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

چگونه ترانسفورماتورهای قدرت در سیستم‌های برق انتقال ولتاژ را تسهیل می‌کنند؟

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 دیگری بدون تغییر فرکانس، بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی تبدیل می‌کنند. ترانسفورماتورها نقش مهمی در انتقال و توزیع انرژی بازی می‌کنند و با افزایش کارایی انتقال، کاهش ضایعات و تضمین عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های برق.

1. اصل کاری اساسی ترانسفورماتورها

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

• پیچش اولیه: به منبع تغذیه متصل است و ولتاژ ورودی را دریافت می‌کند.

• پیچش ثانویه: به بار متصل است و ولتاژ خروجی را تحویل می‌دهد.

وقتی جریان متناوب از طریق پیچش اولیه می‌گذرد، میدان مغناطیسی متغیری در هسته آهنی ایجاد می‌شود. بر اساس قانون فارادی، این میدان مغناطیسی متغیر یک نیروی الکتروموتوری (EMF) در پیچش ثانویه القاء می‌کند که به نوبه خود جریانی را تولید می‌کند. با تنظیم نسبت دور پیچش بین پیچش اولیه و ثانویه، تبدیل ولتاژ انجام می‌شود.

2. اصل تبدیل ولتاژ

توانایی تبدیل ولتاژ یک ترانسفورماتور به نسبت دور پیچش بین پیچش اولیه و ثانویه بستگی دارد. این رابطه توسط فرمول نسبت ولتاژ توصیف می‌شود:

که در آن:

• V1 ولتاژ ورودی پیچش اولیه است.

• V2 ولتاژ خروجی پیچش ثانویه است.

• N1 تعداد دور پیچش اولیه است.

• N2 تعداد دور پیچش ثانویه است.

با تغییر نسبت دور پیچش، تبدیل‌های ولتاژ مختلفی ممکن است:

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

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

3. رابطه توان در ترانسفورماتورها

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

که در آن:

• I1 جریان ورودی در پیچش اولیه است.

• I2 جریان خروجی در پیچش ثانویه است.

از آنجا که ولتاژ و جریان عکس‌تناسب دارند، هنگامی که ولتاژ افزایش می‌یابد، جریان کاهش می‌یابد و برعکس. این کمک می‌کند تا ضایعات در خطوط انتقال کاهش یابد زیرا ضایعات متناسب با مجذور جریان (Ploss = I2 × R) هستند. با افزایش ولتاژ، جریان کاهش می‌یابد و بنابراین ضایعات کاهش می‌یابند.

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 ضایعات در انتقال طولانی، از ترانسفورماتورهای بالا بردن ولتاژ برای افزایش ولتاژ به صدگان 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 کاهش ضایعات خط استفاده می‌شوند.

• زیرстанسیون‌ها:زیرستانسیون‌ها به عنوان گره‌های کلیدی بین سیستم‌های انتقال و توزیع عمل می‌کنند. ترانسفورماتورهای پایین بردن ولتاژ در زیرستانسیون‌ها 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 مسکونی و صنعتی (مثلاً 380 V یا 220 V) کاهش می‌دهند. این ترانسفورماتورها معمولاً نزدیک مناطق مسکونی یا تسهیلات صنعتی نصب می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که برق به صورت ایمن و کارآمد تحویل داده می‌شود.

• کاربردهای خاص:در کاربردهای خاص مانند سیستم‌های تحریک 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 تک‌فاز:در سیستم‌های AC تک‌فاز استفاده می‌شوند و معمولاً در تأمین برق مسکونی و تجاری کوچک یافت می‌شوند.

• ترانسفورماتورهای سه‌فاز:در سیستم‌های AC سه‌فاز استفاده می‌شوند و به طور گسترده در سیستم‌های تولید، تجاری و انتقال برق در مقیاس بزرگ کاربرد دارند. ترانسفورماتورهای سه‌فاز ظرفیت انتقال برق بیشتر و کارایی بهتری دارند.

• ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن:از روغن عایق به عنوان ماده خنک‌کننده و عایق استفاده می‌کنند و برای کاربردهای ظرفیت بالا و ولتاژ بالا مناسب هستند. ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن دارای تخلیه حرارتی بسیار خوب و قدرت عایق‌بندی بالا هستند و برای زیرستانسیون‌ها و سیستم‌های انتقال مناسب هستند.

• ترانسفورماتورهای خشک:از ماده خنک‌کننده مایع استفاده نمی‌کنند و به جای آن از خنک‌سازی هوا طبیعی یا مجبور استفاده می‌کنند. ترانسفورماتورهای خشک کوچک‌تر هستند، نیاز به نگهداری کمتری دارند و برای نصب داخلی و محیط‌هایی با محدودیت‌های محیطی دقیق، مانند ساختمان‌های تجاری و بیمارستان‌ها مناسب هستند.

• ترانسفورماتورهای خودکار:پیچش اولیه و ثانویه بخشی از یک پیچش مشترک دارند و برای کاربردهایی که تغییرات ولتاژ کم هستند مناسب هستند. ترانسفورماتورهای خودکار ساختار ساده‌تر 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 دارای کارایی تبدیل انرژی بسیار بالا هستند که معمولاً بیش از 95% است. ترانسفورماتورهای مدرن از مواد و فناوری‌های پیشرفته استفاده می‌کنند تا کارایی را افزایش داده و ضایعات انرژی را کاهش دهند.

• بدون قطعه متحرک:ترانسفورماتورها قطعات مکانیکی متحرک ندارند که باعث می‌شود دارای قابلیت اطمینان بالا، هزینه‌های نگهداری کم و عمر طولانی باشند.

• تبدیل ولتاژ انعطاف‌پذیر:با تنظیم نسبت دور پیچش، ترانسفورماتورها می‌توانند ولتاژ را به صورت انعطاف‌پذیر افزایش یا کاهش دهند تا نیازهای مختلف کاربردی را برآورده کنند.

• جداکننده الکتریکی:ترانسفورماتورها جداکننده الکتریکی هستند که تماس مستقیم بین مدارهایی که در سطوح ولتاژ مختلف کار می‌کنند را جلوگیری می‌کنند و ایمنی و پایداری سیستم را تضمین می‌کنند.

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

7. خلاصه

ترانسفورماتورهای قدرت انتقال ولتاژ را در سیستم‌های برق از طریق اصل القای الکترومغناطیسی تسهیل می‌کنند. آنها نقش حیاتی در انتقال و توزیع برق دارند و با افزایش کارایی، کاهش ضایعات و تضمین عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های برق. ترانسفورماتورها به طور گسترده در نیروگاه‌ها، سیستم‌های انتقال، زیرستانسیون‌ها و سیستم‌های توزیع استفاده می‌شوند و نیازهای متنوع ولتاژ و جریان کاربران مختلف را برآورده می‌کنند. بر اساس کاربرد، ترانسفورماتورها می‌توانند به انواع تک‌فاز، سه‌فاز، غوطه‌ور در روغن، خشک و خودکار تقسیم‌بندی شوند، هر کدام مزایای منحصر به فرد خود را دارند و برای کاربردهای خاص مناسب هستند.