خطوط برق قدرتمندی که از حومه شهرمان عبور می‌کنند و یا در زیر خیابان‌های شهر و به دور از چشم تکان میخورند، برق را در ولتاژهای بسیار بالا از نیروگاه‌های برق به خانه‌هایمان منتقل می‌کنند. عجیب نیست که خطوط برق ولتاژی از 400000 تا 750000 ولت داشته باشند ؛ اما وسایل موجود در خانه‌هایمان از ولتاژهایی هزاران برابر کوچکتر بهره می‌برند (معمولا از تنها 110 تا 250 ولت). اگر به یک توستر و یا ست تلویزیون با استفاده از دکل برق نیرو بدهید، بلافاصله منفجر می‌شود (حتی به امتحان کردن آن هم فکر نکنید؛ چون الکتریسیته موجود در خطوط هوایی به طور حتم منجر به مرگتان خواهد شد).
پس باید راهی برای کاهش ولتاژ بالای برق از نیروگاه به ولتاژ پایین‌تر برق مورد استفاده در کارخانه‌ها، ادارات و خانه‌ها وجود داشته باشد. تجهیزاتی که این کار را بواسطه انرژی الکترومغناطیسی که در جریان است انجام می‌دهد، مبدل[1] نام دارد. بیایید نگاهی دقیق‌تر به نحوه عملکرد آن بیندازیم.
تصویر: انفجاری در گذشته: مبدلی با ظاهر عجیب در سد چیکاموگا[2] در نزدیکی چاتانوگا[3]، تن[4]. عکسبرداری شده توسط آلفرد.ت.پالمر[5] در سال 1942، اداره جنگ، با مجوز از کتابخانه کنگره ایالات متحده
چرا از ولتاژهای بالا استفاده می‌کنیم؟
احتمالا اولین سوالتان این است: اگر خانه‌ها و اداراتمان از دستگاه‌های فتوکپی، کامپیوتر‌ها، ماشین‌های لباسشویی و ریش‌تراش‌های برقی با ولتاژ110 تا 250 ولت استفاده می‌کنند، پس چرا نیروگاه‌ها برق را به سادگی و با همان ولتاژ منتقل نمی‌کنند؟ چرا آنها از چنین ولتاژهای بالایی استفاده می‌کنند؟ برای توضیح، باید کمی درباره جریان یافتن برق، بدانیم.
همزمان با اینکه الکتریسیته درطول یک سیم فلزی جریان می‌یابد، الکترون‌هایی که انرژی آن را حمل می‌کنند، در ساختار فلز تکان میخورند، به این ور و آن ور می‌روند و به طور کلی مانند دانش‌آموزان شلوغ و متمردی که در راهرو همدیگر را تعقیب می‌کنند، موجب هدررفت انرژی می‌شوند. به همین دلیل است که سیم‌ها هنگامی که الکتریسیته در طول آنها شارش می‌کند، داغ می‌شوند (چیزی که در توسترهای الکتریکی و دیگر وسایلی که از سیم‌پیچ‌گرمکن استفاده می‌کنند، بسیار مفید است). معلوم می‌شود که هر چه ولتاژ برق مورد استفاده بیشتر و جریان کمتر باشد، انرژی کمتری از این طریق هدر می‌رود. بنابراین برقی که از نیروگاه‌ها می‌آید، از طریق سیم‌ها و در ولتاژهای بسیار بالا برای ذخیره انرژی فرستاده می‌شود.
اما دلیل دیگری نیز وجود دارد. کارخانجات صنعتی دستگاه‌های کارخانه‌ای بزرگی دارند که بسیار بزرگتر از هر چیزی که شما در خانه دارید هستند و به انرژی بیشتری نیاز دارند. انرژی‌ای که هر دستگاه مصرف می‌کند، مستقیما به ولتاژ مصرفی آن بستگی دارد. بنابراین به جای به‌کارگیری 110 تا 250 ولت، ماشین‌های گرسنه قدرت ممکن است از ولتاژهایی با مقدار 10000 تا 30000 ولت استفاده کنند. کارخانه های کوچکتر و ماشین‌فروشی‌ها ممکن است به تجهیزات با ولتاژ 400 ولت یا بیشتر نیاز پیدا کنند. به عبارت دیگر، مصرف کننده‌های مختلف برق، نیاز به ولتاژهای متفاوتی دارند. منطقی به نظر می‌رسد که برق با ولتاژ بالا را از نیروگاه فرستاده و سپس هنگامی که به مقاصد مختلف خود می‌رسد، آن را به ولتاژهای کمتر مبدل کنیم ( با این وجود، نیروگاه‌های برق مرکزی همچنان بسیار ناکارآمدند. تقریبا دوسوم انرژی که به شکل سوخت خام توسط نیروگاه دریافت می‌شود، در خود نیروگاه و در سفر خود تا رسیدن به خانه شما هدر می‌رود).
تصویر: ساخت مبدل‌های برق بزرگ در یکی از کارخانه‌های وستینگ هاوس در طی جنگ‌جهانی دوم. عکسبرداری شده توسط آلفرد.ت.پالمر در سال 1942، اداره جنگ، با مجوز از کتابخانه کنگره ایالات متحده
یک مبدل برق چگونه کار می‌کند؟
مبدل برق بر پایه اصل بسیار ساده‌ی الکتریسیته ایجاد شده است: «هنگامی که جریان الکتریکی متناوبی در سیمی جریان می‌یابد، میدانی مغناطیسی (الگویی نامرئی از خاصیت مغناطیسی) و یا «شار مغناطیسی[6]» در اطراف آن ایجاد می‌کند». قدرت آهنربایی (که نام تخصصی آن چگالی شار مغناطیسی[7] است) مستقیما به اندازه جریان الکتریکی بستگی دارد. پس هر چه جریان بزرگتر باشد، میدان مغناطیسی نیز قوی‌تر است. مطلب شگفت‌انگیز دیگری نیز درباره الکتریسیته وجود دارد. با نوسان میدان مغناطیسی در اطراف تکه‌ای سیم، جریان الکتریکی در سیم ایجاد می‌شود. بنابراین اگر سیم‌پیچی در کنار سیم‌پیچ اول قرار دهیم و جریان الکتریکی متناوبی را از سیم‌پیچ اول عبور دهیم، یک جریان الکتریکی در سیم دوم ایجاد خواهیم کرد. جریان عبوری از سیم‌پیچ اول معمولا جریان اولیه و جریان عبوری از سیم دوم، جریان ثانویه نامیده می‌شود. کاری که اینجا انجام دادیم، انتقال جریان الکتریکی از طریق فضای خالی و از یک سیم‌پیچ به دیگری است. به این کار القای الکترومغناطیسی گفته می‌شود؛ چراکه جریان در سیم‌پیچ اول جریان در سیم‌پیچ دوم را باعث می‌شود (القا می‌کند). ما می‌توانیم با پیچاندن سیم‌پیچ‌ها به دور یک میله آهنی نرم (هسته[8])، انرژی الکتریکی را از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر به شکل موثرتری انتقال دهیم:
برای ساخت سیم‌پیچ، به سادگی سیم را به شکل دایره (فیزیکدانان به هر یک از آنها “دور” می‌گویند) حلقه می‌کنیم. اگر سیم‌پیچ دوم تعداد دور برابری با سیم‌پیچ اول داشته باشد، اندازه جریان الکتریکی در سیم‌پیچ دوم عملا برابر با جریان در سیم‌پیچ اول خواهد بود. اما (و این هم قسمت زیرکانه ماجرا) اگر در سیم‌پیچ دوم تعداد دورهای کمتر و یا بیشتر داشته باشیم، می‌توانیم جریان و ولتاژ ثانویه را بزرگتر و یا کوچکتر از جریان و ولتاژ اولیه بکنیم.
نکته مهمی که باید بدان توجه داشت این است که این شیوه تنها زمانی به کار می‌آید که جریان الکتریکی در حال نوسان در برخی جهات باشد. به عبارت دیگر، شما باید از مبدل به همراه الکتریسیته دائما در حال تغییر که جریان متناوب (AC)[9] نامیده می‌شود، استفاده کنید. مبدل‌ها با جریان مستقیم که در آن جریانی ثابت دائما در جهتی خاص در جریان است، کار نمی‌کنند.
مبدل‌های کاهنده[10]
اگر سیم‌پیچ اول تعداد دورهای بیشتری از سیم‌پیچ دوم داشته باشد، ولتاژ ثانویه کوچکتر از ولتاژ اولیه می‌شود.
این یک مبدل کاهنده نامیده می‌شود. اگر تعداد دورهای سیم‌پیچ دوم نصف سیم‌پیچ اول باشد، اندازه ولتاژ ثانویه نصف ولتاژ اولیه خواهد بود؛ اگر سیم‌پیچ دوم یک دهم اولی تعداد دور داشته باشد، یک دهم آن ولتاژ خواهد داشت. در کل:
ولتاژ ثانویه / ولتاژ اولیه = تعداد دور در حالت ثانویه / تعداد دور در حالت اولیه
اندازه جریان در جهت عکس تغییر می‌کند (در یک مبدل کاهنده، افزایش می‌یابد):
جریان ثانویه / جریان اولیه = تعداد دور اولیه / تعداد دور ثانویه
بنابراین یک مبدل کاهنده با 100 سیم‌پیچ اولیه و 10 سیم‌پیچ ثانویه ولتاژ را ده برابر کاهش خواهد داد ولی همزمان جریان را نیز ده برابر افزایش خواهد داد. انرژی موجود در یک جریان برابر حاصل ضرب ولتاژ در جریان است (وات= ولت×آمپر راهی برای بخاطرسپردن آن است). بنابراین، درخواهید یافت که از نظر تئوری، انرژی موجود در سیم‌پیچ دوم با انرژی در سیم‌پیچ اول برابر است (در حقیقت کمی اتلاف انرژی بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه وجود دارد؛ چون شار مغناطیسی به بیرون از هسته نشت می‌کند، مقداری از انرژی به دلیل گرم شدن هسته هدر می‌رود و غیره).
مبدل‌های افزاینده[11]
اگر شرایط برعکس باشد، می‌توانیم مبدل افزاینده‌ای بسازیم که ولتاژ پایین را به ولتاژی بالاتر ارتقا می‌دهد:
این بار، در سیم‌پیچ ثانویه تعداد دورهای بیشتری نسبت به سیم‌پیچ اولیه داریم. همچنان داریم:
ولتاژ ثانویه / ولتاژ اولیه= تعداد دور در حالت ثانویه / تعداد دور در حالت اولیه
و
جریان ثانویه / جریان اولیه= تعداد دور اولیه / تعداد دور ثانویه
در یک مبدل افزاینده، از تعداد دورهای بیشتری در حالت ثانویه در مقایسه با حالت اولیه برای ولتاژ ثانویه بزرگتر و جریان ثانویه کوچکتر استفاده می‌کنیم.
با در نظر گرفتن هر دو نوع از مبدل ها (کاهنده و افزاینده) ، قانونی کلی را درمی‌یابید که بنا برآن سیم‌پیچ با بیشترین دور بالاترین ولتاژ داشته درحالیکه سیم‌پیچ با کمترین دور بالاترین جریان را دارد.
مبدل‌ها در عمل
اگر در خانه تعدادی از شارژرهای مبدل (انواع معمولی و یا شارژرهای القایی) دارید، متوجه خواهید شد که پس از مدتی کارکردن داغ می‌شوند؛ این به آن دلیل است که تمامی مبدل‌ها گرمای اتلافی تولید می‌کنند و هیچ یک کاملا کارآمد نیستند: انرژی تولید شده توسط سیم‌پیچ دوم کمتر از انرژی دریافتی توسط سیم‌پیچ اول است و دلیل عمده این تفاوت، اتلاف گرماست. برای شارژر خانگی تلفن‌همراه اتلاف گرما واقعا کم است (کمتر از اتلاف گرما در یک لامپ رشته‌ای قدیمی) و معمولا نگران‌کننده نیست. اما هر چه مبدل بزرگتر باشد، جریانی که با خود حمل می‌کند نیز بزرگتر بوده و گرمای بیشتری نیز تولید می‌کند. اتلاف گرما برای مبدل پست به عرض یک خودروی کوچک، می‌تواند بسیار قابلتوجه باشد: این می‌تواند به روکش مبدل آسیب وارد کرده، به طور جدی عمر آن را کاهش داده و اعتماد و تکیه به آن را دشوارتر کند ( نباید فراموش کنیم که صدها و یا حتی هزاران نفر از مردم به نیروی مبدلی که باید نه تنها از روزی به روز دیگر بلکه از سالی به سال دیگر به طور قابل اعتمادی کار کند، وابسته هستند). به همین دلیل است که افزایش دمای احتمالی مبدل در حین کارکردن عاملی بسیار مهم در طراحی آن می‌باشد. «بار» معمول (میزانی که استفاده می‌شود)، دامنه تغییرات دمای فضای باز (محیط) و حتی ارتفاع (که چگالی هوا و در نتیجه میزان کارایی آن در خنک‌سازی را کاهش می‌دهد) باید برای فهم کارایی مبدل محیطی در نظر گرفته شوند.
در عمل، بیشتر مبدل‌های بزرگ سیستم‌های خنک‌کننده داخلی دارند که از هوا، مایعات (روغن و یا آب) و یا هر دو برای رفع اتلاف گرما استفاده می‌کنند. به طور معمول، بخش اصلی مبدل (هسته و سیم‌پیچ های اول و دوم) درون مخزن روغن قرار دارد و به تبادل‌کننده گرما، پمپ و باله های خنک‌کننده متصل است. روغن داغ از بالای مبدل و از طریق تبادل‌کننده گرما (که موجب کاهش دمای آن می‌شود) پمپ می‌شود و دوباره به به پایین آن برمی‌گردد تا این چرخه تکرار شود. بعضی اوقات، روغن بواسطه جریان همرفتی و بدون نیاز به یک پمپ مجزا در اطراف مدار خنک‌کننده حرکت می‌کند. برخی مبدل‌ها فن‌های برقی دارند که جریان هوا را در طول بالههای خنک‌کننده‌ی تبادل‌کننده گرما می‌دمند تا گرما به شکل موثرتری پراکنده و حذف شود.
تصویر: مبدل‌های بزرگ سیستم‌های خنک‌کننده‌ی داخلی دارند. در این مورد، هسته مبدل و سیم‌پیچ (قرمز) در داخل مخزنی بزرگ حاوی روغن (خاکستری) قرار داده می‌شوند. روغن داغی که از بالای مخزن می‌آید ، در درون یک و یا تعداد بیشتری از تبادل‌کننده‌های گرما قبل از اینکه به همان مخزن در پایین برسد، گردش می‌کند که سبب از بین رفتن گرمای اتلافی با استفاده از بالههای خنک‌کننده می‌شود (سبز). طرح از ثبت اختراع ایلات متحده4413674: ساختار سیستم خنک‌کننده مبدل، اثری از راندل.ن اوری اتال[12]، شرکت الکتریکی وستینگ هاوس[13]، با مجوز از دفتر ثبت اختراع و تدارک ایالات متحده
منظور از مبدل‌های حالت جامد[14] چیست؟
شما از خواندن مطالب بالا نتیجه خواهید گرفت که مبدل‌ها می‌توانند بسیار بزرگ، بسیار ساده و برخی اوقات بسیار ناکارآمد باشند. از اواسط قرن بیستم، برای انجام همه ترفند‌های شسته و رفته مربوط به برق که قبلا توسط اجزای بزرگ (و گاها مکانیکی) انجام می‌شد، از روش‌های الکترونیک و با استفاده از فناوری که به آن «جالت جامد[15]» می‌گوییم، بهره گرفته شده است. بنابراین، برای مثال، تغییر و تقویت نیروگرهای مبدل‌ها متحول شده‌اند، درحالیکه حافظه فلش به طور فزاینده‌ای جایگزین هارد دیسک‌های مغناطیسی شده‌اند (در مواردی همانند درایوهای حالت جامد، SSDها و حافظه یو‌اس‌بی).
در طی دهه‌های اخیر، مهندسان برق در تلاش برای توسعه مبدل‌هایی بوده‌اند که مبدل‌های حالت جامد نامیده می‌شوند. آنها اساسا مدار‌های نیمه‌رسانای فشرده، قدرتمند و با فرکانس بالایی هستند که ولتاژ را با قابلیت اطمینان بیشتر و کارایی بهتر در مقایسه با مبدل‌های معمول افزایش و یا کاهش می‌دهند. آنها همچنین قابلیت کنترل بیشتر و در نتیجه پاسخگویی بهتر به تغییرات در عرضه و تقاضا را دارند. ازاین رو «شبکه‌های هوشمند[16] » ( سیستم‌های انتقال برق آینده که توسط منابع تجدیدپذیر انرژی همچون توربین‌های برق و مزرعه‌های خورشیدی تغذیه می‌شوند) کاربرد اصلی خواهند داشت. ها
[1] .transformer
[2] .Chickamauga
[3] .Chattanooga
[4] .Tenn
[5] .Alfred T.Palmer
[6] . Magnetic flux
[7] . Magnetic flux density
[8] . Core
[9] . Alternative Current
[10] . Step-down transformers
[11] . Step-up transformers
[12]. Randell N. Avery et al
[13] . Westinghouse Electric Corp
[14] . Solid-state transformer
[15] . Solid-state
[16] . Smart grids
