প্রশ্নে Vs, Is থেকে Ip, পাক সংখ্যা বা দক্ষতা চাওয়া হয়। স্লাইডারের মান বসিয়ে পরিমাপ প্যানেলের সঙ্গে প্রতিটি উত্তর মিলিয়ে নাও।

ঝটপট রিভিশন

না দেখে নিজেকে যাচাই করো।

• নীতি: একই লোহার কোরে থাকা দুই কুণ্ডলীর মধ্যে পারস্পরিক আবেশ।
• Vs/Vp = Ns/Np। Ns > Np হলে স্টেপ-আপ, Ns < Np হলে স্টেপ-ডাউন।
• আদর্শ: VpIp = VsIs, তাই Is/Ip = Np/Ns।
• η = Ps/Pp; বড় যন্ত্রের দক্ষতা ৯৫% থেকে ৯৯%।
• অপচয়: কপার, এডি কারেন্ট, হিস্টেরিসিস, ফ্লাক্স ক্ষরণ।
• সঞ্চালন উচ্চ ভোল্টেজে, কারণ ক্ষয় = I²R আর I = P/V।
• ট্রান্সফর্মার ডিসিতে চলে না।

সচরাচর জিজ্ঞাসা