چگونه طراحی یک هسته ترانسفورماتور غوطه ور در روغن بر عملکرد الکتریکی تأثیر می گذارد؟

ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن سنگ بنای سیستم‌های برق مدرن هستند که به‌عنوان دستگاه‌های حیاتی برای تنظیم ولتاژ، توزیع برق و بهره‌وری انرژی عمل می‌کنند. در قلب این ترانسفورماتورها هسته ترانسفورماتور قرار دارد، یک جزء با دقت مهندسی شده که به طور قابل توجهی بر عملکرد کلی الکتریکی تأثیر می گذارد. در ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن، طراحی هسته مستقیماً بر پارامترهایی مانند راندمان، کاهش تلفات، تنظیم ولتاژ، سطوح نویز و مدیریت حرارتی تأثیر می‌گذارد. درک ارتباط بین طراحی هسته و عملکرد الکتریکی هم برای مهندسان و هم برای اپراتورهای تاسیساتی که به دنبال عملکرد بهینه ترانسفورماتور هستند ضروری است.

1. درک هسته ترانسفورماتور غوطه ور در روغن

را هسته ترانسفورماتور به عنوان یک مدار مغناطیسی عمل می کند که شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان متناوب (AC) در سیم پیچ اولیه را به سیم پیچ ثانویه هدایت می کند. در ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن، هسته در روغن ترانسفورماتور غوطه‌ور می‌شود، که هم به عنوان خنک‌کننده و هم به عنوان محیط عایق عمل می‌کند. طراحی هسته – هندسه، مواد و ساختار آن – بر خواص مغناطیسی و در نتیجه راندمان و عملکرد ترانسفورماتور تأثیر می گذارد.

عملکردهای کلیدی هسته ترانسفورماتور عبارتند از:

• هدایت شار مغناطیسی: به طور موثر شار مغناطیسی را بین سیم پیچ ها کانال می کند تا اتلاف انرژی را به حداقل برساند.
• به حداقل رساندن تلفات هیسترزیس و جریان گردابی: طراحی بهینه تلفات داخلی ناشی از میدان های مغناطیسی متناوب را کاهش می دهد.
• حمایت از یکپارچگی سازه: یک چارچوب پایدار برای سیم پیچ و عایق فراهم می کند.

2. مواد هسته و تأثیر آنها بر عملکرد الکتریکی

انتخاب مواد یک جنبه حیاتی در طراحی هسته ترانسفورماتور است. هسته های با کارایی بالا از لایه های فولادی سیلیکونی یا آلیاژهای فلزی آمورف استفاده می کنند که بر راندمان، تلفات و پایداری عملیاتی تأثیر می گذارد.

الف فولاد سیلیکونی دانه گرا

• متداول ترین مواد مورد استفاده در هسته های ترانسفورماتور غوطه ور در روغن.
• جهت گیری دانه ساختار کریستالی را با جهت شار مغناطیسی تراز می کند و تلفات هیسترزیس را به حداقل می رساند.
• ضخامت لمینیت (معمولاً 0.23-0.35 میلی متر) تلفات جریان گردابی را کاهش می دهد که متناسب با مربع ضخامت لمینیت است.
• تأثیر عملکرد الکتریکی: تلفات کمتر منجر به راندمان بالاتر، کاهش تولید گرما و بهبود تنظیم ولتاژ می شود.

ب فولاد آمورف

• فولاد غیر کریستالی با حداقل ساختار دانه.
• تلفات هسته بسیار کم را در مقایسه با فولاد سیلیکونی معمولی فراهم می کند.
• ایده آل برای ترانسفورماتورهای با راندمان بالا، به ویژه در مناطقی که مقررات صرفه جویی در مصرف انرژی دارند.
• تأثیر عملکرد الکتریکی: تلفات بدون بار را به طور قابل توجهی کاهش می دهد و راندمان کلی ترانسفورماتور را افزایش می دهد.

ج عایق هسته

• پوشش لمینیت ها با لاک عایق از ایجاد جریان گردابی بین لمینیت ها جلوگیری می کند.
• تلفات هسته کم را حفظ می کند و به پایداری حرارتی و طول عمر طولانی ترانسفورماتور کمک می کند.

3. تکنیک های ساخت و ساز هسته

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

الف انواع هسته

1. ترانسفورماتورهای نوع هسته

   • را windings are placed around the vertical legs of the core.
   • راکتانس نشتی کم و توزیع شار مغناطیسی خوب را ارائه می دهد.
   • معمولا در ترانسفورماتورهای فشار متوسط ​​و بالا استفاده می شود.

2. ترانسفورماتورهای نوع پوسته

   • سیم پیچ ها در داخل هسته محصور شده اند که استحکام اتصال کوتاه بهتری را فراهم می کند.
   • شار سرگردان را کاهش می دهد و استحکام مکانیکی را بهبود می بخشد.
   • اغلب برای ترانسفورماتورهای قدرت در کاربردهای صنعتی استفاده می شود.

ب مفاصل استپ-لپ و میترد

• لمینیت ها در همپوشانی های زاویه دار به هم متصل می شوند تا نشت شار در گوشه ها کاهش یابد.
• ساخت و ساز پله ای انتقال شار صاف را تضمین می کند، اشباع موضعی و تلفات مرتبط را به حداقل می رساند.
• تاثیر عملکرد الکتریکی: نقاط داغ را کاهش می دهد، کارایی را بهبود می بخشد و قابلیت حمل بار را افزایش می دهد.

ج انباشته لمینیت

• چیدمان مناسب لایه های نازک برای به حداقل رساندن جریان های گردابی بسیار مهم است.
• انباشته شدن تصادفی یا نامناسب می تواند غلظت شار موضعی ایجاد کند، تلفات و تولید گرما را افزایش دهد.
• انباشته شدن کنترل شده همچنین بر نویز صوتی تأثیر می گذارد، زیرا ارتعاش تحت تأثیر نیروهای مغناطیسی درون هسته قرار می گیرد.

4. هندسه هسته و تأثیر آن بر پارامترهای الکتریکی

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

الف سطح مقطع

• سطح مقطع بزرگتر چگالی شار مغناطیسی را کاهش می دهد و از اشباع هسته در بارهای بالا جلوگیری می کند.
• اندازه مناسب تضمین می کند که ترانسفورماتور می تواند بدون گرم شدن بیش از حد کارآمد عمل کند.
• تأثیر عملکرد الکتریکی: تلفات هیسترزیس را کاهش می دهد و تنظیم ولتاژ را بهبود می بخشد.

ب طراحی پنجره

• را central space where windings are placed is known as the window.
• ابعاد بهینه پنجره، عایق کافی را تضمین می‌کند، امکان چرخش سیم پیچ کافی را فراهم می‌کند و اندوکتانس نشتی پایین را حفظ می‌کند.
• تاثیر عملکرد الکتریکی: انتقال انرژی کارآمد بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه، کاهش افت ولتاژ.

ج طول هسته و نسبت پا

• را length of the core limbs and the ratio between yoke and leg length affect magnetic flux distribution.
• توزیع شار یکنواخت از اشباع موضعی جلوگیری می کند، که می تواند باعث گرم شدن بیش از حد و افزایش تلفات بدون بار شود.

5. تأثیر طراحی هسته بر خنک سازی ترانسفورماتور

در ترانسفورماتورهای غوطه ور در روغن، هسته با سیستم خنک کننده تعامل دارد. سطح هسته، جهت گیری و قرارگیری درون مخزن بر گردش روغن و اتلاف گرما تأثیر می گذارد.

• گردش روغن: طراحی مناسب هسته به روغن ترانسفورماتور اجازه می دهد تا آزادانه جریان یابد و گرمای تولید شده توسط تلفات هسته را از بین ببرد.
• راrmal Hot Spots: Step-lap or mitered joints prevent local concentration of magnetic flux, reducing temperature peaks.
• تأثیر بر عملکرد الکتریکی: خنک کننده کارآمد یکپارچگی عایق را حفظ می کند، خطر خرابی دی الکتریک را کاهش می دهد و عملکرد طولانی مدت قابل اعتماد را تضمین می کند.

6. ملاحظات عملکرد الکتریکی

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

الف کارایی

• تلفات هسته (هیسترزیس و تلفات جریان گردابی) به طور مستقیم با مواد هسته، لایه لایه و هندسه مرتبط است.
• هسته هایی که به خوبی طراحی شده اند تلفات بدون بار را کاهش می دهند و راندمان ترانسفورماتور را به ویژه در شرایط بار جزئی بهبود می بخشند.

ب تنظیم ولتاژ

• شار نشتی، که به ترتیب هسته و سیم پیچ بستگی دارد، بر افت ولتاژ تحت بار تأثیر می گذارد.
• طراحی هسته بهینه شده حداقل شار نشتی و تنظیم ولتاژ بهبود یافته را تضمین می کند و ولتاژ خروجی ثابتی را ارائه می دهد.

ج قدرت اتصال کوتاه

• هسته های پوسته ای یا ساختارهای هسته تقویت شده انعطاف مکانیکی را بهبود می بخشند.
• طراحی مناسب جابجایی سیم پیچ را در طول رویدادهای اتصال کوتاه به حداقل می رساند و عملکرد قابل اعتماد را تضمین می کند.

د نویز آکوستیک

• ارتعاشات ناشی از شار مغناطیسی متناوب باعث ایجاد زمزمه شنیداری می شود.
• لمینیت های هسته و طراحی مفصل می توانند نویز را کاهش داده و راحتی عملیاتی را به ویژه در محیط های شهری افزایش دهند.

7. نوآوری در طراحی هسته ترانسفورماتور

ترانسفورماتورهای مدرن غوطه ور در روغن از طرح های پیشرفته هسته ای برای بهبود عملکرد بیشتر استفاده می کنند:

• هسته های فلزی آمورف: تلفات انرژی را به میزان قابل توجهی در ترانسفورماتورهای توزیع کاهش می دهد.
• لمینیت های بهینه شده: از لمینت های برش لیزری یا برش CNC برای تراز دقیق و کاهش نشتی شار استفاده کنید.
• ورقه های کامپوزیتی: ترکیب مواد برای متعادل کردن هزینه، کارایی و عملکرد حرارتی.
• تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA): شبیه سازی پیشرفته برای هندسه هسته بهینه، تضمین حداقل تلفات و توزیع شار یکنواخت.

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

8. نتیجه گیری

را 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.

هسته های با کیفیت بالا ساخته شده از فولاد سیلیکونی دانه دار یا آلیاژهای آمورف، همراه با تکنیک های ساخت و ساز بهینه مانند اتصالات پله ای و انباشته لمینیت دقیق، تلفات را به حداقل می رساند، کارایی را بهبود می بخشد و دوام را افزایش می دهد. هسته هایی که به درستی طراحی شده اند همچنین نویز را کاهش می دهند، از گرمایش موضعی جلوگیری می کنند و خروجی ولتاژ پایدار را حفظ می کنند، که هم برای کاربردهای صنعتی و هم برای کاربردهای صنعتی ضروری است.

همانطور که بهره وری انرژی و قابلیت اطمینان در سیستم های قدرت مدرن اهمیت فزاینده ای پیدا می کند، طراحی هسته های ترانسفورماتور غوطه ور در روغن به تکامل خود ادامه خواهد داد و مواد جدید، هندسه های نوآورانه و تکنیک های ساخت دقیق را برای پاسخگویی به نیازهای آینده ترکیب می کند. درک رابطه حیاتی بین طراحی هسته و عملکرد الکتریکی برای مهندسان، سازندگان و اپراتورهایی که به دنبال عملکرد بهینه ترانسفورماتور و طول عمر هستند ضروری است.