ترانسفورماتور قدرت چگونه ولتاژ را کاهش می‌دهد؟

این یکی از آن سوالاتی است که تقریباً خیلی ابتدایی به نظر می رسد - تا زمانی که در مقابل یک ترانسفورماتور ایستاده اید و تعجب می کنید که چرا اعداد با پلاک نام مطابقت ندارند. من سال‌هاست که ترانسفورماتورهای قدرت را تامین می‌کنم، و هنوز هم ارزش بازگشت به اصول اولیه را پیدا می‌کنم. زیرا وقتی درک می کنید که واقعاً چگونه گام به پایین کار می کند، مرتکب اشتباهاتی نمی شوید که هزینه و زمان را به همراه دارد.

از آن عبور کنیم.

اصول اولیه - آنچه که در واقع در داخل اتفاق می افتد

یک ترانسفورماتور از طریق القای الکترومغناطیسی ولتاژ را کاهش می دهد. این پاسخ کتاب درسی است و درست است. اما این چیزی است که کتاب‌های درسی همیشه بر آن تأکید نمی‌کنند: ترانسفورماتور به هیچ‌وجه توان را «ایجاد» یا «مصرف» نمی‌کند. ولتاژ و جریان را تغییر می دهد در حالی که محصول-قدرت- را تقریباً ثابت نگه می دارد، منهای تلفات.

اصل اصلی ساده است. یک جریان متناوب در سیم پیچ اولیه یک میدان مغناطیسی در حال تغییر مداوم در هسته ایجاد می کند. این میدان در حال تغییر به سیم پیچ ثانویه متصل می شود و ولتاژی را القا می کند. نسبت ولتاژ اولیه به ولتاژ ثانویه با نسبت چرخش در دو سیم پیچ تعیین می شود.

این فیزیک است. مهندسی در جزئیات است.

نسبت چرخش - جایی که جادو اتفاق می افتد

رابطه مستقیم است:

Vp / Vs = Np / Ns

برای یک ترانسفورماتور کاهنده، ثانویه دورهای کمتری نسبت به ترانسفورماتور اولیه دارد. اگر اولیه دارای 1000 چرخش و ثانویه دارای 100 چرخش باشد، ولتاژ 10 برابر کاهش می یابد. ورودی 1000 ولت خروجی 100 ولت می دهد.

اما در اینجا چیزی است که من اغلب سوء تفاهم می بینم: نسبت چرخش چیزی نیست که بتوانید خودسرانه در این زمینه تغییر دهید. توسط طراحی ترانسفورماتور ثابت شده است. هنگامی که یک ترانسفورماتور با درجه ولتاژ خاص خریداری می کنید - مثلاً 13.8 کیلو ولت تا 480 ولت - این نسبت در واحد تعبیه شده است. شما نمی توانید آن را تنظیم کنید مگر از طریق تغییر دهنده های ضربه ای، که تغییرات درصد کمی را برای در نظر گرفتن شرایط سیستم ارائه می دهند.

آنچه در واقع پایین می آید - اجزا در محل کار

1. هسته آهنی. این فقط یک تکه فلز نیست. این مجموعه ای است که به دقت مهندسی شده از لایه های فولادی سیلیکونی دانه گرا، که هر کدام با یک لایه عایق پوشانده شده اند. لایه‌بندی‌ها ضروری هستند زیرا یک هسته جامد مانند یک پیچ کوتاه عمل می‌کند، با جریان‌های گردشی عظیم - جریان‌های گردابی - که بیش از حد گرم می‌شود و ترانسفورماتور را از بین می‌برد. لایه های نازک آن مسیرهای فعلی را قطع می کنند. وظیفه هسته این است که یک مسیر کم ریلکتانس برای شار مغناطیسی فراهم کند و آن را متمرکز کند تا هر دو سیم پیچ را به طور موثر به هم متصل کند.
2. سیم پیچ ها. در یک ترانسفورماتور کاهنده، سیم پیچ اولیه به ولتاژ بالاتر متصل می شود. چون ولتاژ بیشتر است، جریان برای همان توان کمتر است. این بدان معناست که هادی اولیه می تواند از نظر مقطع کوچکتر از هادی ثانویه باشد. ثانویه، که جریان بیشتری را در ولتاژ پایین‌تر حمل می‌کند، به هادی‌های بزرگ‌تر نیاز دارد - اغلب رشته‌های متعدد به صورت موازی یا حتی سیم‌پیچ‌های فویل برای جریان‌های بسیار بالا.

   این فقط تئوری نیست من تکنسین‌ها را تماشا کرده‌ام که یک ترانسفورماتور خراب را باز می‌کنند و بلافاصله تشخیص می‌دهند که کدام سیم‌پیچ بر اساس اندازه هادی شکست خورده است. ثانویه همیشه بهتر است.

3. عایق. تفاوت ولتاژ بین سیم پیچ ها و بین سیم پیچ ها و زمین می تواند قابل توجه باشد. سیستم‌های عایق طوری طراحی شده‌اند که این تنش‌ها را به‌علاوه اضافه ولتاژهای گذرا ناشی از کلیدزنی و صاعقه کنترل کنند. کاغذ، تخته پرس، اپوکسی و روغن همه با هم کار می کنند تا ولتاژ را در جایی که تعلق دارد حفظ کنند.

چگونه مرحله به پایین در برنامه های واقعی اجرا می شود

ترانسفورماتورهای پله پایین در طیف گسترده ای از کاربردها، از لوازم خانگی گرفته تا توزیع برق صنعتی استفاده می شوند.

1. خدمات مسکونی.ترانسفورماتور قطب خارج از خانه ولتاژ توزیع را معمولاً 7.2 کیلو ولت یا 14.4 کیلو ولت به 120/240 ولت برای مصارف خانگی کاهش می دهد. آن ترانسفورماتور دارای یک سیم اولیه با پیچ های زیاد سیم نسبتاً خوب و یک ثانویه با پیچ های کمتر سیم بسیار سنگین تر برای کنترل جریان بالا در هنگام کار هر وسیله در خانه است.
2. برق صنعتییک کارخانه تولیدی بزرگ ممکن است خدمات را در 13.8 کیلو ولت انجام دهد و برای مراکز کنترل موتور به 480 ولت کاهش یابد. ترانسفورماتور کاهنده در اینجا فقط یک تعویض کننده ولتاژ نیست. همچنین یک مرجع زمین سیستم را از طریق پیکربندی سیم پیچ خود فراهم می کند - معمولاً دلتا اولیه و ثانویه با زمین خنثی.
3. ادغام تجدیدپذیردر یک مزرعه خورشیدی، اینورتر ولتاژ خروجی را با ولتاژ 480 ولت یا 690 ولت تولید می کند. یک ترانسفورماتور افزایش دهنده - جهت جمع آوری را به 34.5 کیلو ولت افزایش می دهد. اما در داخل کارخانه، ترانسفورماتورهای کاهنده کوچکتر بارهای کمکی را تامین می کنند: روشنایی، کنترل، خنک کننده. اینها واحدهای کاهنده ای هستند که همان کار ترانسفورماتور قطب را انجام می دهند، فقط در مقیاس های مختلف.

باورهای غلط رایجی که به آن برخورد می کنم

ترانسفورماتور ولتاژ را کاهش می دهد، بنابراین باید قدرت را کاهش دهد. خیر. قدرت ورودی برابر است با خروجی برق منهای تلفات. اگر ولتاژ کاهش یابد، جریان به نسبت بالا می رود.

"نسبت چرخش بالاتر به معنای ترانسفورماتور بهتر است." خیر. این نسبت بر اساس نیازهای برنامه تعیین می شود. یک ترانسفورماتور 13.8 کیلوولت به 120 ولت نسبت بسیار بالاتری نسبت به یک واحد 13.8 کیلوولت به 4160 ولت دارد. هیچکدام "بهتر" نیستند - آنها فقط برای مشاغل مختلف هستند.

"تپ به من اجازه می دهد ولتاژ را به هر چیزی که می خواهم تغییر دهم." نه واقعا. شیرها معمولاً تنظیمات ± 2.5٪ یا ± 5٪، نه تغییرات نسبت عمده را ارائه می دهند. آنها برای تنظیم دقیق هستند، نه استفاده مجدد از ترانسفورماتور برای یک کلاس ولتاژ متفاوت.

چرا انواع ترانسفورماتورها برای برنامه های گام به گام مهم هستند؟

1. ترانسفورماتورهای پایه داراسب های کار توزیع مسکونی هستند. آنها پر از روغن، خود خنک شونده هستند و برای حداقل تعمیر و نگهداری طراحی شده اند. نسبت پایین آمدن آنها با ولتاژ سیستم شرکت برق و نیاز خدمات مشتری ثابت می شود.
2. ترانسفورماتورهای روی پدخدمات بارهای تجاری و صنعتی سبک. آنها همچنین پر از روغن هستند اما در یک محفظه مقاوم در برابر دستکاری مناسب برای نصب در سطح زمین هستند. عملکرد پایین آمدن یکسان است، اما ساختار شامل ویژگی هایی برای پایان کابل زیرزمینی است.
3. ترانسفورماتورهای رزین ریخته گریدر داخل خانه یا در محیط های حساس استفاده می شود. سیم پیچ ها به صورت خلاء در اپوکسی ریخته گری می شوند و نیاز به روغن را از بین می برند. آنها در ساختمان هایی که قوانین آتش نشانی تجهیزات پر از مایع را محدود می کند، رایج هستند. نسبت گام به پایین در قالب ریخته گری تعبیه شده است - شما نمی توانید آن را تغییر دهید، اما نیازی به حفظ آن نیز ندارید.

کارایی - آنچه در این فرآیند از بین می رود

هیچ ترانسفورماتور 100٪ کارآمد نیست. زیان ها به دو دسته تقسیم می شوند.

1. تلفات اصلیهر زمان که ترانسفورماتور بدون در نظر گرفتن بار برق باشد، این اتفاق می افتد. میدان مغناطیسی متناوب به طور مداوم مواد هسته را چرخانده و هر چرخه مقدار کمی انرژی هزینه می کند. فولاد هسته بهتر و چگالی شار بهینه شده این را کاهش می دهد.

   تلفات سیم پیچبه بار بستگی دارد جریان از طریق مقاومت هادی ها تلفات حرارتی-I²R ایجاد می کند. در یک ترانسفورماتور کاهنده، ثانویه جریان بیشتری را حمل می کند، بنابراین سهم آن در تلفات سیم پیچ بیشتر است. به همین دلیل است که هادی های ثانویه دارای اندازه سخاوتمندانه هستند.

ترانسفورماتورهای مدرن در بار کامل به راندمان بالاتر از 98% می رسند. زیان ها اندک هستند اما صفر نیستند و در طول زمان جمع می شوند. به همین دلیل است که مشخصات کارایی در تاسیسات بزرگ اهمیت دارد.

آنچه من در مورد ترانسفورماتورهای پله ای به مشتریان می گویم

اگر یک ترانسفورماتور کاهنده را مشخص می‌کنید، در اینجا می‌خواهم درباره آن فکر کنید:

ابتدا ولتاژهای خود را دقیقاً بدانید. حداکثر ورودی، خروجی مورد نیاز، و هر گونه تغییری که باید در نظر بگیرید. این نسبت و محدوده ضربه را تعیین می کند.

دوم، بار خود را درک کنید. آیا پیوسته است؟ هارمونیک داره؟ جریان های شروع؟ امپدانس و ساختار ترانسفورماتور باید با آنچه تغذیه می کند مطابقت داشته باشد.

سوم، در مورد محل زندگی آن فکر کنید. داخلی یا خارجی؟ تهویه شده یا آب بندی شده؟ روغن یا رزین ریخته گری؟ محیط، سیستم محفظه و عایق را تعیین می کند.

اصل گام به پایین ساده است. استفاده صحیح از آن به جزئیات توجه می کند.

اگر از طریق یک برنامه ترانسفورماتور کار می کنید و می خواهید از طریق گزینه ها صحبت کنید، خوشحال می شوم کمک کنم. ما پروژه های زیادی را می بینیم، و جزئیات همیشه بیشتر از آنچه که کاتالوگ ها نشان می دهند اهمیت دارند.

مراجع

• IEC 60076-1، ترانسفورماتورهای قدرت - قسمت 1: عمومی.
• IEEE Std C57.12.00، الزامات عمومی استاندارد برای توزیع غوطه ور در مایع، قدرت و ترانسفورماتورهای تنظیم کننده.
• Fitzgerald، AE، Kingsley، C.، & Umans، SD، Electric Machinery.