در کدام سناریوها یک ترانسفورماتور تک فاز هنوز غیرقابل تعویض است و چگونه باید آن را با یک ترانسفورماتور سه فاز- مقایسه کرد؟

در خانواده بزرگ ترانسفورماتورها،ترانسفورماتورهای تک فاز-یکی از ابتدایی ترین و قدیمی ترین اعضا هستند. ساختار و اصل آن ممکن است ساده به نظر برسد - تنها با یک ستون هسته آهنی و دو سیم پیچ (اولیه و ثانویه)، اما طیف وسیعی از نیازها از روشنایی مسکونی تا کشش راه آهن، از ابزار دقیق تا تولید انرژی جدید را پشتیبانی می کند. با این حال، در تصور اکثر مردم،ترانسفورماتورهای سه فاز-انتخاب اصلی برای صنعت و شبکه های برق هستند. بنابراین، در کدام سناریوهای خاص، ترانسفورماتورهای تک فاز هنوز نقش غیرقابل جایگزینی- دارند؟ مزایا و معایب منحصر به فرد آن در مقایسه با ترانسفورماتورهای سه فاز چیست؟ هنگامی که یک پروژه نیاز به منبع تغذیه تک فاز دارد، چه جزئیات فنی و الزامات صدور گواهینامه باید در فرآیند انتخاب در نظر گرفته شود؟

در اصل اساسی، الفترانسفورماتور تک فاز-یک دستگاه الکتریکی ساکن است که با استفاده از اصل القای الکترومغناطیسی کار می کند. هنگامی که یک سیم پیچ به منبع برق AC متصل می شود، یک شار مغناطیسی متناوب در هسته آهنی ایجاد می شود که به طور همزمان از سیم پیچ ثانویه عبور می کند و نیروی الکتروموتور را القا می کند، با نسبت ولتاژی برابر با نسبت چرخش. از نظر ساختاری، ترانسفورماتورهای تک فاز معمولاً دارای هسته آهنی دهانه‌ای (نوع هسته) یا پوسته‌ای هستند که سیم‌پیچ‌های ولتاژ بالا و پایین در اطراف ستون هسته آهنی متحد هستند. بسته به تعداد فازها، ترانسفورماتورهای تک فاز را می توان به طور جداگانه یا در یک سیستم سه فاز متشکل از سه ترانسفورماتور تک فاز- استفاده کرد. این طرح از "سه مولفه تکفاز-که یک سه-فاز را تشکیل می‌دهند" در موقعیت‌های{10}}بالا{11} و ولتاژ بالا و ظرفیت بالا دارای مزایای منحصربه‌فردی است.

مهمترین مزیت ترانسفورماتورهای تک فاز در انعطاف پذیری و اقتصادی بودن آنها نهفته است. در شرایطی که تقاضای ظرفیت زیاد نیست، مانند منبع تغذیه یک متری یک خانوار در مناطق مسکونی، روشنایی خیابان، ابزارهای کوچک برقی و آداپتورهای برق در لوازم خانگی، ترانسفورماتورهای تک فاز می‌توانند مستقیماً از شبکه‌های برق تک فاز 220 ولت یا 110 ولت بدون نیاز به محاسبات پیچیده سه فاز{6} برق مصرف کنند. ساختار ساده و کم هزینه ای دارند. در سطح عملیاتی، هنگامی که یک ترانسفورماتور تک فاز از کار بیفتد، تنها تجهیزات باید بدون تأثیر بر دو فاز دیگر در کل گروه سه فاز جایگزین شوند. این در منبع تغذیه کششی راه آهن و توزیع برق منطقه از راه دور بسیار ارزشمند است. علاوه بر این، ترانسفورماتورهای تک فاز دارای حجم و وزن کمتری در مقایسه با ترانسفورماتورهای سه فاز{14} با همان ظرفیت هستند که حمل و نصب آنها را آسان‌تر می‌کند، مخصوصاً برای نصب ستون در خطوط هوایی مناسب است.

با این حال، ترانسفورماتورهای تک فاز -هم محدودیت‌های طبیعی دارند. با همان ظرفیت، میزان استفاده از مواد ترانسفورماتورهای تک فاز معمولاً کمتر از ترانسفورماتورهای سه فاز است، زیرا هسته آهنی و سیم پیچ ترانسفورماتورهای سه فاز می‌توانند مدار مغناطیسی را به اشتراک بگذارند و در نتیجه باعث صرفه‌جویی در مواد هسته آهنی و کاهش تلفات می‌شوند. بنابراین، در شبکه‌های توزیع برق بالا{6} و شبکه‌های اصلی شبکه برق، ترانسفورماتورهای سه{{7}فاز جریان اصلی مطلق هستند. بعلاوه، اگر تعداد زیادی بارهای تک فاز بر روی یک فاز معین متمرکز شود، ممکن است باعث عدم تعادل در شبکه برق سه فاز شود که منجر به مشکلاتی مانند افست نقطه خنثی و افزایش جریان توالی صفر شود. بنابراین، توزیع بار معقول در{12}}توزیع تک فازی-در مقیاس بزرگ مورد نیاز است.

بنابراین، سناریوهای کاربردی معمول ترانسفورماتورهای-تک فاز چیست؟ منبع تغذیه کششی راه آهن برقی یکی از مهمترین حوزه های کاربردی ترانسفورماتورهای تک فاز است. سیستم تماس سربار راه‌آهن از منبع تغذیه متناوب متناوب تک فاز (25 کیلوولت یا 2 × 25 کیلوولت) استفاده می‌کند و ترانسفورماتور کششی برق سه فاز ولتاژ بالا-شبکه برق را به برق تک فاز مناسب برای عملیات قطار تبدیل می‌کند. دو راه حل متداول وجود دارد: یکی استفاده از ترانسفورماتور تک فاز برای تامین مستقیم یک فاز از شبکه برق سه فاز، اما این رویکرد می‌تواند باعث عدم تعادل جدی سه فاز شود. راه حل رایج تر، استفاده از ترانسفورماتورهای اتصال Scott یا Vv برای تبدیل-الکتریسیته سه فاز به دو منبع الکتریسیته تک فاز با اختلاف فاز 90 درجه است که به ترتیب برق شبکه های تماس سربار و بالای سر را تامین می کنند و در نتیجه تعادل بار حاصل می شود. با در نظر گرفتن راه‌آهن پرسرعت چین، تعداد زیادی از ترانسفورماتورهای کششی تک فاز به همراه منبع تغذیه AT برای برآورده کردن-نیازهای منبع تغذیه با قابلیت اطمینان بالا و قدرت بالا در قطارهای سریع{21} استفاده می‌شوند. در روشنایی مسکونی و تجاری، توزیع برق تک فاز در همه جا وجود دارد - از ترانسفورماتورهای میکرو در جعبه‌های کنتور خانگی تا ترانسفورماتورهای تک‌فاز- در اتاق‌های توزیع مسکونی، آنها ولتاژ بالای 10 کیلو ولت را به 220 ولت (یا 110 ولت برای برق خانگی) کاهش می‌دهند. در زمینه انرژی‌های نو، برخی از اینورترهای فتوولتائیک خانگی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی نیز ترانسفورماتورهای تکفاز{31} را برای دستیابی به ایزولاسیون ایمن و تطابق ولتاژ با شبکه برق خانگی ساخته‌اند. علاوه بر این، ترانسفورماتورهای ایزوله تک فاز در کنترل صنعتی، ابزار دقیق، منابع تغذیه ارتباطی و تجهیزات پزشکی برای ارائه عملکردهای ایزوله و ضد تداخل{34} استفاده می‌شوند.

در مقایسه با ترانسفورماتورهای سه فاز، انتخاب ترانسفورماتورهای تک فاز ویژگی های خاص خود را دارد. از نظر بیان ظرفیت، ظرفیت نامی ترانسفورماتور تک فاز به ظرفیت یک واحد تک فاز (بر حسب کیلوولت آمپر) اشاره دارد، در حالی که ظرفیت نامی یک ترانسفورماتور سه فاز به مجموع سه فاز اشاره دارد. هنگامی که از سه ترانسفورماتور تک فاز برای تشکیل یک گروه-سه فاز در یک سیستم سه فاز استفاده می شود، ظرفیت هر ترانسفورماتور تک فاز باید یک-یک سوم کل ظرفیت سه فاز باشد (با توجه به تفاوت های جزئی در روش های سیم کشی). این راه حل "سه تک فاز به جای یک سه فاز" در شرایط خاصی سودمندتر است: به عنوان مثال، در پست های فشار قوی و ظرفیت بالا، به دلیل محدودیت های اندازه و وزن حمل و نقل، ممکن است یک ترانسفورماتور سه فاز نتواند در حالی که از طریق راه آهن، تک فاز از طریق راه آهن به سایت منتقل می شود، یک ترانسفورماتور سه فاز سه فاز، در حالی که از طریق راه آهن، تک فاز از طریق راه آهن{7} منتقل می شود. ترانسفورماتورها را می توان به طور جداگانه در محل حمل و مونتاژ کرد. در همان زمان، استفاده از سه ترانسفورماتور تک فاز نیز N-1 افزونگی - را در صورت خرابی یکی ارائه می‌کند، روش سیم‌کشی "V{23}}V" می‌تواند به طور موقت برای ادامه تامین برق در دو-از ظرفیت استفاده شود و اطمینان حاصل شود که بارهای قطعی مهم نیستند. البته هزینه و ردپای سه راه حل تک فاز معمولاً بیشتر از یک ترانسفورماتور سه فاز-است، بنابراین، مگر اینکه شرایط خاصی برای حمل و نقل یا افزونگی وجود داشته باشد، ترانسفورماتورهای سه فاز معمولاً ترجیح داده می شوند.

از نظر صدور گواهینامه، ترانسفورماتورهای تک فاز نیز از سری IEC 60076 یا استانداردهای ملی مربوطه پیروی می کنند. برای بازار آمریکای شمالی، ترانسفورماتورهای توزیع تک فاز باید استانداردهای UL 1561 (ترانسفورماتورهای-نوع خشک) یا UL 506 (ترانسفورماتورهای ویژه) را داشته باشند و توسط آزمایشگاه NRTL تأیید شده باشند. برای بازار اتحادیه اروپا، ترانسفورماتورهای تک فاز باید با دستورالعمل ولتاژ پایین (LVD) و دستورالعمل سازگاری الکترومغناطیسی (EMC)، با استانداردهای مبتنی بر سری EN 61558 (ترانسفورماتورهای ایزوله ایمنی) یا EN 60076 (ترانسفورماتورهای قدرت) مطابقت داشته باشند. علاوه بر این، الزامات بهره وری انرژی را نمی توان نادیده گرفت: وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) محدودیت های اجباری بدون محدودیت بار و تلفات بار برای ترانسفورماتورهای توزیع تک فاز-(با ظرفیت بین 10-833 کیلو ولت آمپر) دارد، و دستورالعمل ErP اتحادیه اروپا نیز سطوح بازده انرژی را برای ترانسفورماتورهای کوچک{17} تعیین می کند. برای ترانسفورماتورهای تک فاز صادر شده به خاورمیانه، آفریقا، آسیای جنوب شرقی و غیره، معمولاً ارائه گزارش تست CB یا دریافت گواهی انطباق از آژانس های بازرسی محلی (مانند SABER، SONCAP، PVoC و غیره) ضروری است. پرسنل تجارت خارجی باید آخرین استانداردهای بهره وری انرژی و فرآیندهای صدور گواهینامه کشور مورد نظر را از قبل در هنگام نقل قول درک کنند و هزینه و زمان صدور گواهینامه را در برنامه پروژه لحاظ کنند.

در انتخاب عملی، مشتریان اغلب با یک دوراهی مواجه می‌شوند: در سناریوهای منبع تغذیه تکفاز، آیا باید یک ترانسفورماتور-تک فاز را انتخاب کنند یا از یک ترانسفورماتور سه فاز-از یک فاز استفاده کنند؟ پاسخ به اندازه بار و پیکربندی سیستم بستگی دارد. اگر ظرفیت بار تک فاز بزرگ باشد (مانند بیش از 100 کیلو ولت آمپر)، گرفتن یک فاز از ترانسفورماتور سه فاز ممکن است باعث عدم تعادل جدی بین سه فاز شود. در این حالت، یک ترانسفورماتور تک فاز باید به طور جداگانه پیکربندی شود یا از سه ترانسفورماتور تک فاز برای تشکیل یک سیستم منبع تغذیه متعادل استفاده شود. اگر ظرفیت بار تک فاز کوچک و پراکنده باشد و ترانسفورماتور سه فاز خود حاشیه ظرفیت کافی داشته باشد، از نظر اقتصادی می‌توان برق تک فاز را مستقیماً از یک فاز از ترانسفورماتور سه فاز تأمین کرد. علاوه بر این، موضوع حفاظت از زمین باید در نظر گرفته شود - که آیا سمت ثانویه یک ترانسفورماتور تک فاز نیاز به زمین دارد یا خیر و اینکه چه روش اتصال به زمین باید بر اساس مقررات محلی برق تعیین شود.

به طور خلاصه، اگرچه ترانسفورماتورهای تک فاز در زمینه انتقال ظرفیت بزرگ و مسافت طولانی جای خود را به -ترانسفورماتورهای سه فاز داده‌اند، اما همچنان نقش مهمی در راه‌آهن‌های برق‌دار، توزیع برق مسکونی، تامین برق محلی برای شرکت‌های صنعتی و معدنی و تجهیزات تخصصی مختلف دارند. سادگی، انعطاف‌پذیری و ویژگی‌های کم هزینه- آن را همچنان بهترین انتخاب در سناریوهایی با سطوح ولتاژ پایین و ظرفیت پایین مورد نیاز می‌سازد. هنگامی که مشتریان شما به دنبال راه حل منبع تغذیه برای یک پروژه کوچک یا بار اختصاصی هستند، ممکن است راهنمایی آنها برای فکر کردن مفید باشد: آیا تجهیزات یک-تک فاز است؟ آیا فاصله منبع تغذیه و افت ولتاژ در محدوده قابل قبولی است؟ آیا شرایطی برای متعادل کردن بارهای سه-فاز دارید؟ در فرآیند پاسخ به این سؤالات، مقدار ترانسفورماتورهای تک فاز به طور طبیعی ظاهر می شود.