เหตุใดหม้อแปลงไฟฟ้าจึงใช้กระแสสลับเท่านั้น

หม้อแปลงไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในด้านการส่งพลังงานและแหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์ ผู้ใช้ช่างสังเกตอาจสังเกตเห็นว่าหม้อแปลงไฟฟ้ามักจะ "จับคู่" กับกระแสสลับกัน (AC） และไม่ค่อยมีปฏิสัมพันธ์กับกระแสโดยตรง (DC) ตรรกะทางเทคนิคใดที่อยู่เบื้องหลังปรากฏการณ์นี้?

หลักการปฏิบัติการหลักของหม้อแปลงไฟฟ้าขึ้นอยู่กับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ส่วนใหญ่ประกอบด้วยแกนเหล็ก (แกนแม่เหล็ก) และขดลวดหลักและทุติยภูมิ เมื่อ AC ผ่านขดลวดหลักการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะในขนาดและทิศทางของกระแสไฟฟ้าจะสร้างสนามแม่เหล็กเป็นระยะ ๆ รอบ ๆ ขดลวด ตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงทำให้เกิดแรงไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิดังนั้นจึงบรรลุการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นในการส่งผ่านพลังงานในเมือง AC ที่สร้างขึ้นโดยโรงไฟฟ้าจะถูกเพิ่มขึ้นเป็นแรงดันไฟฟ้าสูงเป็นพิเศษผ่านหม้อแปลงแบบ step-up เพื่อลดการสูญเสียพลังงานในระหว่างการส่งผ่านทางไกล เมื่อกระแสไฟฟ้ามาถึงพื้นที่ใกล้กับผู้ใช้ปลายทางหม้อแปลงแบบก้าวลงจะถูกนำมาใช้เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่อยู่อาศัยและอุตสาหกรรม

ในทางกลับกัน DC รักษาทิศทางและขนาดของกระแสคงที่ เมื่อ DC ถูกนำไปใช้กับขดลวดหลักของหม้อแปลงไฟฟ้ามันสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่มีเสถียรภาพและไม่เปลี่ยนแปลงเท่านั้น อย่างไรก็ตามสนามแม่เหล็กที่เสถียรไม่สามารถชักนำให้เกิดแรงไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิทำให้การแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นไปไม่ได้ ยิ่งกว่านั้น DC คงที่อาจทำให้แกนเหล็กของหม้อแปลงต้องอิ่มตัว เมื่อแกนกลางอิ่มตัวการเหนี่ยวนำของหม้อแปลงลดลงอย่างรวดเร็วกระแสแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญและในที่สุดหม้อแปลงไฟฟ้าความร้อนสูงเกินไปอย่างรุนแรง มีกรณีที่โรงงานเชื่อมต่อแหล่งพลังงาน DC อย่างไม่ตั้งใจกับหม้อแปลง ภายในเวลาไม่กี่นาทีหม้อแปลงสูบบุหรี่เนื่องจากความร้อนสูงเกินไปและต้องถูกแทนที่อย่างเร่งด่วนส่งผลให้ต้นทุนการบำรุงรักษาสูงและรบกวนการผลิตปกติ

แน่นอนในแอพพลิเคชั่นพิเศษบางอย่างแม้ว่าอาจดูเหมือนว่าหม้อแปลงกำลังจัดการ DC ในความเป็นจริงแล้ววงจรอินเวอร์เตอร์จะใช้ในการแปลง DC เป็น AC ก่อนแล้วจึงใช้หม้อแปลงสำหรับการแปลงแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นในระบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์พลังงานแสงอาทิตย์ DC ที่สร้างขึ้นโดยแผงโซลาร์เซลล์จะต้องถูกแปลงเป็น AC โดยอินเวอร์เตอร์ก่อนที่จะสามารถก้าวขึ้นหรือลงโดยหม้อแปลงและรวมเข้ากับกริดพลังงาน AC

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีพลังงานแม้ว่าหม้อแปลงไฟฟ้าปัจจุบันยังคงเข้ากันได้กับ AC เป็นหลักนักวิทยาศาสตร์กำลังสำรวจเทคโนโลยีและวัสดุใหม่ ๆ เพื่อทำลายข้อ จำกัด แบบดั้งเดิมและทำให้หม้อแปลงสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อม DC อย่างไรก็ตามในปัจจุบันความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดระหว่างหม้อแปลงไฟฟ้าและ AC ไม่เพียง แต่ช่วยให้วิศวกรมีประสิทธิภาพในการออกแบบระบบพลังงาน แต่ยังช่วยผู้ใช้ทั่วไปในการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าอย่างถูกต้องหลีกเลี่ยงอันตรายด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้นและการสูญเสียทางเศรษฐกิจที่เกิดจากการดำเนินงานที่ไม่ถูกต้อง