ترانسفورماتور قدرت و نحوه عملکرد آن

یکی از ترانسفورماتورهای مهم و پرکاربرد ترانسفورماتور قدرت است. به طور گسترده ای برای افزایش و کاهش ولتاژ در ایستگاه تولید برق و ایستگاه توزیع استفاده می شود.

به عنوان مثال، تصویر زیر را مشاهده کنید. در اینجا از ترانسفورماتور قدرت دو بار استفاده می شود در حالی که برق را به مصرف کننده ای که دور از ایستگاه تولید است می رساند.

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.

دلایل زیادی برای استفاده از ترانسفورماتور قدرت در سیستم های برق وجود دارد. اما یکی از مهم ترین و ساده ترین دلایل استفاده از ترانسفورماتور قدرت کاهش تلفات برق در هنگام انتقال برق است.

حال بیایید ببینیم که چگونه با استفاده از یک ترانسفورماتور قدرت تلفات برق به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

تفاوت بین ترانسفورماتور قدرت و ترانسفورماتور توزیع

ترانسفورماتور قدرت 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 قدرت 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.

چون ترانسفورماتورهای برق معمولاً مستقیماً به خانه ها متصل نمی شوند، نوسانات بار کمتری را تجربه می کنند، در حالی که ترانسفورماتورهای توزیع نوسانات بار سنگین را تجربه می کنند.

به دلیل اینکه بطور کامل به مدت 24 ساعت در روز فعال هستند، بنابراین تلفات مس و آهن در طول روز اتفاق می افتد و در تمام مدت یکسان می مانند.

چگالی شار در ترانسفورماتور قدرت بیشتر از ترانسفورماتور توزیع است.

نحوه عملکرد ترانسفورماتورهای قدرت

ترانسفورماتور قدرت 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 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.

ابتدا یک آهنربای دائمی را در نظر بگیرید که یک رسانا به آن 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 ذکر شد فقط یک میدان مغناطیسی متغیر می تواند جریان را در حلقه ایجاد کند.

بنابراین در حالت اول میدان مغناطیسی ساکن، جریان صفر در حلقه هادی وجود خواهد داشت.

حال در نظر بگیرید که اگر آهنربا مانند یک آونگ به جلو و عقب حرکت 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.

همانطور که در شکل می بینید، پس از اینکه آهنربا به جلو و عقب حرکت کرد، جریان “I” را می بینیم که از هادی و حلقه بسته می گذرد.

اکنون اجازه دهید باتری دائمی را برداریم تا آن را با منابع میدان مغناطیسی متفاوت دیگری مانند زیر جایگزین کنیم.

اکنون یک منبع ولتاژ متناوب و یک هادی برای تولید یک میدان مغناطیسی متغیر استفاده می شود.

پس از اینکه حلقه هادی به محدوده میدان مغناطیسی نزدیک شد، می‌توانیم یک EMF تولید شده در سراسر هادی را ببینیم. به دلیل این EMF القایی، یک جریان خواهیم داشت.

مقدار ولتاژ القایی متناسب با شدت میدان تجربه شده توسط حلقه دوم است، بنابراین هر چه شدت میدان مغناطیسی بیشتر باشد، جریان در حلقه بسته بیشتر است.

اگرچه می توان از یک هادی واحد برای درک قانون فارادی استفاده کرد. اما برای عملکرد عملی بهتر استفاده از سیم پیچ در دو طرف ترجیح داده می شود.

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.

اکنون باید به یاد داشته باشید که هر دو سیم پیچ در هوا معلق هستند، بنابراین رسانای مورد استفاده توسط میدان مغناطیسی هوا است. و هوا در مورد رسانش میدان مغناطیسی در مقایسه با فلزات مقاومت بیشتری 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.

اکنون اجازه دهید برای درک بیشتر، محیط هوا را با آهن جایگزین کنیم.

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 طول 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.

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

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

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

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 خارج شدند.

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