تطبيق محول التوزيع المصنوع من سبيكة غير بلورية في نظام تزويد الطاقة لمترو

في السنوات الأخيرة، مع التطور السريع لحجم النقل الحضري بالسكك الحديدية في الصين، ازدادت الحمل الكهربائي والإضاءة للمترو بشكل سريع، وأصبحت مشكلة استهلاك الطاقة من خسائر المحولات التوزيعية ذاتية الظهور بارزة بشكل متزايد. في ظل دعوة الدولة للحفاظ على الطاقة والبيئة، أصبحت محولات اللب غير البلوري، التي تستخدم شرائط سبائك غير بلورية ذات مغناطيسية ممتازة كمادة موصلة للمغناطيسية، واحدة من اتجاهات تطوير محولات توفير الطاقة بسبب تحقيقها لخسائر فارغة وتيارات فارغة نسبية منخفضة. مستندة إلى خط المترو رقم 14 في بكين، تبدأ هذه الورقة بمبادئ وأشكال الهيكل والخصائص الفنية لمحولات التوزيع الجافة ذات اللب غير البلوري (وستُشار إليها فيما بعد باسم "محولات جافة غير بلورية")، وتقوم بإعطاء وصف موجز لنتائج التطبيق على الأرض، وتقدم اقتراحات ذات صلة للتشغيل طويل الأمد، بهدف تقديم مراجع وتجارب لاختيار وتطبيق محولات التوزيع في المترو.
الهيكل ومبدأ العمل لمحولات الجافة غير البلورية
هيكل محولات الجافة غير البلورية
تختار محولات التوزيع غير البلورية سبيكة غير بلورية ذات خصائص مغناطيسية ناعمة كمادة اللب. لها كثافة مغناطيسية تشبع عالية وخسائر قليلة جداً وتيار تحفيز منخفض وكثافة قسرية منخفضة، وهي محول توفير الطاقة والصديق للبيئة ذو استقرار جيد. تجمع محولات الجافة غير البلورية بين خصائص محولات الجافة المصبوبة بالإبوكسي مثل محتوى الهالوجين المنخفض والمقاومة لإشعال النار وإنتاج الدخان القليل والقدرة على إطفاء نفسها، والمزايا ذات الخسائر القليلة لشرائط السبائك غير البلورية، مما يسمح لها بتحقيق احتياجات البيئات العامة مثل المترو بشكل أفضل.

شرائط السبائك غير البلورية هي نوع من المواد الموصلة للمغناطيسية الرقيقة (بسمك حوالي 0.03 مم) والقابلة للكسر. لذلك، من المعقول تصميمها في بنية لب ملفوف. حاليا، تنقسم بنية محولات الجافة غير البلورية المصبوبة بالإبوكسي إلى نوعين رئيسيين، وهما: البنية ثلاثية الأطراف الثلاثية الأطراف والبنية ثلاثية الأطراف الخماسية الأطراف، كما هو موضح في الشكل 1. يتم تكوين لب البنية الخماسية الأطراف من خلال الجمع بين أربعة أطراف، كما هو موضح في الشكل 2 أ؛ يتم تكوين لب البنية الثلاثية الأطراف من خلال الجمع بين ثلاثة أطراف، كما هو موضح في الشكل 2 ب. بما أن مقطع اللب لمحولات السبائك غير البلورية مستطيل، فإن الملفات الضاغطة والعالية عادة ما يتم تصميمها في بنية مستطيلة ذات زوايا مدورة. أيضا، لأن كثافة تدفق المغناطيسية ومعامل التراص للب غير البلوري أقل من تلك الخاصة بألواح السيليكون، فإن حجم اللب غير البلوري أكبر بكثير من حجم لب ألواح السيليكون بنفس السعة.تستخدم محولات الجافة غير البلورية على خط مترو معين تصميماً للب ثلاثي الأطراف خماسي الأطراف، والذي يتمتع بمزايا التبريد الجيد والهيكل العام المدمج والحجم النسبي الصغير.

مبدأ عمل محولات الجافة غير البلورية

البلورات لمادة اللب غير البلورية، السيليكون، أكثر ملاءمة للتغذية بالمغناطيسية والتنميل بسبب بنائها وخصائصها. تحتوي السبيكة غير البلورية النموذجية على حوالي 80% من الحديد، مع وجود مكونات رئيسية أخرى مثل السيليكون والبورون. أظهرت العديد من الاختبارات أن درجة حرارة التبلور للسبائك غير البلورية هي 550°C وأن درجة الحرارة الكوري هي حوالي 415°C. يمكن لهذه درجات الحرارة أن تلبي متطلبات معالجة السبيكة غير البلورية والتلدين بعد تشكيل اللب ودرجة الحرارة العادية أثناء التشغيل ودرجة الحرارة الثابتة الحرارية أثناء القصر، وبالتالي لا توجد مشاكل في تطبيق محولات الجافة غير البلورية.

مستخدماً محول توزيع غير بلوري ثلاثي الأطراف بأربعة أطراف وخمسة أطراف كمثال، بما أن كل ملف يتم تغليفه حول إطارين لهما دوائر مغناطيسية مستقلة، فإن تدفق المغناطيسية لكل إطار يتكون من تدفق الموجة الأساسية وبعض تدفق التوافقي الثالث. نسبة التوافقي الثالث إلى الموجة الأساسية تعتمد على الكثافة المغناطيسية المحددة. ولكن، فإن تدفقات التوافقي الثالث في الإطارين للملف الواحد تكون معاكسة في الطور ومتساوية في القيمة. بالتالي، يكون متجه تدفق التوافقي الثالث لكل ملف صفر. عندما يتم توصيل الملف الضاغط في تكوين دلتا (D)، يوجد مسار للتيار التوافقي الثالث في الملف. نتيجة لذلك، لا يوجد عادة أي مكون للجهد التوافقي الثالث في شكل الموجة للجهد الثانوي المستحث. ومع ذلك، لا يزال خسارة الفارغ لكل إطار تتأثر بالتيار التوافقي الثالث داخل ذلك الإطار. يمكن أن توفر الجانبين من هذا الهيكل مساراً للمكون الصفر أو التوافقي العالي في تدفق المغناطيسية.

الخصائص الفنية الرئيسية لمحولات الجافة غير البلورية
خصائص محولات الجافة غير البلورية

شرائط السبائك غير البلورية حساسة للغاية للضغط. مرة واحدة تتعرض للتلف، لا يمكن استعادتها. لذلك، خلال عملية التصنيع، يجب ضمان النقاط التالية: أولاً، يتحمل اللب فقط وزنه الخاص، ويتم دعم وزن الملفات الضاغطة والمرتفعة بواسطة مكونات الصلب مثل القاعدة والأجزاء العليا والسفلية الضاغطة. ثانياً، يتم تحسين قدرة تحمل القصر من خلال تصميم الهيكل المحسن.

الملفات ذات الشكل المستطيل لمحولات الجافة غير البلورية ليست مقاومة للضغط بشكل موحد مثل الملفات الدائرية. عند تحمل المحول للتيار القصير، يكون الاتجاه الطويل أكثر عرضة للتشوه. في الإنتاج الفعلي، يتم تشكيل الملفات الضاغطة من أسلاك ذات بنية صلبة مصبوبة بالإبوكسي ومثبتة في طبقة الإبوكسي. أثبتت الحسابات الديناميكية والحرارية والمحاكاة العملية أن الملفات الضاغطة يمكنها تحمل القوة الكهروديناميكية أثناء القصر.

غالباً ما يتم تشكيل الملفات الضاغطة من أشرطة النحاس ولديها بنية نهاية مغلقة بالإبوكسي الحراري، مع صلابة أقل قليلاً. فهي عرضة للتشوه أثناء القصر، مما يسبب ضغطاً على الشرائط غير البلورية. لذلك، خلال عملية التصميم، يجب تجنب نسبة كبيرة بين المحاور الطويلة والقصيرة للملفات الضاغطة. بالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية التجميع، يجب وضع فواصل داعمة بين اللب والملفات الضاغطة لتقوية قدرة تحمل القصر.

يأتي ضوضاء المحول بشكل رئيسي من التقلص المغناطيسي لللب. التقلص المغناطيسي للسبائك غير البلورية أعلى بنسبة حوالي 10% من أوراق السيليكون. من خلال مقارنة المعايير الوطنية "JB/T 10088 - 2004 مستويات الصوت لمحولات الطاقة من 6 كيلوفولت إلى 500 كيلوفولت" و "GB/T 22072 - 2008 المعلمات الفنية والمتطلبات لمحولات التوزيع الجافة ذات اللب غير البلوري"، يمكن رؤية أن متطلبات الضوضاء لمحولات التوزيع الجافة ذات اللب غير البلوري في المعايير الوطنية هي نفسها بالنسبة لمحولات التوزيع ذات اللب من أوراق السيليكون.

هذا يزيد من صعوبة تصنيع محولات الجافة غير البلورية. ومع ذلك، من خلال تصميم الهيكل لمحولات الجافة غير البلورية بشكل مناسب، لا يزال من الممكن السيطرة على الضوضاء ضمن نطاق المعايير الوطنية. الكثافة المغناطيسية هي عاملاً مهمًا يؤثر على ضوضاء محولات الجافة غير البلورية.

مع زيادة 0.05 تسلا في الكثافة المغناطيسية، يزيد الضجيج الفارغ بمقدار حوالي 2 ديسيبل(أ) ويزداد ضجيج المحول بمقدار 5 ديسيبل(أ)[1]. لذا، يجب اختيار الكثافة المغناطيسية لمحولات الجافة غير البلورية بشكل مناسب لتحقيق تقليل الضجيج. في الظروف العادية، تكون الكثافة المغناطيسية أقل من 1.25 تسلا كافية لمحولات الجافة غير البلورية.

ومع ذلك، مع الأخذ في الاعتبار حالة كثافة الركاب العالية في المترو، يجب أن يكون مستوى الضجيج أقل، ويتم عادة اختيار الكثافة المغناطيسية أقل من 1.2 تسلا. بالإضافة إلى ذلك، يحتاج الضجيج لمحولات الجافة غير البلورية إلى كبحه من خلال تحسين الهيكل. على سبيل المثال، يجب ترك مساحة مناسبة في الإطار المكون من اللب والأجزاء الضاغطة لتجنب الضغط الزائد على اللب وتحكم في زيادة اهتزاز اللب. يجب أيضًا وضع مواد امتصاص الصوت بين اللب والإطار لتقليل الضجيج بشكل فعال.

خلال النقل والتركيب، يجب التعامل مع محولات الجافة غير البلورية بدقة وفقًا للتعليمات والإجراءات التشغيلية لتجنب حالات تعرض اللب للضغط أو الصدمات.

تحليل الأداء الاقتصادي لمحولات الجافة غير البلورية

لدى محولات الجافة غير البلورية آثار واضحة في توفير الطاقة. يتم هنا إجراء تحليل اقتصادي لمحولات الجافة غير البلورية من نوع SCBH15 ومحولات التوزيع من نوع SCB10 بأوراق السيليكون بسعات مختلفة. يتم المقارنة من حيث قيمة المواد غير البلورية وأوراق السيليكون، ووفورات تكلفة الكهرباء السنوية، وعدد السنوات اللازمة لاسترداد التكلفة الإضافية، ووفرات التكلفة، كما هو موضح في الجدول 1.

يمكن رؤية من الجدول 1 أن لدى محولات الجافة غير البلورية مزايا أكثر في توفير الطاقة مقارنة بمحولات السيليكون التقليدية. عند ترجمة ذلك إلى تكاليف التشغيل، فهو ملحوظ للغاية. أقصى عدد من السنوات اللازمة لاسترداد التكلفة الإضافية هو فقط 5 سنوات، مما يظهر آفاق تطبيق كبيرة.

تطبيق وتأثير محولات الجافة غير البلورية في المترو
تطبيق محولات الجافة غير البلورية في المترو

من خلال شرح الهيكل ومبدأ عمل محولات الجافة غير البلورية وتحليل الأداء الاقتصادي، مجتمعين مع حالة الهندسة لخط المترو رقم 14 في بكين، بالنسبة لخطة التطبيق لمحولات الجافة غير البلورية، يجب التركيز على البحث الفني في جوانب مثل قدرة تحمل القصر، وضبط الضوضاء، ومؤشرات الخسارة، وخطط التركيب لمحولات الجافة غير البلورية، وذلك للاستفادة الكاملة من الأداء الجيد لتوفير الطاقة لمحولات الجافة غير البلورية وتحسين مستوى توفير الطاقة في المترو.

تأثير التنفيذ على الأرض

على سبيل المثال، تم تشغيل محول الجافة غير البلوري SCBH15-800/10/0.4 على خط المترو رقم 14، مقارنة بمحول الجافة SCB10-800/10.0.4، ΔP0 = 1.05 كيلووات؛ ΔPk = 0. يمكن حساب تخفيض استهلاك الطاقة السنوي لوحدة واحدة كما يلي:

ΔWk = 8760×(1.05 + 0.62×0) = 9198 كيلووات·ساعة

من خلال الحساب، يمكن رؤية أن تأثير توفير الطاقة لمحولات الجافة غير البلورية واضح نسبياً.

اقتراحات ذات صلة للعمل طويل الأمد عبر الإنترنت

بالنسبة للعمل طويل الأمد لمحولات الجافة غير البلورية على خطوط المترو، يجب أن يتم تصميمها وإنتاجها وصيانتها وإصلاحها بدقة وفقًا لخصائصها الفريدة. يقدم المؤلف الاقتراحات التالية:

• نظرًا لكثافة التشبع المغناطيسي المنخفضة نسبيًا لمواد السبائك غير البلورية وكبر حجم التقلص المغناطيسي، يجب عدم تحديد الكثافة المغناطيسية المحددة بشكل مرتفع جدًا أثناء تصميم المنتج. عمومًا، يفضل اختيار قيمة أقل من 1.2 تسلا.

• يجب الاهتمام بشكل كبير بقدرة تحمل القصر لمحولات الجافة غير البلورية طوال عمليات التصميم والإنتاج. يمكن تحسين هذه القدرة من خلال وسائل مثل تحسين العمليات وتحسين الهيكل.

• تظهر السبائك غير البلورية حساسية شديدة للتوتر الميكانيكي. لذا، في تصميم الهيكل، يجب تجنب النهج التصميمي التقليدي الذي يستخدم اللب كمكون حمل رئيسي.

• للتحقق من خصائص الخسارة المنخفضة الممتازة، يعتبر التلدين للب غير البلوري عملية ضرورية.

• يجب القيام بصيانة وإصلاح منتظم لمحولات الجافة غير البلورية. وهذا يساعد على القضاء على المخاطر الأمنية المحتملة وتطويل عمر الخدمة للمحولات.

الخاتمة

في ظل الجهود القوية للدولة لتعزيز توفير الطاقة وتقليل الانبعاثات، تقوم جميع القطاعات ببذل جهود كبيرة لتقليل استهلاك الطاقة. كمستهلك كبير للطاقة داخل شبكات الطاقة الحضرية، فإن استخدام محولات الجافة غير البلورية بشكل واسع في المترو يتوافق مع السياسات الصناعية الوطنية ويحمل آفاقاً واسعة للتطبيق.

يجب ملاحظة أن تكلفة محولات التوزيع غير البلورية أعلى من تكلفة محولات السيليكون التقليدية وأن تركيبها له بعض الخصائص الفريدة. لذا، يجب وضع خطة اختيار محولات منطقية بناءً على تحليل شامل للظروف المحلية والخطية.

نظرًا لأن محولات التوزيع غير البلورية تتطلب معايير عالية للتصميم والعمليات الإنتاجية، فمن الأفضل اختيار الموردين الذين لديهم سجل حافل بالتطبيقات الناجحة وقدرات تقنية متقدمة عند اختيار الموردين.