چرا ترانسفورماتورها هرگز به منابع تغذیه DC وصل نمی شوند؟
ترانسفورماتورها تجهیزات الکتریکی هسته ای هستند که برای دستیابی به جداسازی جریان تبدیل ولتاژ و انتقال نیرو به القای الکترومغناطیسی متکی هستند و طراحی ساختاری و اصل کار آنها کاملاً به ویژگی های جریان متناوب (AC) وابسته است و آنها را با منابع تغذیه جریان مستقیم (DC) با دلایل اصلی به شرح زیر ناسازگار می کند:
1. برق DC نمی تواند القای الکترومغناطیسی را تحریک کند که منجر به از دست دادن عملکرد ترانسفورماتور می شود.
اصل کار اساسی ترانسفورماتور بر اساس القای متقابل بین دو سیم پیچ (سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه) در اطراف یک هسته آهنی مشترک است. هنگامی که یک جریان AC از سیم پیچ اولیه عبور می کند، یک شار مغناطیسی متناوب در هسته آهنی ایجاد می کند (جهت و مقدار شار مغناطیسی به طور متناوب با جریان AC تغییر می کند) و این شار مغناطیسی متناوب سیم پیچ ثانویه را قطع می کند تا نیروی الکتروموتور (EMF) را در سیم پیچ ثانویه بر اساس قانون فاراکترو ولتاژ ثانویه القا کند. تبدیل و انتقال نیرو هنگامی که منبع تغذیه DC به سیم پیچ اولیه متصل می شود، جریان DC دارای مقدار و جهت ثابت است (بدون تغییر دوره ای) و این جریان ثابت فقط می تواند یک شار مغناطیسی ساکن در هسته آهنی ایجاد کند (شار مغناطیسی با زمان تغییر نمی کند). از آنجایی که القای الکترومغناطیسی برای القای EMF به "تغییر شار مغناطیسی" نیاز دارد، شار مغناطیسی ساکن نمی تواند سیم پیچ ثانویه را قطع کند و در نتیجه EMF القایی صفر در سیم پیچ ثانویه ایجاد می شود و ترانسفورماتور به طور کامل تبدیل ولتاژ و عملکرد انتقال توان خود را از دست می دهد.
2. برق DC باعث اشباع شدید هسته آهن و جریان سیم پیچ بیش از حد می شود
(1) اشباع مغناطیسی هسته آهن
The iron core of a transformer is made of high-permeability silicon steel sheets which are designed to work in the linear magnetic permeability range under AC conditions. Under AC excitation the alternating magnetic flux changes periodically and the iron core magnetic density fluctuates within a safe range (usually 1.2-1.8T) to avoid saturation. When DC current is applied the static magnetic flux in the iron core will continue to increase with the DC current (following the magnetizing curve of the iron core) and since DC has no "zero-crossing" process (unlike AC which periodically resets the magnetic flux) the iron core magnetic density will quickly exceed the saturation point (typically >2T). پس از اشباع شدن، نفوذپذیری هسته آهن به شدت کاهش می یابد (نزدیک به هوا) و راکتانس مغناطیسی سیم پیچ اولیه به طور قابل توجهی کاهش می یابد.
(2) جریان سیم پیچ اولیه بیش از حد
تحت عملکرد معمولی AC، سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور دارای راکتانس مغناطیسی بزرگ (Xₘ) است که جریان مغناطیسی را به مقدار کمی (معمولاً 8-2٪ جریان نامی) محدود می کند. هنگامی که به DC متصل می شود، هسته آهن اشباع شده، راکتانس مغناطیسی Xₘ را به صفر نزدیک می کند و در این زمان سیم پیچ اولیه معادل یک مدار مقاومت خالص است (فقط مقاومت DC R خود سیم پیچ وجود دارد). از آنجایی که مقاومت DC سیم پیچ ترانسفورماتور بسیار کوچک است (معمولاً چند اهم یا کمتر) طبق قانون اهم (I=U/R)، جریان اولیه به شدت به مقدار بسیار بالایی افزایش می یابد که اغلب ده ها یا حتی صدها برابر جریان نامی است. به عنوان مثال، اگر یک ترانسفورماتور 10 کیلوولت (جریان نامی اولیه سیم پیچ 57.7 آمپر مقاومت DC 10Ω) به اشتباه به منبع تغذیه 10 کیلو ولت DC متصل شود، جریان اولیه به I=10,000V / 10Ω=1000A (17 برابر جریان نامی) میرسد و این جریان کوتاه بیش از حد باعث باد شدید میشود.
3. گرمای بیش از حد و آسیب تجهیزات ناشی از اتصال DC
(1) فرسودگی عایق سیم پیچ
جریان DC بیش از حد در سیم پیچ اولیه مقدار زیادی گرما را از طریق گرمایش ژول ایجاد می کند (Q=I²Rt) و عایق سیم پیچ (معمولاً عایق سیم میناکاری شده یا عایق کاغذی) مقاومت دمایی محدودی دارد (به عنوان مثال عایق کلاس A: 105 درجه عایق کلاس B: 130 درجه). در مدت زمان کوتاهی (ثانیه تا دقیقه) گرمای تولید شده توسط جریان بیش از حد از حد مقاومت دمایی عایق فراتر می رود و باعث می شود عایق ذوب شده و یا حتی آتش بگیرد و منجر به اتصال کوتاه بین پیچ های سیم پیچ یا بین سیم پیچ و هسته آهنی شود.
(2) گرمای بیش از حد هسته آهنی
تحت تحریک DC، هسته آهن اشباع شده تلفات جریان گردابی غیرعادی ایجاد می کند و اگر چه ورق های فولادی سیلیکونی هسته آهنی با یک لایه عایق پوشانده شده اند تا تلفات جریان گردابی را در شرایط AC کاهش دهند، شار مغناطیسی ساکن تحت DC باعث می شود که چگالی مغناطیسی موضعی بیش از حد بالا باشد و لایه عایق را در برخی مناطق بزرگ ایجاد کند. این جریان های گردابی باعث می شود که هسته آهنی به سرعت بیش از حد گرم شود که منجر به تغییر شکل ورق های فولادی سیلیکونی یا آسیب به ساختار هسته می شود.
(3) خطر انفجار یا آتش سوزی
در موارد شدید، سوختن عایق سیمپیچ و گرم شدن بیش از حد هسته آهنی ممکن است روغن عایق (در ترانسفورماتورهای غوطهور شده در روغن) یا سایر مواد آلی داخل ترانسفورماتور را مشتعل کند که منجر به انفجار یا آتشسوزی شود که تهدیدی جدی برای ایمنی سیستمهای قدرت و پرسنل است.
4. نکته ویژه: تبدیل DC-به جای DC خالص به "DC پالسی" متکی است.
لازم به توضیح است که برخی از دستگاه های الکترونیکی قدرت (مانند ترانسفورماتورهای DC در سیستم های انتقال برق DC) می توانند تبدیل ولتاژ DC را درک کنند اما از اصل ترانسفورماتور سنتی استفاده نمی کنند. آنها ابتدا DC خالص را از طریق سوئیچهای الکترونیکی قدرت (مانند IGBT) به DC پالسی (یا AC فرکانس بالا) تبدیل میکنند سپس از یک ترانسفورماتور فرکانس بالا (در شرایط AC/پالسی کار میکند) برای تنظیم ولتاژ و در نهایت یکسو کردن آن به DC استفاده میکنند. این فرآیند اساساً متکی بر تحریک پالس «مثل AC» است نه اتصال مستقیم DC به ترانسفورماتور سنتی.
در نتیجه، اصل کار ترانسفورماتور ذاتاً به ماهیت متناوب AC بستگی دارد و اتصال آن به برق DC نه تنها باعث از دست دادن عملکرد اصلی خود می شود، بلکه باعث گرمای بیش از حد شدید و آسیب دائمی به تجهیزات می شود. بنابراین ترانسفورماتورها به شدت برای منابع تغذیه AC طراحی شده اند و هرگز نباید به برق DC متصل شوند