وظائف وتصنيف النوى المحولات

1. وظائف النوى المحولات

تعمل المحولات العملية دائمًا في ظل ظروف التيار المتردد (AC). لا يحدث فقدان الطاقة في مقاومة اللفات فحسب، بل أيضًا داخل قلب الحديد حيث يتم ممغنطه بواسطة التيار المتردد. يُشار إلى فقدان الطاقة في قلب الحديد عمومًا باسم 'الخسائر الأساسية'، والتي تنتج عن عاملين: فقدان التباطؤ وخسارة التيار الدوامي. يحدث فقدان التباطؤ أثناء عملية المغنطة بسبب التباطؤ المغناطيسي، ويتناسب حجمه مع المساحة المحاطة بحلقة التباطؤ الخاصة بالمادة. يحتوي فولاذ السيليكون على حلقة تباطؤ ضيقة. ولذلك، فإن استخدامه في قلوب المحولات يؤدي إلى انخفاض خسائر التباطؤ، مما يقلل بشكل كبير من توليد الحرارة.

بالنظر إلى هذه المزايا التي يتمتع بها فولاذ السيليكون، لماذا تتم معالجته إلى شرائح بدلاً من استخدامه ككتلة صلبة؟ وذلك لأن النوى المصفحة تساعد في تقليل نوع آخر من فقدان النواة: فقدان التيار الدوامي. أثناء التشغيل، يولد التيار المتردد في اللفات تدفقًا مغناطيسيًا متناوبًا، مما يؤدي إلى توليد تيارات داخل القلب الحديدي. تدور هذه التيارات المستحثة في مستويات متعامدة مع اتجاه التدفق المغناطيسي، وبالتالي تسمى التيارات الدوامية. تتسبب خسائر التيار الدوامي أيضًا في تسخين القلب. لتقليل هذه الخسائر، يتم تجميع قلب المحول من صفائح الفولاذ السليكونية المعزولة بشكل متبادل. وهذا يجبر التيارات الدوامة على التدفق عبر حلقات ضيقة وممدودة ذات مساحات مقطعية أصغر، وبالتالي زيادة المقاومة الكهربائية على طول مسارها. بالإضافة إلى ذلك، فإن محتوى السيليكون في الفولاذ يزيد من المقاومة الكهربائية للمادة، مما يقلل من التيارات الدوامية.

بالنسبة لقلب المحولات، عادةً ما يتم اختيار صفائح الفولاذ السليكونية المدرفلة على البارد بسمك 0.35 مم. واستنادًا إلى الأبعاد الأساسية المطلوبة، يتم تقطيعها إلى شرائح مستطيلة وتكديسها في أشكال 'EI' أو مربعة ('□'. من الناحية النظرية، لتقليل التيارات الدوامية، فإن الصفائح الرقيقة والشرائط الأضيق تؤدي إلى نتائج أفضل. وهذا لا يقلل فقط من خسائر التيار الدوامي وارتفاع درجة الحرارة ولكنه يوفر أيضًا المواد المصنوعة من السيليكون الصلب. ومع ذلك، في التصنيع العملي، يجب مراعاة عوامل أخرى. إن استخدام صفائح رفيعة أو ضيقة بشكل مفرط من شأنه أن يزيد بشكل كبير من ساعات العمل ويقلل من المقطع العرضي الفعال للقلب. لذلك، عند تصنيع قلوب المحولات من الفولاذ السيليكوني، يجب على المهندسين الموازنة بين الإيجابيات والسلبيات بناءً على ظروف محددة لاختيار الأبعاد المثالية.

تعتمد المحولات على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. يتم لف ملفين - ملف أولي ولف ثانوي - حول أطراف القلب الحديدية المغلقة. عندما يتم تطبيق جهد التيار المتردد على الملف الأولي، يتدفق تيار متناوب، مما يؤدي إلى إنشاء قوة دافعة مغناطيسية (MMF). تحت تأثير MMF هذا، يتم إنشاء تدفق مغناطيسي رئيسي متناوب داخل القلب. يمر هذا التدفق الرئيسي في نفس الوقت عبر كل من اللفات الأولية والثانوية. بسبب الحث الكهرومغناطيسي، تتولد القوى الدافعة الكهربائية (EMFs) في كلا الملفين. يمكن تفسير آلية زيادة الجهد أو خفضه من خلال قانون لينز: التدفق المغناطيسي الناتج عن التيار المستحث يعارض دائمًا التغيير في التدفق المغناطيسي الأصلي. عندما يزيد التدفق الأصلي، يعمل التدفق المستحث في الاتجاه المعاكس. هذا يعني أن التدفق المغناطيسي المستحث في الملف الثانوي يعارض التدفق الرئيسي الناتج عن الملف الأولي، مما يؤدي إلى تحويل جهد التيار المتردد عبر الملف الثانوي. وبالتالي، فإن القلب الحديدي يعمل بمثابة الدائرة المغناطيسية للمحول، بينما تشكل اللفات دائرته الكهربائية.

2. تصنيف الهياكل الأساسية للمحولات

النوى الحديدية من نوع الصدفة ونوع اللب يُطلق على
جزء اللب الحديدي الذي يحتوي على اللفات اسم 'الطرف الأساسي'، في حين أن الجزء الذي لا يحتوي على اللفات ويعمل فقط كمسار مغناطيسي يسمى 'النير'. إذا كان اللب الحديدي يحيط باللفات، فإنه يطلق عليه نواة من نوع الصدفة؛ إذا كانت اللفات تحيط بأطراف القلب، يطلق عليها اسم قلب من النوع الأساسي. وفي حين يتمتع كلاهما بخصائص مميزة، فإن عمليات التصنيع التي تمليها تصاميمهما الهيكلية تختلف بشكل كبير، مما يجعل من الصعب التبديل بينهما بمجرد اختيارهما. في الصين، تستخدم معظم نوى المحولات البنية الأساسية المكدسة.

يستخدم فولاذ السيليكون بشكل شائع في المحولات ذات التردد المنخفض. بناءً على عمليات التصنيع، يتم تقسيمها إلى:
أ. الملدنة (الصفائح السوداء)
ن. غير الملدنة (الصفائح البيضاء)

بناءً على الشكل، يتم تصنيفها إلى أنواع من النوع EI ونوع واجهة المستخدم والنوع C والأنواع المربعة (□).

• النوع المربع (□): غالبًا ما يستخدم في المحولات عالية الطاقة، فهو يوفر عزلًا ممتازًا وتبديدًا سهلًا للحرارة ومسارًا مغناطيسيًا قصيرًا. وهي تستخدم في المقام الأول للمحولات ذات التصنيف الأعلى من 500 إلى 1000 واط.

• نوع القرص المضغوط: يتكون من صفحتين من صفائح السيليكون الفولاذية من النوع C. بالنسبة للمحولات من النوع المضغوط ذات مساحات مقطعية متطابقة، فإن ارتفاع النافذة الأطول يعادل سعة طاقة أكبر. نظرًا لأنه يمكن تركيب الملفات على جانبي القلب، فيمكن توزيع إجمالي عدد اللفات عبر بكرتين. يؤدي ذلك إلى تقليل متوسط ​​طول الدورة لكل بكرة، مما يقلل من فقد النحاس. علاوة على ذلك، فإن وضع ملفات متماثلة على بكرات منفصلة يحقق التماثل المثالي.

• نوع ED: يتكون من أربع صفائح فولاذية من السيليكون من النوع C، وتتميز المحولات من النوع ED بمظهر مسطح وواسع. وتحت نفس تصنيف الطاقة، فهي أقصر ولكنها أعرض من أنواع الأقراص المضغوطة. ونظرًا لأن الملفات مثبتة في وسط فولاذ السيليكون بمسار مغناطيسي خارجي، فإن تدفق التسرب والتداخل الإجمالي يكون في حده الأدنى. ومع ذلك، نظرًا لأن جميع الملفات يتم لفها على بكرة واحدة سميكة، فإن متوسط ​​طول الدورة يكون أطول، مما يؤدي إلى فقدان نحاس أعلى.

• النوع C: المحولات المصنوعة من النوى من النوع C مدمجة وخفيفة الوزن وعالية الكفاءة. من منظور التجميع، تكون مكونات النوع C قليلة ومتعددة الاستخدامات، مما يؤدي إلى كفاءة إنتاج عالية. ومع ذلك، فإن معالجة فولاذ السيليكون من النوع C تتضمن العديد من الخطوات المعقدة وتتطلب معدات متخصصة، مما يجعلها أكثر تكلفة حاليًا.

• النوع E (نوع الغلاف / نوع EI): ميزته الرئيسية هي أن الملفات الأولية والثانوية تشترك في بكرة مشتركة، مما يؤدي إلى عامل مساحة نافذة عالية (نسبة مساحة المقطع العرضي الصافي للسلك النحاسي إلى منطقة النافذة). يشكل الفولاذ السيليكوني غلافًا واقيًا حول اللفات، مما يمنع الضرر الميكانيكي. كما أنها توفر مساحة كبيرة لتبديد الحرارة ومجالات مغناطيسية شاردة منخفضة. ومع ذلك، فهو يعاني من ارتفاع محاثة التسرب وقابلية أكبر للتداخل المغناطيسي الخارجي. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لمتوسط ​​محيط اللفات الأطول، تتطلب المحولات من النوع EI المزيد من الأسلاك النحاسية لنفس عدد اللفات والمقطع العرضي الأساسي.

السُمك وطرق التراص:
سُمك فولاذ السيليكون الشائع هو 0.35 مم و0.5 مم. تتضمن طرق التجميع التراص المتداخل والتراص المؤخر. يقوم التراص المتداخل بتبديل الأطراف المفتوحة للأوراق على الجوانب المتقابلة. على الرغم من أنها مملة، إلا أنها تقلل من فجوات الهواء والمقاومة المغناطيسية، مما يزيد من التدفق المغناطيسي، مما يجعلها مثالية لمحولات الطاقة. يؤدي التراص إلى وضع الأوراق الإلكترونية والأوراق على شكل حرف I على الجانبين المتقابلين، مما يترك فجوة هوائية (يتم ضبطها عبر إدخالات الورق) لمنع التشبع الناتج عن التيار المباشر (DC).

3. أنواع الملفات
يتم تقسيم الملفات/القلب إلى ثلاث فئات:
أ. قلب حلقي: يتم تجميعه من صفائح على شكل O أو ملفوف من شرائح فولاذية من السيليكون. اللف يمثل تحديًا كبيرًا لهذا النوع.
ب. رود كور.
ج. طبل الأساسية.

3. تصنيف المواد الأساسية للمحولات

1. فئة التردد العالي: نوى مسحوق الحديد ونواة الفريت
تستخدم نوى الفريت في المحولات عالية التردد. وهي عبارة عن مواد خزفية ذات بنية بلورية من الإسبنيل، وتتكون من أكسيد الحديد ومركبات معدنية ثنائية التكافؤ أخرى (على سبيل المثال، kFe₂O₄، حيث يمثل 'k' معادن مثل المنغنيز (Mn)، الزنك (Zn)، النيكل (Ni)، المغنيسيوم (Mg)، أو النحاس (Cu)).
تتضمن المجموعات الشائعة سلسلة MnZn وNiZn وMgZn. تمتلك هذه المواد نفاذية ومقاومة عالية، وتعمل بفعالية من 1 كيلو هرتز إلى أكثر من 200 كيلو هرتز.

• نطاق التردد الأساسي للفريت: 18 كيلو هرتز ~ 1 ميجا هرتز وما فوق.

2. فئة التردد المنخفض: فولاذ السيليكون والسبائك غير المتبلورة

• نطاق التردد الأساسي من السيليكون الصلب: 5 هرتز ~ 1 كيلو هرتز. تعمل المحولات الفولاذية المصنوعة من السيليكون القياسية عادةً عند 50 هرتز. في حين أن الترددات الأعلى يمكن أن تحسن الكفاءة اعتمادًا على تصنيف غاوس لفولاذ السيليكون، فإن التطبيقات الصوتية التي تتجاوز 20 كيلو هرتز غير عملية. النطاق الموصى به هو 50-60 هرتز، على الرغم من أنها يمكن أن تعمل بشكل طبيعي بين 50-200 هرتز.

• نطاق التردد الأساسي غير المتبلور: 2 كيلو هرتز ~ 13 كيلو هرتز.