كيف يؤثر تصميم قلب المحول المغمور بالزيت على الأداء الكهربائي؟

تعتبر المحولات المغمورة بالزيت حجر الزاوية في أنظمة الطاقة الكهربائية الحديثة، حيث تعمل كأجهزة حاسمة لتنظيم الجهد، وتوزيع الطاقة، وكفاءة الطاقة. في قلب هذه المحولات يقع قلب المحول، وهو مكون مصمم بعناية يؤثر بشكل كبير على الأداء الكهربائي العام. في المحولات المغمورة بالزيت، يؤثر تصميم القلب بشكل مباشر على المعلمات مثل الكفاءة، وتقليل الفقد، وتنظيم الجهد، ومستويات الضوضاء، والإدارة الحرارية. يعد فهم العلاقة بين التصميم الأساسي والأداء الكهربائي أمرًا ضروريًا لكل من المهندسين ومشغلي المرافق الذين يبحثون عن التشغيل الأمثل للمحولات.

1. فهم قلب المحول المغمور بالزيت

ال قلب المحول بمثابة دائرة مغناطيسية توجه التدفق المغناطيسي الناتج عن التيار المتردد (AC) في الملف الأولي إلى الملف الثانوي. في المحولات المغمورة بالزيت، يتم غمر القلب في زيت المحولات، الذي يعمل بمثابة وسط مبرد وعازل. يؤثر تصميم القلب – هندسته ومادته وبنيته – على الخواص المغناطيسية، وبالتالي على كفاءة وأداء المحول.

تشمل الوظائف الرئيسية لنواة المحول ما يلي:

• توصيل التدفق المغناطيسي: يقوم بتوجيه التدفق المغناطيسي بكفاءة بين اللفات لتقليل فقدان الطاقة.
• تقليل خسائر التباطؤ والتيار الدوامي: يعمل التصميم الأمثل على تقليل الخسائر الداخلية التي تحدث نتيجة للمجالات المغناطيسية المتناوبة.
• دعم السلامة الهيكلية: يوفر إطارًا ثابتًا لللفات والعزل.

2. المواد الأساسية وتأثيرها على الأداء الكهربائي

يعد اختيار المواد جانبًا مهمًا في تصميم المحولات الأساسية. تستخدم النوى عالية الأداء صفائح فولاذية من السيليكون أو سبائك معدنية غير متبلورة، مما يؤثر على الكفاءة والخسائر والاستقرار التشغيلي.

أ. فولاذ السيليكون الموجه للحبوب

• المواد الأكثر استخدامًا في قلوب المحولات المغمورة بالزيت.
• يعمل اتجاه الحبوب على محاذاة البنية البلورية مع اتجاه التدفق المغناطيسي، مما يقلل من خسائر التباطؤ.
• تعمل سماكة التصفيح (عادة 0.23-0.35 مم) على تقليل خسائر التيار الدوامي، والتي تتناسب مع مربع سماكة التصفيح.
• تأثير الأداء الكهربائي: يؤدي انخفاض الخسائر إلى زيادة الكفاءة وتقليل توليد الحرارة وتحسين تنظيم الجهد.

ب. غير متبلور الصلب

• فولاذ غير بلوري مع هيكل حبيبي بسيط.
• يوفر خسائر أساسية منخفضة للغاية مقارنة بفولاذ السيليكون التقليدي.
• مثالية للمحولات عالية الكفاءة، خاصة في المناطق التي لديها لوائح للحفاظ على الطاقة.
• تأثير الأداء الكهربائي: يقلل من خسائر عدم التحميل بشكل كبير، مما يعزز كفاءة المحولات بشكل عام.

ج. العزل الأساسي

• إن طلاء الصفائح بالورنيش العازل يمنع التيارات الدوامية بين الصفائح.
• يحافظ على خسائر أساسية منخفضة، مما يساهم في الاستقرار الحراري وإطالة عمر المحول.

3. تقنيات البناء الأساسية

ال way the core is constructed has a profound effect on magnetic properties, losses, and electrical performance.

أ. الأنواع الأساسية

1. محولات من النوع الأساسي

   • ال windings are placed around the vertical legs of the core.
   • يوفر مفاعلة تسرب منخفضة وتوزيع جيد للتدفق المغناطيسي.
   • يشيع استخدامها في محولات الجهد المتوسط ​​والعالي.

2. محولات من نوع الصدفة

   • يتم وضع اللفات داخل القلب، مما يوفر قوة أفضل للدائرة القصيرة.
   • يقلل من التدفق الضال ويحسن المتانة الميكانيكية.
   • غالبا ما تستخدم لمحولات الطاقة في التطبيقات الصناعية.

ب. المفاصل المتدرجة والمفاصل المتدرجة

• يتم ربط الصفائح بتداخلات بزاوية لتقليل تسرب التدفق عند الزوايا.
• يضمن البناء ذو ​​اللفة المتدرجة انتقالًا سلسًا للتدفق، مما يقلل من التشبع المحلي والخسائر المرتبطة به.
• تأثير الأداء الكهربائي: يقلل من النقاط الساخنة، ويحسن الكفاءة، ويعزز القدرة على التعامل مع الأحمال.

ج. التراص التصفيح

• يعد التكديس المناسب للصفائح الرقيقة أمرًا بالغ الأهمية لتقليل التيارات الدوامة.
• يمكن أن يؤدي التراص العشوائي أو غير المحاذاة إلى إنشاء تركيزات تدفق موضعية، مما يزيد من الخسائر وتوليد الحرارة.
• ويؤثر التراص المتحكم فيه أيضًا على الضوضاء الصوتية، حيث يتأثر الاهتزاز بالقوى المغناطيسية داخل القلب.

4. الهندسة الأساسية وتأثيرها على المعلمات الكهربائية

ال physical dimensions and shape of the core influence key performance characteristics.

أ. منطقة مستعرضة

• تعمل مساحة المقطع العرضي الأكبر على تقليل كثافة التدفق المغناطيسي، مما يمنع تشبع القلب عند الأحمال العالية.
• يضمن الحجم المناسب للمحول أن يعمل بكفاءة دون ارتفاع درجة الحرارة.
• تأثير الأداء الكهربائي: يقلل من خسائر التباطؤ ويحسن تنظيم الجهد.

ب. تصميم النوافذ

• ال central space where windings are placed is known as the window.
• تضمن أبعاد النافذة المُحسَّنة العزل المناسب، وتسمح بدورات كافية للملفات، وتحافظ على محاثة تسرب منخفضة.
• تأثير الأداء الكهربائي: نقل فعال للطاقة بين الملفات الأولية والثانوية، مما يقلل من انخفاض الجهد.

ج. الطول الأساسي ونسبة الساق

• ال length of the core limbs and the ratio between yoke and leg length affect magnetic flux distribution.
• يمنع توزيع التدفق الموحد التشبع الموضعي، الذي يمكن أن يسبب ارتفاع درجة الحرارة وزيادة خسائر عدم التحميل.

5. تأثير التصميم الأساسي على تبريد المحولات

في المحولات المغمورة بالزيت، يتفاعل القلب مع نظام التبريد. تؤثر مساحة سطح القلب واتجاهه وموضعه داخل الخزان على دوران الزيت وتبديد الحرارة.

• تداول الزيت: يسمح التصميم الأساسي المناسب لزيت المحولات بالتدفق بحرية، مما يزيل الحرارة الناتجة عن فقد القلب.
• الrmal Hot Spots: Step-lap or mitered joints prevent local concentration of magnetic flux, reducing temperature peaks.
• التأثير على الأداء الكهربائي: يحافظ التبريد الفعال على سلامة العزل، ويقلل من مخاطر انهيار العزل الكهربائي، ويضمن التشغيل الموثوق به على المدى الطويل.

6. اعتبارات الأداء الكهربائي

ال design of the oil-immersed transformer core affects several critical electrical performance metrics:

أ. الكفاءة

• ترتبط الخسائر الأساسية (خسائر التباطؤ والتيار الدوامي) بشكل مباشر بالمواد الأساسية والتصفيح والهندسة.
• تعمل النوى المصممة جيدًا على تقليل خسائر عدم التحميل، مما يحسن كفاءة المحولات، خاصة أثناء ظروف التحميل الجزئي.

ب. تنظيم الجهد

• يؤثر تدفق التسرب، الذي يعتمد على ترتيب القلب والملف، على انخفاض الجهد تحت الحمل.
• يضمن التصميم الأساسي الأمثل الحد الأدنى من تدفق التسرب وتنظيم الجهد المحسن، مما يوفر جهدًا ثابتًا للإخراج.

ج. قوة ماس كهربائى

• تعمل النوى من نوع الصدفة أو الهياكل الأساسية المعززة على تحسين المرونة الميكانيكية.
• يقلل التصميم المناسب من إزاحة الملف أثناء أحداث الدائرة القصيرة، مما يضمن التشغيل الموثوق.

د. الضوضاء الصوتية

• الاهتزازات الناجمة عن التدفق المغناطيسي المتناوب تولد همهمة مسموعة.
• يمكن للتصفيحات الأساسية والتصميم المشترك أن يقلل من الضوضاء، ويعزز الراحة التشغيلية، خاصة في البيئات الحضرية.

7. الابتكارات في التصميم الأساسي للمحولات

تشتمل المحولات الحديثة المغمورة بالزيت على تصميمات أساسية متقدمة لتعزيز الأداء بشكل أكبر:

• النوى المعدنية غير المتبلورة: تقلل من فقد الطاقة بشكل كبير في محولات التوزيع.
• التصفيحات المحسنة: استخدم الصفائح المقطوعة بالليزر أو المقطوعة باستخدام الحاسب الآلي للحصول على محاذاة دقيقة، مما يقلل من تسرب التدفق.
• الصفائح المركبة: الجمع بين المواد لتحقيق التوازن بين التكلفة والكفاءة والأداء الحراري.
• تحليل العناصر المحدودة (FEA): محاكاة متقدمة للهندسة الأساسية المثالية، مما يضمن الحد الأدنى من الخسائر وتوزيع التدفق الموحد.

الse innovations improve energy efficiency, reduce operational costs, and extend transformer lifespan.

8. الاستنتاج

ال design of an oil-immersed transformer core is a critical factor that directly influences electrical performance, efficiency, thermal management, voltage regulation, and reliability. Material selection, lamination thickness, core geometry, joint design, and interaction with the cooling system collectively determine the transformer’s operational characteristics.

نوى عالية الجودة مصنوعة من فولاذ السيليكون الموجه نحو الحبوب أو السبائك غير المتبلورة، جنبًا إلى جنب مع تقنيات البناء المحسنة مثل المفاصل المتدرجة والتكديس الدقيق للتصفيح، مما يقلل من الخسائر ويحسن الكفاءة ويعزز المتانة. تعمل النوى المصممة بشكل صحيح أيضًا على تقليل الضوضاء، وتمنع التسخين الموضعي، وتحافظ على خرج جهد ثابت، وهو أمر ضروري لكل من التطبيقات الصناعية وتطبيقات المرافق.

مع تزايد أهمية كفاءة الطاقة وموثوقيتها في أنظمة الطاقة الحديثة، سيستمر تصميم قلوب المحولات المغمورة بالزيت في التطور، ودمج مواد جديدة وهندسة مبتكرة وتقنيات تصنيع دقيقة لتلبية متطلبات المستقبل. يعد فهم العلاقة الحاسمة بين التصميم الأساسي والأداء الكهربائي أمرًا ضروريًا للمهندسين والمصنعين والمشغلين الذين يبحثون عن الأداء الأمثل للمحولات وطول العمر.