تحلیل مزایا و راه‌حل‌های ترانسفورماتورهای توزیع تک‌فاز در مقایسه با ترانسفورماتورهای سنتی

1. اصول ساختاری و مزایای کارایی​

1.1 تفاوت‌های ساختاری تأثیرگذار بر کارایی​
تبدیل‌کننده‌های تک‌فاز و سه‌فاز نشان‌دهنده تفاوت‌های ساختاری قابل توجهی هستند. تبدیل‌کننده‌های تک‌فاز معمولاً از ساختار E یا ​مغناطیس پیچیده استفاده می‌کنند، در حالی که تبدیل‌کننده‌های سه‌فاز از یک هسته یا ساختار گروه سه‌فاز استفاده می‌کنند. این تغییرات ساختاری به طور مستقیم بر کارایی تأثیر می‌گذارند:

• هسته پیچیده در تبدیل‌کننده‌های تک‌فاز توزیع جریان مغناطیسی را بهینه می‌کند، ​هارمونیک‌های مرتبه بالا را کاهش می‌دهد و ضرر مرتبط با آنها را کاهش می‌دهد.
• داده‌ها نشان می‌دهند که تبدیل‌کننده‌های تک‌فاز با هسته پیچیده دارای ​10%–25% کاهش ضرر بدون بار و ​~50% کاهش جریان بدون بار نسبت به تبدیل‌کننده‌های سه‌فاز لایه‌ای سنتی هستند، با کاهش قابل توجه سطح صدا.

1.2 اصل عملیاتی کاهش ضرر​

• تبدیل‌کننده‌های تک‌فاز فقط AC تک‌فاز را پردازش می‌کنند، با حذف اختلاف فاز و مشکلات تعادل پتانسیل مغناطیسی ذاتی در سیستم‌های سه‌فاز، طراحی را ساده می‌کنند.
• در تبدیل‌کننده‌های سه‌فاز، بارهای نامتوازن ​ضرر اضافی ایجاد می‌کنند: میدان‌های مغناطیسی چرخان در اتصالات هسته و جریان مغناطیسی عرضی در شکاف‌های لایه‌بندی باعث افزایش تلفات انرژی می‌شوند.
• تبدیل‌کننده‌های تک‌فاز از این مشکلات به دلیل ​مسیرهای مغناطیسی مستقل پرهیز می‌کنند و کارایی عملیاتی را افزایش می‌دهند.

1.3 مدل تأمین برق بهینه‌سازی ضرر خط​

• تبدیل‌کننده‌های تک‌فاز مدل تأمین برق "ظرفیت کوچک، توزیع متراکم، شعاع کوتاه" را ممکن می‌سازند. با نصب نزدیک به مراکز بار، شعاع تأمین ولتاژ کم را کاهش می‌دهند و ضرر خط را کاهش می‌دهند.
• در کاربردهای عملی از نصب تعلیق تک‌پایه استفاده می‌شود که هزینه مواد را کاهش می‌دهد و کارایی نصب را افزایش می‌دهد - مناسب برای به‌روزرسانی شبکه‌های روستایی و حاشیه شهری.

2. مزایای استفاده از مواد و هزینه‌های تولید​

2.1 صرفه‌جویی در مواد و کاهش هزینه‌ها​

• تبدیل‌کننده‌های تک‌فاز از 20% کمتر مواد هسته و 10% کمتر مس نسبت به واحدهای سه‌فاز هم‌ظرفیت استفاده می‌کنند.
• این کار هزینه‌های تولید را به اندازه 20%–30% کاهش می‌دهد.

2.2 مطالعه موردی: به‌روزرسانی شبکه روستایی​

• در شهرستان شیشیان، پس از استفاده از تبدیل‌کننده‌های تک‌فاز:
• هزینه‌های ساخت خطوط ولتاژ کم به اندازه ~20% کاهش یافت.
• هزینه‌های ساخت محوطه زیرстан به اندازه ~66% کاهش یافت.
• اگرچه سرمایه‌گذاری اولیه کمی بالاتر است (مثلاً ¥5,000 برای 50kVA تک‌فاز در مقابل ¥4,500 برای سه‌فاز)، هزینه چرخه عمر (LCC) در 10 سال به طور قابل توجهی کمتر است: ¥22,585 (تک‌فاز) در مقابل ¥57,623 (سه‌فاز).

2.3 مدلهای تأمین برق مقرون به صرفه​

• سیستم‌های تک‌فاز از خط‌های ولتاژ بالا دو‌سیمی (10% صرفه‌جویی) و خط‌های ولتاژ کم دو یا سه‌سیمی (15% صرفه‌جویی) استفاده می‌کنند که هزینه‌های مهندسی را کاهش می‌دهند.
• این مدل برای شبکه‌های روستایی با خطوط طولانی و بارهای پخش‌شده مناسب است.

2.4 مزایای تولید​

• ساختار ساده‌تر امکان تولید انبوه را فراهم می‌کند و از پذیرش فناوری‌های پیشرفته مانند هسته‌های آلیاژ بی‌شکل، که هزینه‌ها را بیشتر کاهش می‌دهد، تسهیل می‌کند.

3. تحلیل قابلیت استفاده در سناریوهای مختلف​

4. پیشنهادات برای استفاده منطقی​

4.1 انتخاب ظرفیت​

• ​اصل کلیدی: "ظرفیت کوچک، توزیع متراکم":
• مناطق روستایی: ≤20kVA؛ مناطق شهری: ≤100kVA.
• ​سیم‌کشی:
• ≤40kVA: یک مدار؛ ≥50kVA: دو مدار؛ اولویت سیستم تک‌فاز سه‌سیمی.
• ​فرمول: P=kf⋅Kt⋅∑PN=Kx⋅∑PNP = k_f \cdot K_t \cdot \sum P_N = K_x \cdot \sum P_NP=kf​⋅Kt​⋅∑PN​=Kx​⋅∑PN​ (که kfk_fkf​: عامل بار؛ KtK_tKt​: عامل همزمانی).

4.2 روش‌های نصب​

• ​مستقل: برای دهکده‌های پراکنده؛ اطمینان از نزدیکی به بارها.
• ​شاخه‌ای: برای تغییر انعطاف‌پذیر برق.
• ​خطوط اصلی: برای مناطق سه‌فاز بدون بارهای سه‌فاز.
• اولویت نصب تک‌پایه برای صرفه‌جویی در فضا و نگهداری آسان.

4.3 تأمین برق ترکیبی​

• بارهای تک‌فاز ≤15% از بارهای سه‌فاز: جمع‌آوری مستقیم؛ در غیر این صورت، تبدیل به بارهای سه‌فاز معادل.
• ​تطابق بار:
• تک‌فاز: بارهای مسکونی؛ سه‌فاز: موتورهای صنعتی.
• نوسانات فصلی: استفاده از تبدیل‌کننده‌های قابل تنظیم ظرفیت در بار.

4.4 عملیات و نگهداری​

• ​نظارت هوشمند: جمع‌آوری داده‌ها و اندازه‌گیری از راه دور.
• ​دستگاه‌های محافظ:
• طرف ولتاژ بالا: PRWG یا HPRW6 فیوز‌های پرتی.
• محافظت از برق: اجرای ضد برق خاموش بدون شکاف.
• طرف ولتاژ کم: سوییچ‌های جداکننده + برش‌کننده‌های مدار قالبی برای ایمنی.

4.5 در نظر گرفتن مسائل اقتصادی​

• ​مزیت LCC: هزینه‌های بلندمدت کمتر با وجود سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر (مثلاً ¥22,585 در مقابل ¥57,623 در 10 سال).

5. روندهای آینده و پیش‌بینی‌ها​

• ​نوآوری‌های مادی:
• آلیاژ بی‌شکل و هسته‌های پیچیده به ترتیب ضرر بدون بار را 70%–80% و 10%–15% کاهش خواهند داد.
• ​یکپارچه‌سازی شبکه هوشمند:
• نظارت مبتنی بر IoT و بهینه‌سازی مبتنی بر AI مدیریت زنده را افزایش می‌دهند.
• ​هماهنگی با انرژی‌های تجدیدپذیر:
• تسهیل یکپارچه‌سازی PV/باد پخش‌شده روستایی و بهبود جذب انرژی.
• ​استانداردسازی:
• راهنمایی‌هایی مانند اصول فنی به‌روزرسانی شبکه برق روستایی نرمال‌های کاربردی را تدوین می‌کنند.