طراحی هسته ترانسفورماتور چگونه بر اتلاف انرژی و بهره وری تأثیر می گذارد؟

در سیستم های قدرت مدرن، ترانسفورماتورها تجهیزات کلیدی در فرآیند انتقال و توزیع نیرو هستند و عملکرد آنها مستقیماً با سطح بهره وری انرژی کل سیستم مرتبط است. در میان بسیاری از عوامل تعیین کننده، طراحی هسته آهنی بدون شک یکی از پیوندهای هسته ای است که بر راندمان و مصرف انرژی ترانسفورماتور تأثیر می گذارد.
1. نقش هسته آهنی در ترانسفورماتور
اصل کار ترانسفورماتور القای الکترومغناطیسی است و هسته آهنی "پل واسطه" در این فرآیند است. هنگامی که جریان AC از سیم پیچ اولیه عبور می کند، یک شار مغناطیسی متناوب در هسته آهنی ایجاد می شود و در نتیجه ولتاژی را در سیم پیچ ثانویه القا می کند. خواص مغناطیسی هسته آهنی مستقیماً بر راندمان انتقال شار مغناطیسی تأثیر می گذارد که بر عملکرد کلی بازده انرژی ترانسفورماتور نیز تأثیر می گذارد.

2. تاثیر طراحی هسته آهنی بر مصرف انرژی
مصرف انرژی ترانسفورماتور عمدتاً از دو بخش تشکیل شده است: تلفات مس (ناشی از مقاومت سیم پیچ) و اتلاف آهن (ناشی از تغییر میدان مغناطیسی درون هسته آهنی). طراحی هسته تاثیر ویژه ای بر دومی دارد. از دست دادن آهن شامل دو شکل اصلی است:

1. از دست دادن جریان گردابی
هنگامی که میدان مغناطیسی متناوب از هسته آهنی عبور می کند، یک جریان دایره ای، یعنی "جریان گردابی" به فلز القا می شود که انرژی گرمایی تولید می کند و باعث اتلاف انرژی می شود. کاهش جریان گردابی به ضخامت و هدایت هسته آهنی مربوط می شود. استفاده از ورق های فولادی سیلیکونی نازک تر یا مواد آمورف و انجام عملیات پوشش عایق می تواند به طور موثری تشکیل جریان های گردابی را سرکوب کرده و این قسمت از تلفات را کاهش دهد.

2. از دست دادن هیسترزیس
با توجه به "پدیده پسماند" مواد فرومغناطیسی در طول مغناطش و مغناطیس زدایی، هر تغییر در شار مغناطیسی مقداری انرژی مصرف می کند. از دست دادن هیسترزیس ارتباط نزدیکی با نفوذپذیری مغناطیسی، نیروی اجباری و سایر خواص مواد هسته آهن دارد. فولاد سیلیکونی با کیفیت بالا یا مواد آمورف دارای حلقه‌های پسماند باریک‌تر هستند و در نتیجه اتلاف انرژی را کاهش می‌دهند.

3. تاثیر طراحی هسته آهنی بر کارایی
یک هسته آهنی با طراحی خوب نه تنها می تواند اتلاف انرژی را کاهش دهد، بلکه کارایی و قابلیت اطمینان کلی ترانسفورماتور را نیز بهبود می بخشد. عملکرد خاص به شرح زیر است:

1. انتخاب مواد
مواد هسته متداول عبارتند از فولاد سیلیکونی دانه گرا با نورد سرد (CRGO)، فولاد سیلیکونی نورد گرم، آلیاژهای آمورف و غیره. در این میان، آلیاژهای آمورف به دلیل نظم اتمی نامنظم و تلفات مغناطیسی بسیار کم، به طور گسترده در ترانسفورماتورهای صرفه جویی در انرژی استفاده می شوند. انتخاب مواد به طور مستقیم بر پارامترهای کلیدی مانند نفوذپذیری مغناطیسی، مقدار تلفات و چگالی شار اشباع تأثیر می گذارد.

2. ساختار هسته
هسته عمدتاً دارای دو نوع است: نوع چند لایه (ساختار چند لایه) و نوع زخمی (مانند هسته آمورف). نوع لمینت از چندین لایه ورق فولادی نازک عایق بندی شده و انباشته شده ساخته شده است که به کاهش تلفات جریان گردابی کمک می کند. هسته زخم دارای تداوم، مدار مغناطیسی صاف تر و اتلاف انرژی کمتری است.

3. اندازه و شکل هسته
اندازه هسته معقول و طراحی شکل مقطع می تواند پدیده اشباع موضعی ناشی از توزیع ناهموار چگالی شار مغناطیسی را کاهش دهد، در نتیجه تلفات موضعی را کاهش داده و عمر تجهیزات را افزایش می دهد. هسته با سطح مقطع دایره ای یا بیضی دارای توزیع شار مغناطیسی یکنواخت تر و تلفات کمتری است.

4. روند بهینه سازی در کاربردهای عملی
استفاده از مواد آمورف: در مقایسه با فولاد سیلیکونی سنتی، هسته های آمورف در شرایط بار کم تلفات کمتری دارند و برای سناریوهای صرفه جویی در انرژی مانند ترانسفورماتورهای توزیع و سیستم های انرژی خورشیدی مناسب هستند.

بهبود دقت پردازش: اصلاح فرآیندهای برش هسته، انباشته شدن و سیم پیچی می تواند شکاف های هوا را کاهش دهد، تداوم مدار مغناطیسی را بهبود بخشد و نشت انرژی را کاهش دهد.

طراحی ساختار سه فاز پنج ستونی یا حلقه ای را بپذیرید: در مقایسه با هسته های سنتی نوع E یا نوع U، برخی از ساختارهای جدید ویژگی های توزیع شار مغناطیسی بهتری دارند و کارایی را بهبود می بخشند.

معرفی طراحی شبیه سازی المان محدود: در طراحی ترانسفورماتور مدرن، نرم افزار شبیه سازی به طور گسترده ای برای تجزیه و تحلیل دقیق شکل و خواص الکترومغناطیسی هسته به منظور بهینه سازی بیشتر عملکرد مصرف انرژی استفاده می شود.

هسته ترانسفورماتور طراحی تنها در مورد انتخاب مواد نیست، بلکه بازتابی جامع از تطبیق ساختار، فرآیند و سیستم است. یک طراحی هسته کارآمد می تواند به طور قابل توجهی تلفات آهن را کاهش دهد و بازده انرژی کلی را بهبود بخشد، در نتیجه باعث کاهش اتلاف انرژی، افزایش عمر تجهیزات و کاهش هزینه های عملیاتی می شود. امروزه که بی طرفی کربن و انرژی سبز به طور فزاینده ای ارزش گذاری می شود، بهینه سازی طراحی هسته ترانسفورماتور به بخش مهمی از ترویج توسعه پایدار سیستم های قدرت تبدیل شده است.