পাওয়ার ট্রান্সফরমার তৈরী করবার হিসাব নিকাশ (ক্যালকুলেটর সহ)

ভূমিকা

পাওয়ার ট্রান্সফরমার তৈরী করতে চান অনেকেই। এই লেখার মাধ্যমে এটি তৈরী করবার প্রয়োজনীয় ক্যালকুলেশন দেখাবো। সেই সাথে এই ক্যালকুলেশন প্রকৃয়াটি সহজ করবার জন্য একটি ক্যালকুলেটর ও দেবো। এবং এই ট্রান্সফরমার ক্যালকুলেটর টির ব্যবহার উদাহরণ সহ দেখাবো। তার আগে ট্রান্সফরমার এর বিভিন্ন অংশ, প্রকারভেদ, গঠন ইত্যাদি গুরুত্বপূর্ণ বিষয়গুলো চলুন জেনে নেই।

ট্রান্সফরমার কাকে বলে

আমরা জানি, পাওয়ার ট্রান্সফরমার স্টেপ আপ অথবা স্টেপ ডাউন করতে ব্যবহৃত হয়। অর্থাৎ, ট্রান্সফরমার এর ধরন অনুযায়ী প্রাইমারিতে প্রদত্ত এসি কে সেকেন্ডারিতে বাড়ায় অথবা কমায়।

ট্রান্সফরমার কত প্রকার

কোর এর আকার, ব্যবহার ও কাজের প্রকারভেদে অনেক ধরণের পাওয়ার ট্রান্সফরমার রয়েছে। যেমন,

• ল্যামিনেটেড (E-I) কোর,
• টরোয়ডাল কোর,
• অটো ট্রান্সফরমার,
• ভেরিয়েবল ট্রান্সফরমার।
• এছাড়াও রয়েছে উচ্চ ফ্রিকুয়েন্সি ফেরাইট কোর ট্রান্সফরমার।

ফেরাইট কোর সাধারণত SMPS ও ডিসি টু ডিসি কনভার্টারে বহুল ব্যবহৃত হয়।

পাওয়ার টান্সফরমার ছাড়াও আরো অনেক রকম ট্রান্সফরমার রয়েছে। যেমন -

• কারেন্ট ট্রান্সফরমার
• ইন্সট্রুমেন্ট ট্রান্সফরমার,
• পালস ট্রান্সফরমার,
• আরএফ ট্রান্সফরমার,
• অডিও ট্রান্সফরমার ইত্যাদি।

নিচের চিত্রে E-I কোর ট্রান্সফরমার, টরোয়ডাল ট্রান্সফরমার, ভেরিয়েবল ট্রান্সফরমার বা VARIAC এর ছবি দখতে পাচ্ছেন-

আমরা লেমিনেটেড E-I কোর ট্রান্সফরমার ডিজাইন, তৈরী কৌশল ও হিসাব নিকাশ নিয়ে আলোচনা করব। ট্রান্সফরমার তৈরী বা ডিজাইন করতে প্রথমে অনেক হিসেব নিকেশ করে নিতে হয়, যা বেশ সময় সাপেক্ষ। এই কাজকে সহজ করতে আপনাদের জন্য একটি স্প্রেডশিট ক্যালকুলেটর দিলাম। এখন মিনিটেই হিসাব করে ফেলতে পারবেন। ক্যালকুলেটর টি লেখার শেষে লিংক আকারে দেয়া আছে।

একটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয়

ট্রান্সফরমার তৈরির আগে কিছু বিষয় জানা থাকা দরকার। আমাদের দেশে পাওয়ার লাইনে (বাসা-বাড়ির লাইনে) ২২০ ভোল্ট ৫০ হার্জ থাকে। একটি ট্রান্সফরমার কে ঠিক যে ফ্রিকুয়েন্সির জন্য ডিজাইন করা হয়েছে, তার চাইতে কম বা বেশি ফ্রিকুয়েন্সিতে কিছুতেই চালানো উচিত নয়। কারন এতে করে ট্রান্সফরমারটিতে ওভার কিংবা লো ভোল্টেজ এফেক্ট এর মত এফেক্ট পড়বে এবং ট্রান্সফরমারটি অনেক গরম হবে, এমনকি সেটি ড্যামেজ হয়ে যেতে পারে।

প্রাইমারি ও সেকেন্ডারি কিভাবে নির্ণিত হয়

ট্রান্সফরমারের যে কয়েলে ইনপুট ভোল্টেজ দেয়া হয় তাকে প্রাইমারি ওয়াইন্ডিং বা প্রাইমারি কয়েল বলে। আর যে কয়েল থেকে আউটপুট ভোল্টেজ নেয়া হয় তাকে বলে সেকেন্ডারি ওয়াইন্ডিং বা সেকেন্ডারি কয়েল বলে। প্রাইমারি কয়েলে যখন এসি পাওয়ার ইনপুট দেয়া হয় তখন প্রাইমারি কয়েলের চতুর্দিকে ম্যাগনেটিক ফ্লাক্স বা তরিচ্চুম্বকীয় আবেশ তৈরি হয়। আর ট্রান্সফরমারের কোর এই ম্যাগনেটিক ফ্লাক্সের জন্য একটি পরিবাহী হিসেবে কাজ করে।

নিচের চিত্রে দেখুন সবুজ কালী দিয়ে ম্যাগনেটিক ফ্লাস্ক কে ট্রান্সফরমার এর কোরের মধ্য দিয়ে পরিবাহিত হতে দেখা যাচ্ছে। নীল কালি দিয়ে এর সেকেন্ডারি ও লাল কালী দিয়ে এর প্রাইমারি ওয়াইন্ডিং দেখানো হয়েছে।

মূলনীতি

ফ্যারাডের সূত্রানুসারে-

একটি পরিবাহী এবং একটি চুম্বকক্ষেত্রে যখন আপেক্ষিক গতি এরূপ বিদ্যমান থাকে যে পরিবাহীটি চুম্বকক্ষেত্রকে কর্তন করে তবে পরিবাহীতে একটি EMF আবিষ্ট হয়। যার পরিমান ফ্লাক্স কর্তন এর বা ফ্লাক্স পরিবর্তনের হারের সাথে সরাসরি সমানুপাতিক।

কোরের মাধ্যমে এই ম্যাগনেটিক ফ্লাক্স সেকেন্ডারি কয়েলে আবিষ্ট হয়ে ভোল্টেজ ও কারেন্ট তৈরি করে।

ট্রান্সফরমারের বিভিন্ন অংশ সমূহ

নিচে এর বিভিন্ন গুরুত্বপূর্ণ অংশ সমূহের বর্ণনা করা হলো।

কোর

ম্যাগনেটিক মেটারিয়াল দিয়ে তৈরী হয় এটি। বিভিন্ন আকার ও গঠনের হয়ে থাকে। যেমন, E-I কোর, U-T কোর, EE কোর, টরোয়ডাল কোর ইত্যাদি। নিচের চিত্রে টরোয়েড কোর ও E-I কোর দেখতে পাচ্ছেন-

কন্ডাক্টর

সাধারণত এনামেল ইন্সুলেশন যুক্ত কপার কন্ডাক্টর ব্যবহৃত হয়। এলুমিনিয়াম তার ও ব্যবহার করা যায়। সেক্ষেত্রে এলুমিনিয়াম কন্ডাক্টরের ব্যাস কপার কন্ডাক্টরের ব্যাসের 1.26 গুন বেশি হতে হবে। কারণ এলুমিনিয়াম তারের কারেন্ট কন্ডাক্টিভিটি কপারের 61%।

ববিন

ববিন এর উপরে কন্ডাক্টরকে কয়েল আকারে পেঁচানো হয়। বিভিন্ন আকারের প্লাস্টিকের ববিন বাজারে কিনতে পাওয়া যায়। সঠিক মাপের ববিন বাজারে কিনতে না পাওয়া গেলে হার্ড বোর্ড, ফাইবার বোর্ড ইত্যাদি দিয়ে নিজেও তৈরি করে নিতে পারেন। নিচের চিত্রে বাজারে পাওয়া যায় এমন বিভিন্ন সাইজের ববিন এর চিত্র দেখানো হলো-

হাতে তৈরি ববিনের চিত্র নিচে দেখা যাচ্ছে-

ট্রান্সফরমার তৈরি করবার ডিজাইন ও হিসাব

কোর এর প্রস্থচ্ছেদের ক্ষেত্রফল (Area) নির্ণয়

সহজ কথায় কোরের যে অংশ দিয়ে ম্যাগনেটিক ফ্লাক্স লাইন প্রবাহিত হবে তার ক্ষেত্রফলই হচ্ছে কোর এর ক্ষেত্রফল।

উপরের চিত্রে নীল অংশটি ট্রান্সফরমারের কোর এরিয়া বা কোরের ক্ষেত্রফল

প্রস্থচ্ছেদের ক্ষেত্রফল = প্রস্থ × উচ্চতা (Cross Sectional Area = Width × Height)

এরিয়া ও পাওয়ারের সমীকরণ

উক্ত ছবিটি দেখে নিশ্চয়ই বুঝতে পারছেন যে কোর এর ক্ষেত্রফল যত বেশী হবে ততো বেশী পরিমান পাওয়ার ট্রান্সফরমার টি প্রদান করতে সক্ষম হবে। মূলত এ কারনেই ইলেকট্রিক্যাল লাইনে ব্যবহৃত হাই পাওয়ার ট্রান্সফরমার গুলো আকৃতিতে বিশাল হয়ে থাকে। নিচে এরিয়া ও পাওয়ারের সমীকরণ টি দেয়া হলো-

Area      ⇒ √Power / 5.58

Power    ⇒ (5.58 × Area)² = 31.136 × A²

অনেকেই প্রশ্ন করে থাকেন যে এই ৫.৫৮ মানটি আসলে কী। সহজ ভাবে বললে এটি সমীকরণের ধ্রুবক বা কনস্ট্যান্ট (এধরণের ট্রান্সফরমার এর জন্য)।

কয়েলের জন্য পাক সংখ্যা (Number of turns, N) নির্ণয়

N = 10⁸ ⁄ (4.44 × ƒ × H × A)

এখানে,

• N = প্রতি ভোল্ট এর জন্য পাক সংখ্যা
• F = অপারেটিং ফ্রিকুয়েন্সি
• H = কোর এর প্রতি বর্গ ইঞ্চি প্রস্থচ্ছেদের ক্ষেত্রফলে ম্যাগনেটিক ফ্লাক্স লাইন সংখ্যা
• A = বর্গ ইঞ্চিতে কোরের প্রস্থচ্ছেদের ক্ষেত্রফল

উদাহরণ

চলুন এখন একটি ট্রান্সফরমার ডিজাইনের হিসাব খাতা কলমে ও সফটওয়্যারে দুই ভাবেই করে দেখি।

আমরা একটি ট্রান্সফরমার তৈরী করবো যার ইনপুট 220 ভোল্ট, একটি আউটপুট হবে 12 ভোল্ট 3 এম্পিয়ার সেন্টার ট্যাপ সহ এবং অপর একটি আউটপুট হবে 6 ভোল্ট 2 এম্পিয়ার।

সর্বমোট আউটপুট পাওয়ার হবে -

• 12 ভোল্ট × 3 এম্পিয়ার = 36 VA
• 6 ভোল্ট × 2 এম্পিয়ার = 12 VA
• সর্বমোট পাওয়ার (36 + 12) VA = 48 VA

ক্যালকুলেটর দিয়ে হিসাব

এটি একটি মাইক্রোসফট এক্সেল স্প্রেডশিট ক্যালকুলেটর। এটিকে ওপেন করতে হলে আপনার কম্পিউটারে মাইক্রোসফট এক্সেল, ওপেন অফিস, লিব্রে অফিস অথবা যেকোন স্প্রেডশিট এপ্লিকেশন ইন্সটল থাকতে হবে। স্মার্ট ফোনেও একই ভাবে মাইক্রোসফট এক্সেল, গুগল শিটস অথবা অন্য কোন স্প্রেডশিট এপ্লিকেশন ইন্সটল থাকতে হবে। প্রথমে পাশের লিঙ্ক থেকে এক্সেল স্প্রেডশিট টি ডাউনলোড করে নিতে পারেন ট্রান্সফরমার ক্যালকুলেটর লিংক থেকে।

ক্যালকুলেটর ব্যবহার বিধি

হাতে কলমে হিসেব করার সময় (নীচে বিস্তারিত আছে) ট্রান্সফরমারের লস হিসেব করতে হয়। সফটওয়্যার ব্যবহার করলে লস হিসেব করতে কষ্ট করতে হবে না, সফটওয়্যার অটোমেটিক্যালি সেটা করে নেবে। তাই বাড়তি ঝামেলা নেই। চলুন দেখে নিই কিভাবে ডাটা ইনপুট দিবেন।

উপরের ছবিতে এই নীল রং এর সেল গুলো ডাটা ইনপুট সেল এবং এই কমলা রং এর সেল গুলো রেজাল্ট এর সেল। আমরা পূর্বের হিসাব অনুযায়ী 48VA এর ট্রান্সফরমার ডিজাইন করবো।

মনে করুন আপনার কাছে যে কোর আছে তার Width হচ্ছে 1 ইঞ্চি, এবং ট্রান্সফরমারের আউটপুট পাওয়ার হতে হবে 48VA. তাহলে Transformer-3 এর Row তে Width এর নীচে 1 ইনপুট দিলাম, তার ডানপাশে Power এর নিচে 48 ইনপুট দিলাম। একই রো তে ডানপাশে আউটপুট গুলো চলে এসেছে-

Height = 1.31 ইঞ্চি ও Turn per volt = 5.736 পাওয়া গেল।

এবার,

নীচের ছবিটিতে দেখুন Volts লিখার জন্য নীল রং এর কতগুলো সেল আছে। আগের ছবিতে Transformer-3 তে ইনপুট দিয়েছিলাম। তাই এখানেও Transformer-3 এর নীচের Volts লিখার সেল গুলোতে বিভিন্ন কয়েলের Voltage লিখব। ডান পাশে কমলা রং এর সেলে Turn সংখ্যা 1262 ও কারেন্ট এর মান 0.24 Ampere পাওয়া গেল।

এখন (এই লেখার একদম শেষে দেয়া) SWG টেবিল হতে 0.24 Amp কারেন্ট ক্যাপাসিটির তার খুজে 30 SWG পাওয়া গেল। একই ভাবে 6V কয়েলের কারেন্ট 2 Amp এর জন্য তার 20 SWG. 12V সেন্টার টেপড কয়েলের কারেন্ট 3 Amp এর অর্ধেক বা 1.5 Amp এর জন্য তার 21 SWG পেলাম।

হিসেব থেকে যা পেলাম এক নজরে দেখে নেয়া যাক,

• 220V কয়েল 1262 turns 30 SWG
• 6V কয়েল 35 turns, 20 SWG
• 12V কয়েল 69 × 2 turns, 21 SWG

নিচের চিত্রটি দেখুন-

হাতে কলমে হিসাব করা

আপনি এই ক্যালকুলেটর ব্যবহার না করে হাতে কলমে হিসেব করতে চাইলেও করতে পারেন। সময় বাঁচাতে ও নির্ভুল হিসেব পেতে ক্যালকুলেটর ব্যবহার করাই ভালো।

প্রথমেই ট্রান্সফরমার এর পাওয়ার লস হিসাব করতে হবে। প্রত্যেক ট্রান্সফরমার এর কিছু লস আছে। এটি হয় মূলত এতে ব্যবহৃত কোর, কয়েল ইত্যাদির উপর নির্ভর করে তাপ, শব্দ প্রভৃতি উপায়ে নির্গত হয়ে যায়।

সাধারণত আমরা যেসকল ট্রান্সফরমার কোর ব্যবহার করি তাতে ১০-২০% পাওয়ার লস হয়। মনেকরি আমাদের ট্রান্সফরমারটির লস হবে 10% বা এফিসিয়েন্সি 90%। কাঙ্খিত 48 VA আউটপুট পেতে 48 এর 10% বেশি পাওয়ার বা 53.33 VA এর জন্য ডিজাইন করতে হবে।

এরিয়া'র সূত্র থেকে পাই-

Area      ⇒ √Power / 5.58

= √W/5.58

= √53.33/5.58 

= 1.3088 Square Inch

সুতরাং আমরা যে ট্রান্সফরমার টি ডিজাইন করব তার প্রস্থচ্ছেদের ক্ষেত্রফল হবে 1.3088 বর্গ ইঞ্চি। এখন 1.3088 বর্গ ইঞ্চির কোর নির্বাচন করতে হবে।

কয়েলের টার্ন সংখ্যা নির্ণয়

কয়েলের প্যাঁচ সংখ্যা নির্ণয়ের সূত্র প্রয়োগ করে আমরা পাই-

N = 10⁸ ⁄ (4.44 × ƒ × H × A)

= 10⁸ ⁄ (4.44 × 50 × 60000 × 1.3088)

= 5.736 Turns/Volt 

এখানে,

Area      = 1.3088 Square Inch (আগের সূত্র থেকে পাওয়া)

f           = 50Hz

H          = 60000 (আয়রন কোরের ক্ষেত্রে প্রতি বর্গ ইঞ্চিতে ফ্লাক্স লাইন ৬০০০০ থেকে ৬৫০০০ ধরা হয়)

সুতরাং,

• প্রাইমারী বা 220 ভোল্ট কয়েলে প্যাঁচ সংখ্যা = 220 × 5.736 = 1262 প্যাঁচ।
• সেকেন্ডারি 12-0-12 ভোল্ট কয়েলে প্যাঁচ সংখ্যা = 12 × 2 × 5.736 = 69 × 2 (এখানে 69 প্যাঁচ করে দুই কয়েল, যেহেতু এটি সেন্টার ট্যাপ হবে)।
• সেকেন্ডারি 6 ভোল্ট কয়েলে প্যাঁচ সংখ্যা = 6 × 5.736 = 35

এ ধরনের ট্রান্সফরমারের তাপমাত্রা, কুলিং ব্যবস্থা বিবেচনা করে তামার তারের প্রতি বর্গ ইঞ্চি প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফলের জন্য কারেন্ট ক্যাপাসিটি 2000 এম্পিয়ার ধরা হয়। নীচের টেবিলে 2000 এম্পিয়ার/বর্গ ইঞ্চি হিসেবে কারেন্ট ক্যাপাসিটি দেয়া আছে।

এখন আমরা সূত্র মোতাবেক জানি যে Current,  I = Power ⁄ Voltage

220V কয়েলের জন্য নির্নেয় কারেন্ট হবে = input power⁄input voltage

= 53 VA ⁄ 220 Volt

= 0.24 A

টেবিল হতে 0.24 A কারেন্ট ক্যাপাসিটির তার খুজে 30 SWG পাওয়া গেল। একই ভাবে-

• 6V কয়েলের কারেন্ট 2 Amp এর জন্য তার 20 SWG.
• 12V সেন্টার ট্যাপড কয়েলের কারেন্ট 3 Amp এর অর্ধেক বা 1.5 Amp এর জন্য তার হবে 21 SWG.

সম্পূর্ণ হিসেব থেকে যা পেলাম এক নজরে দেখে নিই,

• 220V কয়েল 1262 turns 30 SWG
• 6V কয়েল 35 turns, 20 SWG
• 12V কয়েল 69 turns × 2, 21 SWG

সতর্কতা ও কিছু নির্দেশনা

1. তার প্যাচানোর সময় যেন তারের এনামেল ইন্সুলেশন নষ্ট না হয়ে যায় সেদিকে খেয়াল রাখতে হবে।
2. তার কোরের সাথে যেন লেগে না যায় সেদিকে সজাগ দৃষ্টি রাখতে হবে।
3. কয়েল গুলো সুষম ভাবে প্যাচাতে হবে।
4. ট্রান্সফরমারের হাম (Hum) কমাতে কয়েল প্যাচানোর পর ইন্সুলেটিং ভার্নিশ দিয়ে রোদে শুকাতে হবে।
5. কয়েল থেকে বাইরে সংযোগ তার বের করতে সোল্ডারিং করার আগে কয়েলের প্রান্ত সিরিশ কাগজ অথবা ছুরি দিয়ে এনামেল ইন্সুলেশন তুলে নিতে হবে।
6. কয়েল থেকে বাইরে সংযোগ তার বের করতে ইন্সুলেটিং টিউব অথবা Heat Shrink Tube ব্যবহার করা ভাল।
7. একটি কয়েল প্যাচানোর সময় সব প্যাচ একই দিকে দিতে হবে। অর্থাৎ এক কয়েলের সব প্যাচ Clockwise অথবা Anti-clockwise ভাবে ববিনে প্যাচাতে হবে।
8. বাড়তি নিরাপত্তা হিসেবে ট্রান্সফরমারের বডি বা চেসিস আর্থিং করতে হবে।

সমাপ্তি

আশাকরি ট্রন্সফরমার তৈরী করবার এই ক্যলকুলেটর ও লেখাটি সবার উপকারে আসবে। তাহলেই আমার পরিশ্রম স্বার্থক। সবাই ভালো থাকবেন। আজকের মত এখানেই বিদায় নিচ্ছি।