راهنمای هسته های ترانسفورماتور: انواع، ساخت و هدف

هسته های ترانسفورماتور ستون فقرات مغناطیسی ترانسفورماتورهای الکتریکی هستند. آنها یک مسیر کم رلوکتانس را برای شار مغناطیسی فراهم می کنند که امکان انتقال کارآمد انرژی بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه را فراهم می کند. بدون یک هسته طراحی شده مناسب، ترانسفورماتور از تلفات انرژی بیش از حد، گرمای بیش از حد و تنظیم ضعیف ولتاژ رنج می برد.

وظیفه اصلی هسته متمرکز کردن و هدایت شار مغناطیسی است تا القای الکترومغناطیسی به طور موثری رخ دهد. طراحی هسته مستقیماً بر راندمان ترانسفورماتور، سطوح نویز، اندازه، هزینه و قابلیت اطمینان طولانی مدت تأثیر می گذارد. برای ترانسفورماتورهای روغنی و خشک، کیفیت هسته نقش مهمی در عملکرد کلی دارد.

اصول اولیه کار هسته های ترانسفورماتور

هنگامی که جریان متناوب از سیم پیچ اولیه عبور می کند، یک میدان مغناطیسی متغیر در هسته ترانسفورماتور ایجاد می کند. این میدان مغناطیسی بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، ولتاژی را در سیم پیچ ثانویه القا می کند. هسته تضمین می کند که بیشتر شار مغناطیسی تولید شده در سیم پیچ اولیه با سیم پیچ ثانویه جفت می شود.

یک هسته خوب طراحی شده نشت مغناطیسی را به حداقل می رساند و تلفات هسته را کاهش می دهد که شامل افت هیسترزیس و تلفات جریان گردابی می شود. این تلفات انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می کند، بنابراین کاهش آنها باعث بهبود راندمان و افزایش طول عمر ترانسفورماتور می شود.

مواد متداول مورد استفاده در هسته های ترانسفورماتور

هسته‌های ترانسفورماتور معمولاً از مواد فرومغناطیسی ساخته می‌شوند که دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالا و تلفات هسته کم هستند. متداول ترین مواد شامل فولاد سیلیکونی، فلز آمورف و فریت، بسته به کاربرد و محدوده فرکانس است.

• فولاد سیلیکونی دانه گرا برای ترانسفورماتورهای قدرت
• فولاد سیلیکونی غیر دانه گرا برای ماشین های دوار و برخی از ترانسفورماتورها
• آلیاژهای فلزی آمورف برای ترانسفورماتورهای بسیار کم تلفات
• هسته فریت برای ترانسفورماتورهای فرکانس بالا و الکترونیکی

فولاد سیلیکونی دانه گرا به ویژه در ترانسفورماتورهای قدرت و نوع خشک محبوب است زیرا خواص مغناطیسی عالی را در جهت نورد ترجیحی ارائه می دهد و تلفات هیسترزیس را کاهش می دهد.

تلفات اصلی و تأثیر آنها بر کارایی

تلفات هسته، تلفات انرژی هستند که هر زمان که هسته ترانسفورماتور برق می‌گیرد، بدون توجه به بار، رخ می‌دهد. این تلفات اغلب به عنوان تلفات بدون بار شناخته می شوند و یک عامل کلیدی در مقررات بهره وری انرژی هستند.

از دست دادن هیسترزیس

از دست دادن هیسترزیس زمانی رخ می‌دهد که حوزه‌های مغناطیسی در ماده هسته با هر چرخه AC مجدداً قرار می‌گیرند. مواد با حلقه‌های پسماند باریک، مانند فولاد سیلیکونی دانه‌دار و فلز بی‌شکل، به به حداقل رساندن این تلفات کمک می‌کنند.

از دست دادن جریان گردابی

جریان های گردابی جریان های در حال گردشی هستند که در درون ماده هسته ایجاد می شوند. این جریان ها باعث تولید گرما و اتلاف انرژی می شوند. برای کاهش تلفات جریان گردابی، هسته های ترانسفورماتور با استفاده از ورق های چند لایه نازک عایق شده از یکدیگر ساخته می شوند.

انواع طرح های هسته ترانسفورماتور

هسته‌های ترانسفورماتور در چندین پیکربندی استاندارد تولید می‌شوند که هر کدام بسته به کاربرد، رتبه قدرت و محدودیت‌های فضا، مزایای مکانیکی و الکتریکی خاصی را ارائه می‌دهند.

ترانسفورماتورهای نوع هسته

در ترانسفورماتورهای نوع هسته، سیم پیچ ها بخش قابل توجهی از هسته را احاطه کرده اند. مدار مغناطیسی از دو پایه عمودی و یوغ بالا و پایین تشکیل شده است. این طرح به طور گسترده در ترانسفورماتورهای توزیع و قدرت استفاده می شود.

ترانسفورماتورهای نوع پوسته

ترانسفورماتورهای پوسته ای دارای سیم پیچی هستند که توسط هسته محصور شده اند که حفاظت مکانیکی بهتر و شار نشتی کمتری را ارائه می دهند. این طرح اغلب در کاربردهایی استفاده می شود که به استحکام اتصال کوتاه بالاتری نیاز دارند.

هسته های حلقوی

هسته های حلقوی حلقه ای شکل هستند و جفت مغناطیسی عالی با شار نشتی بسیار کم را ارائه می دهند. آنها جمع و جور و کارآمد هستند اما باد کردن آنها دشوارتر و پرهزینه تر است.

روش‌های ساخت هسته‌های ترانسفورماتور

ساخت هسته ترانسفورماتور شامل انباشتن یا پیچاندن لایه های نازک فولاد مغناطیسی است. این لایه‌ها برای کاهش جریان‌های گردابی عایق‌بندی شده و برای تشکیل یک مدار مغناطیسی بسته مونتاژ می‌شوند.

برش دقیق، اتصالات پله ای و الگوهای بهینه انباشته معمولاً برای کاهش شکاف های هوا و به حداقل رساندن جریان مغناطیسی استفاده می شود. ساخت و ساز با کیفیت بالا به طور مستقیم کارایی را بهبود می بخشد و نویز شنیداری را کاهش می دهد.

ملاحظات طراحی هسته ترانسفورماتور نوع خشک

هسته های ترانسفورماتور نوع خشک به طور خاص طراحی شده اند تا بدون عایق مایع کار کنند. از آنجایی که سرمایش از طریق هوا یا تهویه اجباری حاصل می شود، هسته باید برای کاهش تلفات و تولید گرما بهینه شود.

هسته‌های نوع خشک اغلب از فولاد سیلیکونی دانه‌گرا یا آلیاژهای آمورف برای دستیابی به تلفات بدون بار کمتر استفاده می‌کنند. سفتی مکانیکی نیز برای کاهش لرزش و زمزمه قابل شنیدن بسیار مهم است.

مقایسه مواد هسته برای ترانسفورماتورهای نوع خشک

نویز، لرزش و طراحی هسته

نویز هسته ترانسفورماتور عمدتاً توسط مغناطیس انقباض ایجاد می شود که انبساط و انقباض جزئی مواد هسته با تغییر میدان مغناطیسی است. این ارتعاش می تواند یک زمزمه قابل شنیدن ایجاد کند.

هسته های ترانسفورماتور نوع خشک اغلب برای کاهش ارتعاش گیره و به دقت متصل می شوند. طراحی های پیشرفته اتصال هسته و فولاد با کیفیت بالا همچنین به به حداقل رساندن سطح سر و صدا در تاسیسات تجاری و مسکونی کمک می کند.

استانداردهای بهره وری انرژی و انتخاب هسته

بسیاری از کشورها استانداردهای سختگیرانه ای را برای کارایی انرژی برای ترانسفورماتورها اعمال می کنند که مستقیماً بر انتخاب مواد اصلی و طراحی تأثیر می گذارد. تلفات هسته کمتر به کاهش هزینه های عملیاتی و کاهش اثرات زیست محیطی تبدیل می شود.

انتخاب یک هسته ترانسفورماتور با راندمان بالا به ویژه برای ترانسفورماتورهای نوع خشک مورد استفاده در ساختمان ها، مراکز داده و تاسیسات صنعتی که به طور مداوم کار می کنند بسیار مهم است.

کاربرد هسته های ترانسفورماتور نوع خشک

هسته های ترانسفورماتور نوع خشک به طور گسترده در کاربردهایی استفاده می شوند که ایمنی، تمیزی و مقاومت در برابر آتش بسیار مهم هستند. اینها شامل ساختمان های تجاری، بیمارستان ها، مدارس و تاسیسات زیرزمینی است.

هسته‌های آن‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در محیط‌هایی که ممکن است ترانسفورماتورهای پر از روغن مناسب نباشند، به‌طور قابل اعتمادی کار کنند و ترانسفورماتورهای نوع خشک را به انتخابی ارجح برای مکان‌های داخلی و حساس تبدیل می‌کنند.

تعمیر و نگهداری و عملکرد بلند مدت هسته های ترانسفورماتور

هسته های ترانسفورماتور به طور کلی نیاز به حداقل تعمیر و نگهداری دارند، اما نصب و راه اندازی مناسب و کنترل محیطی ضروری است. گرد و غبار، رطوبت یا لرزش بیش از حد می تواند عملکرد هسته را در طول زمان کاهش دهد.

بازرسی های منظم، نظارت حرارتی، و بررسی نویز می تواند به شناسایی علائم اولیه مشکلات مربوط به هسته کمک کند، از عمر طولانی و عملکرد قابل اعتماد ترانسفورماتور اطمینان حاصل کند.

نحوه انتخاب هسته ترانسفورماتور مناسب

انتخاب هسته ترانسفورماتور مناسب شامل متعادل کردن راندمان، هزینه، اندازه و الزامات کاربردی است. برای ترانسفورماتورهای نوع خشک، مواد کم تلفات و طراحی مکانیکی قوی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

با درک انواع هسته، مواد و روش‌های ساخت، مهندسان و خریداران می‌توانند هسته‌های ترانسفورماتور را انتخاب کنند که عملکرد مطلوب، کاهش مصرف انرژی و قابلیت اطمینان طولانی‌مدت را ارائه دهد.