ട്രാൻസ്ഫോർമർ

കാന്തികക്ഷേത്രത്തിലൂടെ ചലിക്കുന്ന അഥവാ കാന്തിക ബലരേഖകളെ മുറിച്ചുകടക്കുന്ന ചാലകത്തിൽ വൈദ്യുതി ഉത്പാദിക്കപ്പെടും. ചാലകം ചലിക്കുന്നതിനു പകരം വ്യതിയാനം വന്നുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന കാന്തികക്ഷേത്രമായാലും മതി. വിദ്യുത് കാന്തിക പ്രേരണം എന്ന ഈ തത്ത്വമനുസരിച്ചു തന്നെയാണ് ട്രാൻസ്ഫോർമറും പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. ഒരു കമ്പിച്ചുരുളിലൂടെ വ്യതിയാനം വന്നുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന വൈദ്യുതധാര കടന്നു പോകുമ്പോൾ അത് ചുരുളിനു ചുറ്റും ഒരു കാന്തികക്ഷേത്രം സൃഷ്ടിക്കുന്നു. ഈ കാന്തികക്ഷേത്രത്തിനുള്ളിലിരിക്കുന്ന മറ്റൊരു കമ്പിച്ചുരുൾ അക്കാരണം കൊണ്ട് വൈദ്യുതി പ്രേരണം ചെയ്യുന്നു. ഇതാണ് ട്രാൻസ്ഫോർമറിൽ സംഭവിക്കുന്നത്. രണ്ടാമത്തെ ചുരുളിൽ പ്രേരണം ചെയ്യപ്പെടുന്ന വോൾട്ടത അതിലെ ചുറ്റിന്റെ എണ്ണത്തിനനുസരിച്ച് മാറുന്നു. അതായത് എണ്ണത്തിനു നേരനുപാതത്തിൽ ആയിരിക്കും വോൾട്ടതയും. ആദ്യത്തെ കമ്പിച്ചുരുൾ സൃഷ്ടിക്കുന്ന കാന്തിക ക്ഷേത്രം മിക്കവാറും പൂർണ്ണമായി രണ്ടാമത്തെ കമ്പിച്ചുരുളിലൂടെ കടന്നു പോകുന്നു എന്നുറപ്പാക്കാൻ രണ്ടും ഒരേ കോർ ആയിട്ടാവും സൃഷ്ടിക്കുക. കാന്തികശീലത കൂടുതലുള്ള പച്ചിരുമ്പ് കോർ ആയിട്ട് ഉപയോഗിച്ചു വരുന്നു. ട്രാൻസ്ഫോർമറിൽ പുറത്തുനിന്നും വൈദ്യുതി നൽകുന്ന ചുരുളിനെ പ്രാഥമിക ചുരുൾ (Primary) എന്നും ഏതിൽ നിന്നാണോ വൈദ്യുതി പ്രേരണം ചെയ്യുന്നത് അതിനെ ദ്വിതീയ ചുരുൾ (Secondary) എന്നും വിളിക്കുന്നു^[1]. പച്ചിരുമ്പേൽ ചുറ്റിയ ചാലക ചുരുളിലൂടെ വൈദ്യുതി കടന്നു പോകുമ്പോൾ അതൊരു വൈദ്യുതകാന്തം ആവുകയും ഒരു കാന്തിക ക്ഷേത്രമുണ്ടാവുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ കാന്തിക ക്ഷേത്രം ദ്വിതീയ ചുരുളിലൂടെ കടന്നു പോകുമ്പോൾ വിദ്യുത് കാന്തിക പ്രേരണം സംഭവിക്കുന്നു. നൽകുന്ന വൈദ്യുതി പ്രത്യാവർത്തിധാരാ വൈദ്യുതി ആയതുകൊണ്ടാണ് കാന്തികക്ഷേത്രത്തിനു തുടർച്ചയായി മാറ്റം ഉണ്ടാകുന്നതും വിദ്യുത് കാന്തിക പ്രേരണം സംഭവിക്കുന്നതും. നേർധാരാ വൈദ്യുതി ആണുപയോഗിക്കുന്നതെങ്കിൽ വൈദ്യുതിയുടെ ഒഴുക്കിനു വ്യതിയാനം സൃഷ്ടിക്കാൻ ധാരാ ബ്രേക്കർ (Current Braker) ഉപയോഗിക്കുന്നു. ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ വലിയതോതിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നത് പ്രത്യാവർത്തി ധാരാ വൈദ്യുതിക്കായാണ്.

100% കാര്യക്ഷമതയുള്ള ഒരു ഉത്തമ ട്രാൻസ്ഫോർമറിൽ (Ideal Transformer) പ്രാഥമിക ചുരുളിലെ വോൾട്ടേജ്(V_P) കൊണ്ട് ദ്വിതിയ ചുരുളിലെ പ്രേരിത വോൾട്ടേജിനെ (V_S) ഹരിച്ചാൽ അത് പ്രാഥമിക ചുരുളിന്റെ ചുറ്റുകളുടെ എണ്ണം (N_P) കൊണ്ട് ദ്വിതീയ ചുരുളിന്റെ ചുറ്റുകളുടെ എണ്ണത്തെ (N_S) ഹരിക്കുന്നതിനു തുല്യമായിരിക്കും.അതായത് :${\displaystyle {\frac {V_{S}}{V_{P}}}={\frac {N_{S}}{N_{P}}}}$

അതുകൊണ്ട് ചുരുളുകളുടെ എണ്ണം കൂട്ടിയും കുറച്ചും ആവശ്യാനുസരണം വോൾട്ടത കൂട്ടാനും കുറയ്ക്കാനും സാധിക്കുന്നതാണ്. ഇതിനു ചുരുൾ അനുപാതം (Turns Ratio) എന്നു പറയുന്നു. ഒരു ഉത്തമ ട്രാൻസ്ഫോർമർ സാധാരണ രീതിയിൽ അസാധ്യമാണെന്നും അതിചാലകത ഉപയോഗിച്ച് മാത്രമേ സൃഷ്ടിക്കാനാകൂ എന്നും കരുതപ്പെടുന്നു. ഒരു ഉത്തമ ട്രാൻസ്ഫോർമർ സൃഷ്ടിക്കാൻ പ്രാഥമിക ചുരുൾ സൃഷ്ടിക്കുന്ന കാന്തികക്ഷേത്രം പൂർണ്ണമായും ദ്വിതീയ ചുരുളിലൂടെ കടന്നു പോവുകയും വേണം, ഇതും ഏറെക്കുറേ അസാദ്ധ്യമാണ്. എന്നിരുന്നാലും ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ കാര്യക്ഷമതയിൽ മറ്റുപകരണങ്ങളേക്കാളും വളരെ മുന്നിൽ നിൽക്കുന്നു^[2]. ചെറിയ വൈദ്യുതോപകരണങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ട്രാൻസ്ഫോർമറുകളേക്കാളും വൈദ്യുതോത്പാദന കേന്ദ്രങ്ങളിലും മറ്റും ഉപയോഗിക്കുന്ന തരം വലിയ ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ കൂടുതൽ കാര്യക്ഷമത കാണിക്കുന്നു. 99 ശതമാനത്തിനു മുകളിൽ കാര്യക്ഷമത ഇവയ്ക്കുണ്ടാകാറുണ്ട്^[3].

വിഭജനങ്ങൾ

പ്രവർത്തനത്തിനനുസരിച്ച് പൊതുവേ ട്രാൻസ്ഫോർമറുകളെ സ്റ്റെപ്-അപ് ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ, സ്റ്റെപ്-ഡൌൺ ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ എന്നിങ്ങനെ രണ്ടായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നു. താഴ്ന്ന വോൾട്ടതയിൽ സൃഷ്ടിക്കുന്ന വൈദ്യുതിയെ ഫലപ്രദമായ വിതരണത്തിനായി ഉപയോഗിക്കാനാണ് ആദ്യ വിഭാഗത്തെ കൂടുതലായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ഉയർന്ന വോൾട്ടതയിൽ പ്രസരണ നഷ്ടം കുറവായിരിക്കും പക്ഷേ ചാലകത്തിന്റെ സമീപത്തു ചെല്ലുന്നതുപോലും വൈദ്യുതാഘാതം ഏൽക്കാനിടയായേക്കാം. അതുകൊണ്ട് ഇങ്ങനെ കൊണ്ടുവരുന്ന വൈദ്യുതിയെ അപകടരഹിതമായി ദൈനംദിന ജീവിതാവശ്യങ്ങൾക്ക് ഉപയോഗിക്കാൻ പ്രാപ്തമായ വിധത്തിൽ വോൾട്ടേജ് കുറക്കേണ്ടിയിരിക്കുന്നു. അങ്ങനെ വോൾട്ടേജ് കുറയ്ക്കാനായാണ് രണ്ടാമത്തെ വിഭാഗത്തെ പ്രധാനമായും ഉപയോഗിക്കുന്നത്. പൊതുജനങ്ങൾക്ക് വിതരണം ചെയ്യുന്ന വൈദ്യുതിയുടെ വോൾട്ടത പലരാജ്യങ്ങളിലും (ഭാരതത്തിലടക്കം) 220 വോൾട്ട് ആണ്. വൈദ്യുതോപകരണങ്ങൾക്കുള്ളിൽ ഉപകരണത്തിനനുസൃതമായി വൈദ്യുതധാരയുടെ വോൾട്ടത നിയന്ത്രിക്കാൻ ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ ഉണ്ടായിരിക്കും. അവയും അധികവും സ്റ്റെപ്-ഡൌൺ ട്രാൻസ്ഫോർമറുകളായിരിക്കും.

വൈദ്യുതിയെക്കുറിച്ചുള്ള തന്റെ പ്രധാന പരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്തിയ 1831-ൽ മെക്കേൽ ഫാരഡേ തന്നെയാണ് ട്രാൻസ്ഫോർമറിന്റെ അടിസ്ഥാനതത്വങ്ങൾ ആവിഷ്ക്കരിച്ചത്. എന്നാൽ അന്നതത്ര ഉപയോഗിക്കപ്പെട്ടില്ല. 1836-ൽ നിക്കോളാസ് കാല്ലൻ എന്ന ഐറിഷുകാരൻ ബാറ്ററികളിൽ നിന്നും മറ്റും നേർധാരാ വൈദ്യുതിയെ ഉയർന്ന വോൾട്ടതയിലേക്ക് മാറ്റാനായി ഒരു വിദ്യുത്പ്രേരകത്തെ ഉപയോഗിച്ചു^[4]. എന്നിരുന്നാലുമത്തരം ഉപകരണങ്ങൾ ശാസ്ത്രനിരീക്ഷണങ്ങൾക്കു മാത്രമേ ഉപയോഗിച്ചിരുന്നുള്ളൂ. നേർധാരാ വൈദ്യുതിയായിരുന്നതിനാൽ അവയ്ക്ക് ഒരു ധാരാ ബ്രേക്കറും ഉണ്ടായിരുന്നു. 1860 -ൽ പ്രത്യാവർത്തിധാരാ വൈദ്യുതി നൽകുന്ന ഡൈനാമോ കണ്ടുപിടിക്കപ്പെട്ടു. തുടർന്ന് സർ. വില്യം ഗ്രോവ് പ്രത്യാവർത്തിധാരയും ട്രാൻസ്ഫോർമറും ബന്ധിപ്പിച്ചു^[1]. അദ്ദേഹത്തിന്റെ പരീക്ഷണ ശാലയിൽ ഉയർന്ന വോൾട്ടേജിലുള്ള വൈദ്യുതിയാവശ്യമായിരുന്നതിനാലാണ് അദ്ദേഹം അത്തരം പരീക്ഷണം നടത്തിയത്. എന്നാൽ ട്രാൻസ്ഫോർമർ ഇന്നുപയോഗിക്കുന്ന രീതിയിൽ ഉപയോഗിച്ചു തുടങ്ങിയത് 1882-ൽ തോമസ് ആൽ‌വാ എഡിസൺ ആദ്യത്തെ വൈദ്യുത വിതരണ ശൃംഖല രൂപകല്പന ചെയ്തതോടെയാണ്^[1]. ഏകദേശം ഇതേ കാലത്ത് ഇംഗ്ലണ്ടിൽ വൈദ്യുത വ്യൂഹങ്ങൾക്കായി ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ ഉപയോഗിക്കാൻ തുടങ്ങി. “സെക്കൻഡറി ജനറേറ്റർ” (Secondary Generator) എന്നു വിളിക്കപ്പെട്ട ആ ഉപകരണങ്ങൾ ജോൺ ഗിബ്സ്, ലൂസിയൻ ഗ്വലാർദ് എന്നീ രണ്ടുപേരാണ് നിർമ്മിച്ചത്. അവ അത്ര സാങ്കേതിക തികവാർന്നതോ, ഉപയോഗപ്രദമോ അല്ലായിരുന്നെങ്കിൽ പോലും ഗവേഷകരുടെ ശ്രദ്ധ അവയിലേക്കെത്താൻ കാരണമായി. സെക്കൻഡറി ജനറേറ്ററിൽ നിന്നും പ്രചോദനം കൊണ്ട് ഹംഗറിയിലെ ഗാൻസ് ആൻഡ് കമ്പനിയിലെ മാക്സ് ദേരി, ഓട്ടോ ബ്ലാത്തി, കാൾ സിപ്പർനോവ്സ്കി എന്നിവർ ചേർന്ന് പലതരം ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ നിർമ്മിച്ചു. തുടർന്ന് 1885-ൽ ബുഡാപെസ്റ്റിൽ നടന്ന ഹംഗേറിയൻ നാഷണൽ എക്സിബിഷനിൽ ഇന്നത്തെ വൈദ്യുത വിതരണ ശൃംഖലയുടെ ആദ്യ മാതൃക അവർ അവതരിപ്പിച്ചു. 1067 എഡിസൺ ബൾബുകൾ തെളിയിക്കാനായി 75 ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ ഉൾപ്പെട്ട ഒരു സംവിധാനമായിരുന്നു അത്^[1].

ഗിബ്സ്-ഗല്വാർദ് ദ്വയത്തിൽ നിന്നും പ്രചോദനം കിട്ടിയവരിൽ പ്രധാനിയായ മറ്റൊരാളാണ് അമേരിക്കക്കാരനായ ജോർജ് വെസ്റ്റിങ് ഹൌസ്. ഒരു വലിയ നഗരത്തിനുള്ള വൈദ്യുതി വിതരണത്തിനു ഒന്നെങ്കിൽ ആരം കൂടിയ ചെമ്പ് കമ്പി ഉപയോഗിക്കണം അല്ലെങ്കിൽ കൂടിയ പ്രസരണ നഷ്ടം വഹിക്കണം എന്ന സത്യം അദ്ദേഹം മനസ്സിലാക്കിയിരുന്നു. അതിനുള്ള പോംവഴി കൂടിയ വോൾട്ടതയിൽ വൈദ്യുതി വിതരണം ചെയ്യുകയാണെന്നും അദ്ദേഹം തിരിച്ചറിഞ്ഞു. വെസ്റ്റിങ് ഹൌസ് 1884-ൽ വില്യം സ്റ്റാൻലി എന്ന എഞ്ചിനീയറെ പ്രശ്നം പഠിക്കാനായി നിയോഗിക്കുകയും 1885-ഓടെ ട്രാൻസ്ഫോർമർ ഉപയോഗിച്ച് പ്രശ്നം പരിഹരിക്കാനുള്ള ഒരു രൂപരേഖയും സ്റ്റാൻലി തയ്യാറാക്കി. തുടർന്ന് ഒലിവർ ഷാലൻബർജർ, ആൽബർട്ട് ഷ്മിഡ് എന്നീ മറ്റ് രണ്ട് എഞ്ചിനീയർമാരുടെ സഹായത്തോടെ വെസ്റ്റിങ് ഹൌസ് H ആകൃതിയിൽ മുറിച്ച ഇരുമ്പുകഷണങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ചുള്ള ഒരു ട്രാൻസ്ഫോർമർ നിർമ്മിച്ചു. ആദ്യമേ ചുറ്റിവച്ച ചുരുളുകൾക്കകത്തേക്ക് കോർ കടത്തിവെക്കാനായി, സ്റ്റാൻലി കോറിന്റെ രൂപം E ആകൃതിയിലാക്കി. ഇന്നും ഇത്തരത്തിലാണ് ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നത്^[1]. 1886-ൽ വെസ്റ്റിങ് ഹൌസ് ഇലക്റ്റ്രിക്ക് കമ്പനി നിലവിൽ വന്നു. ഗിബ്സും ഗല്വാർദും സൃഷ്ടിച്ച ട്രാൻസ്ഫോർമറിന്റെ പേറ്റന്റുകൾ വെസ്റ്റിങ് ഹൌസ് ആദ്യമേ വാങ്ങിയിട്ടുണ്ടായിരുന്നു. തുടർന്ന് പുതിയ രൂപവും അത് എണ്ണയിൽ മുക്കിവച്ച് തണുപ്പിക്കുന്ന രീതിയുമെല്ലാം വെസ്റ്റിങ് ഹൌസ് കമ്പനിയുടെ പേറ്റന്റുകളായി. 1886-ൽ തന്നെ പുതിയ വ്യൂഹം വാണിജ്യാടിസ്ഥാനത്തിൽ ഉപയോഗിക്കാൻ തുടങ്ങി^[5]. നയാഗ്രയിലെ 5,000 കുതിരശക്തിയുള്ള വൈദ്യുത നിലയമൊക്കെ അതിനെ തുടർന്നുണ്ടായതാണ്. 2000 കെ.വി.എ. ശേഷിയുള്ള ട്രാൻസ്ഫോർമറുകളും തുടർന്നുണ്ടായി^[1].

പത്തൊമ്പതാം നൂറ്റാണ്ടവസാനിച്ചപ്പോഴേക്കും ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ ഘടനയിലും സാങ്കേതികവിദ്യയിലും പൂർണ്ണത നേടിയിരുന്നു. കൂടുതൽ ശേഷിയാണ് പിന്നീടവ കൈവരിച്ചത്. ഇന്നത്തെ ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾക്ക് 1000000 കെ.വി.എ. വരെ ശേഷിയുണ്ടാവാറുണ്ട്.

കൂടുതൽ കാന്തികശേഷിയുള്ള അക്രിസ്റ്റലീയ ലോഹങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിഞ്ഞാൽ ട്രാൻസ്ഫോർമർ കോറുകൾക്ക് മാറ്റമുണ്ടായേക്കാം. ചുരുളുകളിൽ തീരെ പ്രതിരോധമില്ലാത്ത അതിചാലകതാവസ്ഥ സാധാരണ താപനിലയിൽ സാധിക്കാൻ കഴിഞ്ഞാൽ അതിചാലക ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ പരമ്പരാഗത ട്രാൻസ്ഫോർമറുകളെ നീക്കം ചെയ്തേക്കാം. അതിചാലക ട്രാൻസ്ഫോർമറുകൾ താണ താപനിലയിൽ ഇന്നു തന്നെ സാധ്യമായിട്ടുണ്ട്. സോളിഡ് സ്റ്റേറ്റ് സാങ്കേതിക വിദ്യകളിലുണ്ടാകുന്ന മാറ്റം ട്രാൻസ്ഫോർമറുകളുടെ ഉപയോഗം തന്നെ അനാവശ്യമാക്കിയേക്കാം എന്നും കരുതപ്പെടുന്നു^[1].