كيف تتعامل نوى المحولات من النوع الجاف مع الأحمال الزائدة والدوائر القصيرة؟

تعد المحولات من النوع الجاف مكونات أساسية في أنظمة التوزيع الكهربائية، خاصة في البيئات التجارية والصناعية والسكنية حيث تعد السلامة والكفاءة والموثوقية أمرًا بالغ الأهمية. على عكس المحولات المملوءة بالزيت، يتم استخدام المحولات من النوع الجاف الهواء كوسيلة تبريد مما يجعلها أكثر أمانًا للتركيبات الداخلية. في قلب هذه المحولات يكمن قلب المحول والتي تلعب دوراً حاسماً في التعامل مع الضغوط الكهربائية مثل الزائد والدوائر القصيرة .

تستكشف هذه المقالة كيفية تصميم قلوب المحولات من النوع الجاف للتعامل مع الأحمال الزائدة والدوائر القصيرة، بما في ذلك الآليات والمواد واعتبارات التصميم وإجراءات الحماية التي تضمن أداء المحولات وطول عمرها.

1. فهم نوى المحولات من النوع الجاف

الهيكل والوظيفة

عادةً ما يتم تصنيع قلب المحول من النوع الجاف من شرائح فولاذية من السيليكون عالية الجودة مكدسة معًا لتشكل المسار المغناطيسي لتشغيل المحولات. يخدم النواة عدة وظائف:

• توصيل التدفق المغناطيسي : يوجه التدفق المغناطيسي الناتج عن الملف الأولي لتحفيز الجهد في الملف الثانوي.
• التقليل من الخسائر : البناء الرقائقي يقلل من خسائر التيار الدوامي، مما يحسن الكفاءة.
• دعم اللفات : يوفر الدعم الميكانيكي للملفات الأولية والثانوية.

أنواع النوى

يمكن تصنيف نوى المحولات من النوع الجاف بناءً على بنائها:

1. الذكاء الاصطناعي الأساسية : صفائح مغلفة تشكل شكل E وشكل I مكدسة بالتناوب.
2. C-Core أو Toroidal Core : مسار مغناطيسي مستمر مع الحد الأدنى من فجوات الهواء، مما يوفر ضوضاء منخفضة وكفاءة أعلى.

يؤثر تصميم النواة بشكل مباشر على قدرة المحول التعامل مع الأحمال الزائدة وظروف ماس كهربائى .

2. الأحمال الزائدة في المحولات من النوع الجاف

ما هو الحمل الزائد؟

يحدث الحمل الزائد عندما يحمل المحول حمولة تتجاوز قدرته المقدرة . وهذا يؤدي إلى تيار زائد في اللفات، والذي يمكن أن يولد الحرارة ويضغط على القلب.

الاستجابة الأساسية للأحمال الزائدة

تتعامل نوى المحولات من النوع الجاف مع الأحمال الزائدة من خلال عدة آليات:

1. التشبع المغناطيسي

   • تم تصميم النواة للعمل تحتها نقطة التشبع تحت الحمل العادي.
   • أثناء الحمل الزائد، تزداد كثافة التدفق المغناطيسي، وتقترب من التشبع، مما يحد من زيادة التيار.
   • وينتج التشبع شكلاً طبيعيًا من الحماية، حيث يمنع التدفق المغناطيسي المفرط من توليد تيارات لا يمكن السيطرة عليها.

2. تبديد الحرارة

   • تزيد الأحمال الزائدة من خسائر I²R في اللفات، مما يولد حرارة تنتقل إلى القلب.
   • يقوم القلب الفولاذي المصفح بتوصيل الحرارة بكفاءة، كما يسمح التصميم من النوع الجاف للهواء بالهواء تبريد كل من الأساسية واللفات .
   • يتم التحكم في ارتفاع درجة الحرارة من خلال قنوات التهوية، أو الحمل الحراري الطبيعي، أو تبريد الهواء القسري ، اعتمادا على فئة المحولات.

3. أنظمة الحماية الحرارية

   • تشمل معظم المحولات من النوع الجاف أجهزة الاستشعار الحرارية جزءا لا يتجزأ من الأساسية أو اللفات.
   • تكتشف هذه المستشعرات درجات الحرارة الزائدة الناتجة عن الأحمال الزائدة وتطلق الإنذارات أو تفصل الدوائر لمنع حدوث أي ضرر.

اعتبارات التصميم للتعامل مع التحميل الزائد

• المواد الأساسية : فولاذ السيليكون عالي الجودة مع فقدان التباطؤ المنخفض يقلل من توليد الحرارة.
• سمك التصفيح : تعمل الصفائح الرقيقة على تقليل التيارات الدوامية، مما يقلل من الحرارة الإضافية تحت الحمل الزائد.
• تصميم تدفق الهواء : تعمل القنوات الموجودة حول القلب على تعزيز التبريد وتبديد الحرارة بكفاءة.
• تصنيف درجة الحرارة : تم تصميم المحولات للتعامل معها الأحمال الزائدة على المدى القصير (عادةً 120-150% من الحمل المقدر) دون حدوث ضرر دائم.

3. الدوائر القصيرة في المحولات من النوع الجاف

ما هي الدائرة القصيرة؟

تحدث دائرة كهربائية قصيرة عندما تنخفض المقاومة الكهربائية في الدائرة بشكل كبير ، مما تسبب في زيادة مفاجئة في التيار. في المحولات، يمكن أن تنشأ الدوائر القصيرة من:

• الأسلاك الخاطئة
• فشل المعدات المصب
• انهيار العزل

تعرض الدوائر القصيرة قلب المحول واللفات إلى الإجهاد الكهربائي والميكانيكي الشديد ، مما يستلزم تصميمًا قويًا.

الاستجابة الأساسية للدوائر القصيرة

1. القوة الميكانيكية

   • خلال دائرة كهربائية قصيرة، تعمل القوى الكهرومغناطيسية على اللفات والقلب.
   • يجب أن يحافظ جوهر على السلامة الهيكلية ل منع التشوه أو النزوح مما قد يؤدي إلى فشل اللف أو تلف العزل.

2. التشبع المغناطيسي Limiting

   • يضمن التصميم الأساسي أنه حتى في ظل التيارات الشديدة، لا يتجاوز التدفق المغناطيسي النقطة التي يمكن أن يحدث ذلك يسبب تضيقًا مغناطيسيًا مفرطًا أو اهتزازًا أساسيًا .
   • على سبيل المثال، تتعامل النوى الحلقية مع تيارات الدائرة القصيرة بشكل أفضل بسبب المسارات المغناطيسية المستمرة التي تقلل من تسرب التدفق.

3. تنسيق العزل

   • يتم عزل التصفيحات الأساسية واللفات المحيطة بها تحمل الجهد الزائد العابر أثناء الدوائر القصيرة.
   • العزل المناسب يمنع تقصير بين التصفيحات أو المنعطفات المتعرجة ، الأمر الذي قد يؤدي إلى فشل ذريع.

ميزات التصميم لمتانة الدائرة القصيرة

• لقط الأساسية قوية : يتم تثبيت الصفائح بإحكام لمقاومة القوى الميكانيكية.
• اللفات عالية القوة : يتم تقوية الموصلات النحاسية أو الألومنيوم لمقاومة التشوه.
• طلاءات الايبوكسي أو الورنيش : المحولات من النوع الجاف غالبا ما تستخدم الراتنج المشرب بالفراغ لربط اللفات وتأمينها ضد القوى الكهرومغناطيسية.
• معايير الاختبار : المحولات تخضع اختبارات تحمل ماس كهربائى للتحقق من سلامة الأساسية واللف.

4. تدابير الحماية

الحماية المضمنة

1. مجسات درجة الحرارة : مضمن في اللفات والقلب لاكتشاف الأحمال الزائدة وتنشيط الإنذارات أو دوائر الرحلة.
2. الصمامات وقواطع الدائرة : الحد من التيار أثناء الدوائر القصيرة، مما يمنع تلف القلب والملفات.
3. أجهزة تخفيف الضغط : تشتمل بعض المحولات من النوع الجاف على فتحات لتحرير الحرارة والحفاظ على السلامة الهيكلية.

اعتبارات التثبيت

• التخليص الكافي : يضمن تدفق الهواء حول القلب لتبديد الحرارة.
• إدارة الأحمال المناسبة : تجنب التشغيل لفترة طويلة بالسعة القصوى المقدرة.
• الصيانة الدورية : تنظيف الغبار والحطام يمنع ارتفاع درجة الحرارة ويضمن التعامل الفعال مع الدائرة القصيرة.

5. النمذجة الحرارية والكهربائية

تم تصميم نوى المحولات الحديثة من النوع الجاف باستخدام النمذجة الحرارية والكهرومغناطيسية :

• تحليل العناصر المحدودة (FEA) يتنبأ بالتشبع الأساسي وتوزيع التدفق تحت الأحمال الزائدة والدوائر القصيرة.
• المحاكاة الحرارية تأكد من أن النقاط الساخنة ضمن الحدود الآمنة.
• المحاكاة الميكانيكية تقييم تشوه القلب واللف تحت القوى الكهرومغناطيسية.

تساعد تقنيات النمذجة هذه المهندسين على تصميم النوى التي مقاومة الضغوط الزائدة مع الحفاظ على الكفاءة .

6. مزايا المحولات من النوع الجاف في حالات الحمل الزائد وقصر الدائرة

• السلامة : لا يوجد زيت قابل للاشتعال، مما يقلل من خطر الحريق أثناء الأحمال الزائدة أو الدوائر القصيرة.
• التبريد السريع : تبريد الهواء يسمح بتبديد الحرارة بشكل أسرع من القلب.
• أداء يمكن التنبؤ به : توفر أجهزة الاستشعار الحرارية مراقبة في الوقت الحقيقي.
• البناء القوي : النوى المصفحة والملفات المقواة تتحمل الضغوط الميكانيكية.
• صيانة منخفضة : أقل خطورة للتلوث أو التسرب مقارنة بالأنواع المملوءة بالزيت.

7. أفضل الممارسات لتعظيم طول العمر الأساسي

1. تجنب التحميل الزائد المستمر : قم بالتشغيل بأقل من السعة المقدرة عندما يكون ذلك ممكنًا.
2. مراقبة درجة الحرارة : استخدم أجهزة الاستشعار الحرارية أو أنظمة مراقبة درجة الحرارة الخارجية.
3. فحص الضرر : قم بفحص الصفائح والملفات الأساسية بانتظام بحثًا عن علامات التشوه أو انهيار العزل.
4. ضمان التهوية المناسبة : الحفاظ على تدفق الهواء لمنع تراكم الحرارة.
5. استخدم أجهزة الحماية المناسبة : يجب أن تكون قواطع الدائرة والصمامات مطابقة لمواصفات المحولات.
6. خطة لظروف ماس كهربائى : تصميم الأنظمة الكهربائية بالتنسيق المناسب لتقليل طفرات التيار.

8. ملخص السلوك الأساسي

9. الاستنتاج

تم تصميم نوى المحولات من النوع الجاف من أجل التعامل مع الأحمال الزائدة والدوائر القصيرة من خلال مزيج من اختيار المواد، وتصميم التصفيح، وتنسيق العزل، وإجراءات الحماية. تعمل قلوبها المصفحة على تقليل خسائر التيار الدوامي مع توفير القوة الميكانيكية، كما يسهل تصميمها المبرد بالهواء تبديد الحرارة بكفاءة أثناء الأحمال الزائدة. كما تضمن أجهزة الحماية مثل أجهزة الاستشعار الحرارية وقواطع الدائرة والصمامات أن كلاً من الأحمال الزائدة والدوائر القصيرة لا تؤدي إلى أعطال كارثية.

يتم التأكيد على مبادئ تصميم قلوب المحولات من النوع الجاف السلامة والموثوقية والكفاءة مما يجعلها مثالية للتطبيقات الداخلية حيث يعد تبديد الحرارة السريع ومقاومة الضغوط الكهربائية والميكانيكية أمرًا بالغ الأهمية. يؤدي التثبيت المناسب والصيانة الدورية والالتزام بإرشادات التشغيل إلى زيادة قدرة المحول على تحمل الأحمال الزائدة والدوائر القصيرة، مما يضمن الأداء على المدى الطويل والسلامة التشغيلية.

وبالتالي تمثل نوى المحولات من النوع الجاف توازنًا حرجًا الهندسة الكهربائية، وعلوم المواد، وهندسة السلامة مما يسمح للأنظمة الكهربائية الحديثة بالعمل بكفاءة في ظل الظروف الصعبة.