چگونه یک ترانسفورماتور برق انتقال ولتاژ را در سیستم های برق تسهیل می کند

چگونه ترانسفورماتورهای قدرت در سیستم‌های برق کمک می‌کنند به تغییر ولتاژ؟

ترانسفورماتورهای قدرت دستگاه‌های کلیدی در سیستم‌های برق هستند که برای افزایش یا کاهش ولتاژ جریان متناوب (AC) استفاده می‌شوند. آنها انرژی الکتریکی را از یک سطح ولتاژ به سطح دیگر بدون تغییر فرکانس، بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی، تبدیل می‌کنند. ترانسفورماتورها نقش حیاتی در انتقال و توزیع برق دارند، با افزایش کارایی انتقال، کاهش زیان‌ها و تضمین عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های برق.

1. اصل کار اساسی ترانسفورماتورها

ترانسفورماتورها بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی کار می‌کنند. ساختار اصلی آنها شامل دو سیم‌پیچ است: سیم‌پیچ اولیه و سیم‌پیچ ثانویه که حول یک هسته آهنی مشترک پیچیده شده‌اند. هسته آهنی برای تمرکز و افزایش میدان مغناطیسی و بهبود کارایی انتقال انرژی استفاده می‌شود.

• سیم‌پیچ اولیه: به منبع برق متصل می‌شود و ولتاژ ورودی را دریافت می‌کند.

• سیم‌پیچ ثانویه: به بار متصل می‌شود و ولتاژ خروجی را تحویل می‌دهد.

وقتی جریان متناوب از طریق سیم‌پیچ اولیه می‌گذرد، یک میدان مغناطیسی متغیر در هسته آهنی ایجاد می‌شود. بر اساس قانون فارادی، این میدان مغناطیسی متغیر یک نیروی الکتروموتوری (EMF) در سیم‌پیچ ثانویه القا می‌کند که به نوبه خود یک جریان ایجاد می‌کند. با تنظیم نسبت دورهای سیم‌پیچ اولیه و ثانویه، می‌توان تغییر ولتاژ را انجام داد.

2. اصل تغییر ولتاژ

قدرت تغییر ولتاژ یک ترانسفورماتور به نسبت دورهای سیم‌پیچ اولیه و ثانویه بستگی دارد. این رابطه با فرمول نسبت ولتاژ توصیف می‌شود:

که در آن:

• V1 ولتاژ ورودی سیم‌پیچ اولیه است.

• V2 ولتاژ خروجی سیم‌پیچ ثانویه است.

• N1 تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه است.

• N2 تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه است.

با تغییر نسبت دورها، می‌توان تغییرات مختلف ولتاژ را به دست آورد:

• ترانسفورماتور بالا بردن ولتاژ: وقتی تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه N2 بیشتر از تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه N1 باشد، ولتاژ خروجی V2 بیشتر از ولتاژ ورودی V1 خواهد بود، یعنی V2 >V1. ترانسفورماتورهای بالا بردن ولتاژ برای افزایش ولتاژ پایین به ولتاژ بالا استفاده می‌شوند، معمولاً در سیستم‌های انتقال برق برای کاهش زیان‌های برق در مسافت‌های طولانی.

• ترانسفورماتور پایین بردن ولتاژ: وقتی تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه N2 کمتر از تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه N1 باشد، ولتاژ خروجی V2 کمتر از ولتاژ ورودی V1 خواهد بود، یعنی V2 <V1. ترانسفورماتورهای پایین بردن ولتاژ برای کاهش ولتاژ بالا به ولتاژ پایین استفاده می‌شوند، معمولاً در سیستم‌های توزیع برای تبدیل خطوط انتقال ولتاژ بالا به ولتاژ مناسب برای استفاده خانگی و صنعتی.

3. رابطه توان در ترانسفورماتورها

بر اساس قانون حفظ انرژی، توان ورودی و توان خروجی یک ترانسفورماتور تقریباً مساوی هستند (به غیر از زیان‌های کوچک انرژی). رابطه توان در یک ترانسفورماتور می‌تواند به صورت زیر بیان شود:

که در آن:

• I1 جریان ورودی در سیم‌پیچ اولیه است.

• I2 جریان خروجی در سیم‌پیچ ثانویه است.

از آنجا که ولتاژ و جریان با هم نسبت معکوس دارند، وقتی ولتاژ افزایش می‌یابد، جریان کاهش می‌یابد و برعکس. این کمک می‌کند به کاهش زیان‌های خطوط انتقال چون زیان‌های برق متناسب با مجذور جریان (Ploss =I2 ×R) هستند. با افزایش ولتاژ، جریان کاهش می‌یابد و بنابراین زیان‌ها کم می‌شوند.

4. کاربردهای ترانسفورماتورها در سیستم‌های برق

ترانسفورماتورها چندین کاربرد کلیدی در سیستم‌های برق دارند:

• نیروگاه‌ها:در نیروگاه‌ها، ولتاژ تولید شده توسط توربین‌ها معمولاً پایین است (مثلاً 10 kV). برای کاهش زیان‌های برق در انتقال طولانی، از ترانسفورماتورهای بالا بردن ولتاژ برای افزایش ولتاژ به صدها کیلوولت (مثلاً 500 kV) قبل از ارسال برق از طریق خطوط انتقال ولتاژ بالا استفاده می‌شود.

• سیستم‌های انتقال:خطوط انتقال ولتاژ بالا برای حمل برق از نیروگاه‌ها به مناطق مختلف استفاده می‌شوند. ترانسفورماتورهای بالا بردن ولتاژ به طور گسترده در سیستم‌های انتقال برای افزایش ولتاژ، کاهش جریان و کم کردن زیان‌های خط استفاده می‌شوند.

• پست‌های برق:پست‌های برق به عنوان گره‌های مهم بین سیستم‌های انتقال و توزیع عمل می‌کنند. ترانسفورماتورهای پایین بردن ولتاژ در پست‌های برق برای کاهش ولتاژ خطوط انتقال ولتاژ بالا به سطوح مناسب برای توزیع محلی (مثلاً 110 kV، 35 kV یا 10 kV) استفاده می‌شوند.

• سیستم‌های توزیع:در سیستم‌های توزیع، ترانسفورماتورهای پایین بردن ولتاژ ولتاژ را به سطوح مناسب برای استفاده خانگی و صنعتی (مثلاً 380 V یا 220 V) کاهش می‌دهند. این ترانسفورماتورها معمولاً نزدیک مناطق مسکونی یا تسهیلات صنعتی نصب می‌شوند تا تحویل برق ایمن و کارآمد را تضمین کنند.

• کاربردهای خاص:در کاربردهای تخصصی مانند سیستم‌های تراکشن ریلی، تجهیزات پزشکی و دستگاه‌های ارتباطی، از ترانسفورماتورها برای ارائه نیازهای خاص ولتاژ و جریان استفاده می‌شود تا عملکرد صحیح این دستگاه‌ها تضمین شود.

5. انواع ترانسفورماتورها

بر اساس سناریوهای کاربردی مختلف و ویژگی‌های طراحی، ترانسفورماتورها می‌توانند به چند نوع تقسیم‌بندی شوند:

• ترانسفورماتورهای یک‌فازی:در سیستم‌های AC یک‌فازی استفاده می‌شوند و معمولاً در تأمین برق خانگی و تجاری کوچک یافت می‌شوند.

• ترانسفورماتورهای سه‌فازی:در سیستم‌های AC سه‌فازی استفاده می‌شوند و به طور گسترده در صنایع، تجارت و سیستم‌های انتقال برق در مقیاس بزرگ کاربرد دارند. ترانسفورماتورهای سه‌فازی ظرفیت انتقال برق بالاتر و کارایی بهتری دارند.

• ترانسفورماتورهای روغنی:از روغن عایق‌ساز به عنوان مedium خنک‌کننده و عایق استفاده می‌کنند و برای کاربردهای با ظرفیت و ولتاژ بالا مناسب هستند. ترانسفورماتورهای روغنی حرارت‌داهی بسیار خوبی دارند و قدرت عایق‌سازی بالا، که آنها را برای پست‌های برق و سیستم‌های انتقال مناسب می‌کند.

• ترانسفورماتورهای خشک:از مedium خنک‌کننده مایع استفاده نمی‌کنند بلکه از خنک‌سازی هوای طبیعی یا اجباری توسط موتور استفاده می‌کنند. ترانسفورماتورهای خشک از نظر اندازه کوچک‌تر هستند، نیاز به نگهداری کمتری دارند و برای نصب داخلی و محیط‌هایی با الزامات محیطی سختگیرانه، مانند ساختمان‌های تجاری و بیمارستان‌ها مناسب هستند.

• ترانسفورماتورهای خودکار:سیم‌پیچ اولیه و ثانویه بخشی از یک سیم‌پیچ مشترک هستند و برای کاربردهایی که تغییر ولتاژ نسبتاً کم است مناسب هستند. ترانسفورماتورهای خودکار ساختار ساده‌تری دارند و کارایی بالاتری دارند اما ایمنی کمتری نسبت به ترانسفورماتورهای سنتی دارند و معمولاً در کاربردهای تنظیم ولتاژ خاص استفاده می‌شوند.

6. مزایای ترانسفورماتورها

• کارایی بالا:ترانسفورماتورها کارایی تبدیل انرژی بسیار بالایی دارند که معمولاً بیش از 95% است. ترانسفورماتورهای مدرن از مواد و فناوری‌های پیشرفته برای بهبود کارایی و کاهش زیان‌های انرژی استفاده می‌کنند.

• بدون قطعات متحرک:ترانسفورماتورها قطعات مکانیکی متحرک ندارند که منجر به قابلیت اطمینان بالا، هزینه‌های نگهداری پایین و عمر طولانی می‌شود.

• تغییر ولتاژ انعطاف‌پذیر:با تنظیم نسبت دورها، ترانسفورماتورها می‌توانند ولتاژ را به صورت انعطاف‌پذیر افزایش یا کاهش دهند تا نیازهای مختلف را برآورده کنند.

• ایزوله‌سازی الکتریکی:ترانسفورماتورها ایزوله‌سازی الکتریکی ایجاد می‌کنند که از تماس مستقیم بین مدارهایی که در سطوح ولتاژ مختلف کار می‌کنند جلوگیری می‌کند و ایمنی و پایداری سیستم را تضمین می‌کند.

• کاهش زیان‌های خط:با افزایش ولتاژ، ترانسفورماتورها جریان در خطوط انتقال را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند و بنابراین زیان‌های خط را کم می‌کنند و کارایی انتقال را بهبود می‌بخشند.

7. خلاصه

ترانسفورماتورهای قدرت از طریق اصل القای الکترومغناطیسی در سیستم‌های برق به تغییر ولتاژ کمک می‌کنند. آنها نقش حیاتی در انتقال و توزیع برق دارند، با افزایش کارایی، کاهش زیان‌ها و تضمین عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های برق. ترانسفورماتورها به طور گسترده در نیروگاه‌ها، سیستم‌های انتقال، پست‌های برق و سیستم‌های توزیع استفاده می‌شوند و نیازهای مختلف ولتاژ و جریان کاربران را برآورده می‌کنند. بر اساس کاربرد، ترانسفورماتورها می‌توانند به انواع یک‌فازی، سه‌فازی، روغنی، خشک و خودکار تقسیم‌بندی شوند، هر کدام با مزایای منحصر به فرد و برای کاربردهای خاص مناسب هستند.