هسته ترانسفورماتور ساختمان و طراحی و انواع آن

هسته ترانسفورماتور و طراحی آن

هدف هسته ترانسفورماتور

در ترانسفورماتور برق ، سیم پیچ های اولیه ، ثانویه و گاهی اوقات نیز ثالثیه نیز وجود دارد. عملکرد ترانسفورماتور به طور عمده به پیوندهای شار بین این سیم پیچ ها بستگی دارد. برای اتصال کارآمد شار بین این سیم پیچها ، باید یک مسیر مغناطیسی با رلوکتانس کم مشترک برای همه سیم پیچ ها در ترانسفورماتور فراهم شود. این مسیر مغناطیسی با رلوکتانس کم در ترانسفورماتور به عنوان هسته یک ترانسفورماتور شناخته می‌شود.

=============================

سه نوع اصلی هسته ترانسفورماتور عبارتند از:

1- ترانسفورماتور نوع هسته ای

2- ترانسفورماتور نوع زره ای

3- ترانسفورماتور با هسته ی هوا

تأثیر قطر هسته ترانسفورماتور

=============================

بگذارید در نظر بگیریم ، قطر هسته ترانسفورماتور  Dاست.

سپس ، سطح مقطع هسته ،

اکنون ، ولتاژ در هر دور ،

که ، Bm حداکثر چگالی شار هسته‌است.

E متناسب با D²‌است.

بنابراین ولتاژ در هر دور با افزایش قطر هسته ترانسفورماتور افزایش می‌یابد.

دوباره اگر ولتاژ در سیم پیچ ترانسفورماتور V باشد.سپس V = eN ، جایی که N تعداد دور های سیم پیچ‌است.اگر V ثابت باشد ، e  به صورت معکوس با N متناسب‌است و از این رو ، D²   به طور معکوس متناسب با N‌است ، بنابراین ، قطر هسته افزایش می‌یابد ، تعداد دور در سیم پیچ ترانسفورماتورر کاهش می‌یابد.

كاهش تعداد دور ، كاهش ارتفاع یوغ‌های هسته به رغم  كاهش ارتفاع یوغ‌های هسته ، قطر هسته افزايش مي يابد ، باعث افزايش قطر كلی هسته مغناطيسي ترانسفورماتورمي شود. این افزایش وزن فولاد در نهایت منجر به افزایش تلفات هسته در ترانسفورماتورمی‌شود. افزایش قطر هسته باعث افزایش قطر در سیم پیچ اصلی‌می‌شود. علیرغم افزایش قطر سیم پیچ، کاهش ،تعداد دور سیم پیچ ها ، باعث کاهش تلفات مسی در ترانسفورماتورمی‌شود.

بنابراین ، ما به افزایش قطر هسته ترانسفورماتور ، تلفات در هسته ترانسفورماتور افزایش می‌یابد اما در عین حال ، تلفات با یاتلفات مس در ترانسفورماتور کاهش می‌یابد.

از طرف دیگر ، اگر قطر هسته کاهش یابد ، وزن فولاد در هسته کاهش می‌یابد. که منجر به تلفات هسته کمتر در ترانسفورماتور می‌شود ، اما در عین حال ، منجر به افزایش تعداد دور در سیم پیچ می‌شود ، به معنی افزایش وزن مس‌است که منجر به افزایش تلافت مس در ترانسفورماتور می‌شود. بنابراین ، با توجه به هر دو جنبه ، باید قطر هسته در هنگام طراحی هسته ترانسفورماتور بهینه شود.

=============================

جنس مواد برای هسته ترانسفورماتور

مشکل اصلی هسته ترانسفورماتور تلفات هیسترزیس و تلفات فوکو آن‌است. تلفات هیسترزیس در ترانسفورماتور به مواد سازنده آن بستگی دارد. مشخص شده‌است که ، مقدار کمی از سیلیکون آلیاژی با فولاد کم کربن ، ماده ای برای هسته ترانسفورماتور تولید می‌کند ، که تلفات هیسترزیس کم و نفوذپذیری مغناطیسی بالایی برخوردار است. به دلیل افزایش تقاضای نیرو ، لازم است که تلفات هسته کاهش یابد و برای آن تکنیک دیگری روی فولاد بکار رفته‌است که به نورد سرد معروف است. این روش  فولاد فرومغناطیسی را در جهت خاصی  نورد می‌کند که باعث کاهش تلفات‌می‌شود.

فولاد هسته ای که از طریق هر دو روش آلیاژی سیلیکون و نورد سرد ، معمولاً با نام های CRGOS یا ورق سیلیکون جهت دار نورد شده ی سرد می‌گویند. این ماده اکنون به صورت جهانی برای ساخت هسته ترانسفورماتور مورد استفاده‌قرارمی‌گیرد.

اگرچه این ماده تلفات آهنی كمی دارد اما هنوز هم معایبی دارد از جمله این موارد ، می توان گفت که مستعد افزایش تلفات به دلیل جریان یافتن  شار در  جهت دیگری به غیر از جهت نورد شده‌است و به دلیل تأثیر خم شدن و خالی کردن ورقه CRGOS ، مستعد عملکرد نامناسب نیز خواهد بود. هر دو سطح ورق با عایق کاری از پوشش اکسید تهیه شده‌است.

انواع مختلف سیم پیچ ترانسفورماتور – ویژگی ها و کاربردهایشان

=============================

طراحی بهینه مقطع هسته ترانسفورماتور

حداکثر چگالی شار فولاد CRGO در حدود 1.9 تسلااست. به معنای این‌است که فولاد در چگالی شار 1.9 تسلا اشباع‌می‌شود. يكي از معيارهاي مهم براي طراحي هسته ترانسفورماتور اين‌است كه نبايد در حالت كار عادي ترانسفورماتور اشباع شود. ولتاژ ترانسفورماتور به مجموع شار مغناطیسی آن بستگی دارد. شار مجموع مغناطیسی از طریق هسته چیزی جز محصول چگالی شار و سطح مقطع هسته نیست. از این رو می توان با تنظیم سطح مقطع هسته در طول طراحی آن ، چگالی شار یک هسته را کنترل‌کرد.

 سطح مقطع هسته  ترانسفورماتور

شکل ایده آل سطح مقطع یک ترانسفورماتور دایره ای‌است. برای ساخت مقطع دایره ای کامل ، هر ورق فولادی لمینیت پی در پی باید در ابعاد و اندازه های مختلف برش داده‌شود. این برای تولید عملی کاملاً غیر اقتصادی‌است. در واقعیت ، تولید کنندگان از گروه های مختلف یا بسته هایی با تعداد از پیش تعریف شده ورق های لمینیت با همان ابعاد استفاده‌می‌کنند. گروه یا بسته بلوک از ورق‌های چند لایه با ارتفاع بهینه از پیش تعریف شده (ضخامت)است. مونتاژ این بلوک ها به شکلی پی در پی متناسب با اندازه آنها از خط مرکزی هسته‌است که شکل دایره ای بهینه از سطح مقطع را به وجود می‌آورد. چنین مقطعی معمولی در شکل زیر نشان داده‌شده‌است.

برای خنک کردن هسته مجاری روغن لازم‌است. مجاری خنک کننده ضروری‌است زیرا دمای نقاط گرم ممکن‌است به طرز خطرناکی بالا رود و تعداد آنها بستگی به قطر هسته و مواد مورد استفاده در هسته دارد. علاوه بر این ، صفحات گیره ساخته شده از فولاد در هر دو طرف هسته برای بستن لمینیت مورد نیازاست. بلوک‌های ورقه ورقه فولادی ، مجاری روغن و صفحات بستن. همه باید به صورت بهینه در محیط پیرامون دایره هسته قراربگیرند.

در ادامه

سطح مقطع خالص از ابعاد بسته‌های مختلف محاسبه‌می‌شود و برای فضای از بین رفته بین لمینیت (هسته ها ورقه ورقه شده و بین آنها عایق است لذا حجم موثر هسته کاهش می‌یابد) که برای آن ورق فولادی با ضخامت 0.28 میلی متر با روکش عایق تقریبا 0.96 است. مساحت نیز برای مجاری نفت کسر می‌شود. نسبت سطح مقطع خالص هسته به ناحیه کامل در داخل محیط پیرامونی هسته به عنوان فاکتور بهره برداری هسته ترانسفورماتور شناخته می‌شود(اگر به شکل توجه کنید به علت گرد ساختن یوغ هسته مقداری از فضا خالی می ماند).

=============================

ویدیوی این محصول

=============================

ترانسفورماتور هسته‌ای

ساخت هسته ترانسفورماتور

 عوامل اصلی که  مورد توجه قرار می‌گیرند عبارتند از :

قابلیت اطمینان بالاتر.

• 1- کاهش تلفات آهن در ترانسفورماتور و جریان مغناطیسی.
• 2- کاهش هزینه مواد و هزینه کار.
• 3- کاهش سطح سر و صدا.

بررسی کیفیت در هر مرحله از ساخت برای اطمینان از کیفیت و قابلیت اطمینان ضروری‌است. ورق فولاد باید برای اطمینان از تلفات هسته خاص یا مقادیرتلفات آهن آزمایش‌شود. لمینیت باید به صورت صحیح بررسی شود ، ورق‌های زنگ زده  و یا خم شدن باید رد شود و در تولید وارد نشود. برای کاهش نویز ترانسفورماتور ، لمینیت را باید محکم ببندید و از سوراخ‌های پانچ تا آنجا که ممکن‌است اجتناب شود تا از تلفات آهن متقاطع به حداقل برسد. شکاف هوا در مفصل یوغ ها باید تا حد امکان کاهش یابد تا حداکثر مسیرهای هدایت صاف برای جریان مغناطیس امکان پذیر باشد.

گوشه اتصال شاخه ها با یوغ ها

تلفات اصلی در ترانسفورماتور به دلیل عمده زیر اتفاق‌می‌افتد ،شار مغناطیسی در نورد ورق هسته جریان می‌یابد ،جریان شار مغناطیسی عمود بر نورد ، که  این نیز به عنوان تلفات آهنی متقاطع شناخته می‌شود.

تلفات متقاطع عمدتاً در مناطق اتصال گوشه ای اندامها با یوغها اتفاق‌می‌افتد و با اعمال تکنیک‌های مخصوص اتصال گوشه می توان تا حدودی این تلفات را کنترل‌کرد.

به طور معمول دو نوع اتصالات در هسته ترانسفورماتور وجوددارد :

• 1- اتصالات بین لایه
• 2- اتصالات تاج مانند
• 3- اتصالات بین لایه ای هسته ترانس با ۳ یوغ
• 4- اتصالات بین لایه در هسته  ترانسفورماتور
• 5- اتصال بین لایه ای در هسته ترانسفورماتور ساده ترین شکل اتصالات‌است.

شار به صورت عمود به نورد ورق در اتصال وارد می‌شود. از این رو تلفات متقاطع در این نوع اتصالات زیاداست. اما با توجه به هزینه تولید پایین ، ت استفاده از آن در ترانسفورماتور با توان کوچک زیاداست.

اتصالات تاج مانند هسته ترانس با ۳ یوغ

اتصالات تاج مانند در هسته ترانسفورماتور

در اینجا لمینت‌ها در 45 درجه برش خورده  می‌شوند. اندام‌ها و لبه های لمینیت یوغ به صورت رو در رو در اتصالات تاج مانند در هسته ترانسفورماتور قرار می‌گیرند. در اینجا شار واردمی‌شود و آن را ترک می‌کند ، مسیری روان را در جهت جریان خود طی‌می‌کند. از این رو ، تلقات متقاطع  در اینجا حداقل‌است. با این حال ، این افزایش هزینه های تولید را شامل‌می‌شود.

=============================

مقالات مرتبط :

تست ولتاژ ضربه ترانسفورماتور قدرت Impulse Test

سیم پیچ روغن و نشانگر دما از راه دور ترانسفورماتور

لینک زبان اصلی مقاله:

Core of Transformer and Design of Transformer Core