ترانسفورماتور برق چیست و چگونه کار می کند؟

در برخی از مقالات قبلی ما در مورد اصول اولیه ترانسفورماتور و انواع ترانسفورماتور صحبت کرده ایم. یکی از ترانسفورماتورهای مهم و پرکاربرد ترانسفورماتور برق است. ترانسفورماتور برق به طور گسترده ای برای افزایش و کاهش ولتاژ در ایستگاه تولید برق و ایستگاه توزیع (یا پست) استفاده می شود.

به عنوان مثال، بلوک دیاگرام نشان داده شده در بالا را در نظر بگیرید. در اینجا از ترانسفورماتور برق دو بار استفاده می شود، در حالی که برق را به مصرف کننده ای که دور از ایستگاه تولید است، تحویل می دهد.

اولین بار در ایستگاه تولید برق برای افزایش ولتاژ تولید شده توسط ژنراتور بادی است.

دوم در ایستگاه توزیع (یا پست) برای کاهش ولتاژ دریافتی در انتهای خط انتقال.

تفاوت بین ترانسفورماتور برق و ترانسفورماتور توزیع

ترانسفورماتور برق معمولاً در بار کامل کار می کند زیرا به گونه ای طراحی شده است که در بار 100 درصد دارای راندمان بالایی باشد. از سوی دیگر، ترانسفورماتور توزیع زمانی که بار بین 50 تا 70 درصد باقی بماند، بازده بالایی دارد. بنابراین، ترانسفورماتورهای توزیع برای کار مداوم در بار 100٪ مناسب نیستند.

از آنجایی که ترانسفورماتور برق منجر به ولتاژهای بالا در هنگام افزایش و پایین آمدن می شود، سیم پیچ ها در مقایسه با ترانسفورماتورهای توزیع و ترانسفورماتورهای ابزار عایق بالایی دارند. از آنجایی که از عایق های سطح بالایی استفاده می کنند، از نظر اندازه بسیار حجیم و همچنین بسیار سنگین هستند.

ترانسفورماتور برق معمولاً مستقیماً به خانه ها متصل نمی شود، نوسانات بار کمتری را تجربه می کند، در حالی که ترانسفورماتورهای توزیع نوسانات بار سنگین را تجربه می کنند. اینها به طور کامل به مدت 24 ساعت در روز بارگیری می شوند، بنابراین تلفات مس و آهن در طول روز اتفاق می افتد و در تمام مدت یکسان می مانند. چگالی شار در ترانسفورماتور برق بیشتر از ترانسفورماتور توزیع است.

اصول کار ترانسفورماتور برق

ترانسفورماتور برق بر اساس اصل “قانون القای الکترومغناطیسی فارادی” کار می کند. این قانون اساسی الکترومغناطیس است که اصل کار سلف ها، موتورها، ژنراتورها و ترانسفورماتورهای الکتریکی را توضیح می دهد. این قانون می گوید: «وقتی یک هادی حلقه بسته یا کوتاه به یک میدان مغناطیسی متغیر نزدیک شود، جریان جریان در آن حلقه بسته ایجاد می شود». برای درک بهتر قانون، اجازه دهید در مورد آن با جزئیات بیشتری صحبت کنیم. ابتدا بیایید یک سناریوی زیر را در نظر بگیریم.

مرحله اول

ابتدا یک آهنربای دائمی را در نظر بگیرید و یک رسانا به هم نزدیک شود. سپس هادی در دو انتها با استفاده از سیم همانطور که در شکل نشان داده شده است، اتصال کوتاه می شود. در این حالت جریانی در هادی یا حلقه وجود نخواهد داشت زیرا میدان مغناطیسی قطع کننده حلقه ثابت است و همانطور که در قانون ذکر شده است فقط یک میدان مغناطیسی متغیر یا متغیر می تواند جریان را در حلقه ایجاد کند. بنابراین در حالت اول میدان مغناطیسی ساکن، جریان صفر در حلقه هادی وجود خواهد داشت.

مرحله دوم

حال در نظر بگیرید که اگر آهنربا مانند یک آونگ به جلو و عقب حرکت می کند، میدان مغناطیسی که حلقه را برش می دهد مدام تغییر می کند. از آنجایی که یک میدان مغناطیسی متغیر در این مورد وجود دارد، قوانین فارادی وارد عمل خواهند شد و در نتیجه می‌توانیم جریانی را در حلقه رسانا ببینیم. پس از اینکه آهنربا به جلو و عقب حرکت می کند، جریان “I” را می بینیم که از هادی و حلقه بسته می گذرد.

مرحله سوم

در اینجا، یک جریان متناوب از طریق سیم پیچ اولیه جریان می یابد که میدان مغناطیسی متغیری را در اطراف سیم پیچ های هادی ایجاد می کند. و هنگامی که سیم پیچ 2 وارد محدوده میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ 1 می شود، به دلیل قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، یک ولتاژ EMF در سیم پیچ 2 ایجاد می شود. و به دلیل آن ولتاژ در سیم پیچ 2 یک جریان “I” از مدار بسته ثانویه عبور می کند.

مرحله چهارم

اکنون باید به یاد داشته باشید که هر دو سیم پیچ در هوا معلق هستند، بنابراین رسانه رسانایی مورد استفاده توسط میدان مغناطیسی هوا است. و هوا در مورد رسانش میدان مغناطیسی در مقایسه با فلزات مقاومت بالاتری دارد، بنابراین اگر از یک هسته فلزی یا فریتی برای عمل به عنوان واسطه میدان الکترومغناطیسی استفاده کنیم، می‌توانیم القای الکترومغناطیسی را با دقت بیشتری تجربه کنیم. بنابراین اکنون اجازه دهید برای درک بیشتر محیط هوا را با محیط آهن جایگزین کنیم.

جایگزین محیط هوا را با محیط آهن

همانطور که در شکل نشان داده شده است، می توانیم از هسته آهنی یا فریتی برای کاهش تلفات شار مغناطیسی در طول انتقال نیرو از یک سیم پیچ به سیم پیچ دیگر استفاده کنیم. در طی این مدت شار مغناطیسی نشت شده به اتمسفر به طور قابل توجهی کمتر از زمانی است که ما از هوا به عنوان یک هسته رسانای بسیار خوب میدان مغناطیسی استفاده کردیم.

هنگامی که میدان توسط سیم پیچ 1 تولید می شود، از طریق هسته آهنی جریان می یابد و به سیم پیچ 2 می رسد و به دلیل قانون فارادی سیم پیچ 2 یک EMF تولید می کند که توسط گالوانومتر متصل به سیم پیچ 2 خوانده می شود. حالا اگر دقت کنید این تنظیمات را شبیه ترانسفورماتور تک فاز خواهید یافت. و بله، هر ترانسفورماتور موجود امروز بر اساس همان اصل کار می کند.

ساخت ساده ترانسفورماتور سه فاز

حال اجازه دهید به ساخت ساده ترانسفورماتور سه فاز نگاه کنیم.

اسکلت ترانسفورماتور با چیدن ورق های فلزی چند لایه که برای حمل شار مغناطیسی استفاده می شود، طراحی شده است. در نمودار می بینید که اسکلت خاکستری رنگ شده است. اسکلت دارای سه ستون است که سیم پیچ های سه فاز روی آنها پیچیده شده است.

سیم پیچ ولتاژ پایین ابتدا پیچ می شود و به هسته نزدیک تر می شود در حالی که سیم پیچ ولتاژ بالاتر روی سیم پیچ ولتاژ پایین تر پیچیده می شود. به یاد داشته باشید که هر دو سیم پیچ توسط یک لایه عایق از هم جدا می شوند.

در اینجا هر ستون نشان دهنده یک فاز است، بنابراین برای سه ستون، سیم پیچی سه فاز داریم.

کل این مجموعه از اسکلت و سیم پیچ در یک مخزن مهر و موم شده پر از روغن صنعتی برای هدایت گرما و ایزوله بهتر غوطه ور می شود.
پس از سیم پیچ، پایانه های انتهایی هر شش سیم پیچ از طریق یک عایق HV از مخزن مهر و موم شده خارج شدند.

پایانه ها در فاصله نسبتاً دور از یکدیگر ثابت می شوند تا از پرش جرقه جلوگیری شود.

کاربردهای ترانسفورماتور برق

ترانسفورماتور برق عمدتاً در تولید برق و در ایستگاه های توزیع استفاده می شود.

همچنین در ترانسفورماتورهای ایزوله، ترانسفورماتورهای زمین، ترانسفورماتورهای یکسو کننده شش پالس و دوازده پالس، ترانسفورماتورهای مزرعه PV خورشیدی، ترانسفورماتورهای مزرعه بادی و در استارت اتوترانسفورماتور Korndörfer استفاده می شود.

برای کاهش تلفات برق در حین انتقال برق استفاده می شود.

برای افزایش ولتاژ بالا و پایین آمدن ولتاژ بالا استفاده می شود.

در موارد مصرف کننده از راه دور ترجیح داده می شود.

و در مواردی که بار با ظرفیت کامل 24×7 اجرا می شود ترجیح داده می شود.