نقش بلور در میانبرهای خلأ
مقدمه‌ای بر میان‌بُرها و زنگوله‌ها
با پیشرفت تکنولوژی و نگرانی روزافزون درباره گرم شدن جهانی، قطعکنندگان مدار خلاء به عنوان یک مورد مهم در حوزه مهندسی برق در نظر گرفته شده‌اند.
شبکه‌های برق آینده از قطعکنندگان مدار خلاء عملکرد سوئیچینگ بهتری می‌طلبد که به ویژه شامل سرعت‌های سوئیچینگ بالاتر و طول عمر عملیاتی طولانی‌تر است. در قطعکنندگان مدار خلاء با ولتاژ متوسط، میان‌بُرها (VIs) محبوبیت گسترده‌ای یافته‌اند. این به دلیل این است که استفاده از خلاء به عنوان میان‌بُر مزایای بی‌نظیری در این محدوده کاربردی ارائه می‌دهد. میان‌بُر خلاء به عنوان مؤلفه اصلی یک قطعکننده مدار خلاء عمل می‌کند و زنگوله‌ها نقشی حیاتی و موثر در میان‌بُرهای خلاء ایفا می‌کنند.
زنگوله‌های فلزی طراحی شده‌اند تا همزمان ختم خلاء با کیفیت بسیار بالا را حفظ کرده و حرکت ترجمه‌ای تماس الکتریکی متحرک در داخل کامره میان‌بُر را امکان‌پذیر کنند. با این حال، طول عمر مکانیکی یک میان‌بُر خلاء بیشتر با زنگوله‌های خلاء معروف به "زنگوله‌های خلاء" محدود می‌شود. در زمینه قطعکنندگان آینده، تعقیب سرعت‌های سوئیچینگ سریع‌تر حتماً منجر به بارهای تأثیری دینامیکی با نوع ضربه‌ای بزرگتر خواهد شد. این بارها می‌توانند نوسانات زنگوله با دامنه‌های بزرگتر را القا کنند، بنابراین طول عمر زنگوله‌ها را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند. علاوه بر این، با توجه به افزایش پیش‌بینی شده در فرکانس عملیات سوئیچینگ در شبکه‌های برق آینده، شبیه‌سازی زنگوله‌های خلاء برای بهینه‌سازی طراحی آنها و در نتیجه افزایش طول عمر مکانیکی میان‌بُرهای خلاء ضروری می‌شود.
نقش زنگوله‌ها در میان‌بُرهای خلاء
زنگوله‌ها، معمولاً از صفحات نازک فولاد ضد زنگ ساخته شده‌اند، طراحی شده‌اند تا باز و بسته شدن تماس‌ها را تسهیل کرده و محیط خلاء در داخل میان‌بُر را حفظ کنند.
مقاومت در برابر خستگی زنگوله‌ها یک عامل کلیدی است که طول عمر مکانیکی یک میان‌بُر خلاء را تعیین می‌کند. هر عملیات باز و بسته شدن تماس، زنگوله‌ها را تحت تنش قرار می‌دهد، به ویژه کانولیشن‌هایی که نزدیک‌ترین به انتهای آنها قرار دارند. علاوه بر تنش مکانیکی مستقیم از حرکت عملیاتی، زنگوله‌ها همچنین بعد از پایان حرکت تماس، نوسانات پس از عملیات را تجربه می‌کنند. این نوسانات به اضافه شدن اصطکاک و تخریب زنگوله‌ها کمک می‌کنند و فرسودگی آنها را در طول زمان تسریع می‌کنند.
شکل ۱ یک نوع خاص از زنگوله‌ها برای میان‌بُرهای خلاء تولید شده توسط شرکت Sigma-Netics را نشان می‌دهد.
شکل ۱: زنگوله‌های میان‌بُر خلاء توسط شرکت Sigma-Netics
طول عمر مکانیکی میان‌بُرهای خلاء به طور قابل توجهی تحت تأثیر چندین پارامتر حرکت تماسی بحرانی است:
ضربه تماس ثابت یا شکاف: این مقدار فاصله تماس‌ها را در طول عملیات تعیین می‌کند و بر عایق الکتریکی و قابلیت خاموش کردن قوس تأثیر می‌گذارد.
سرعت باز و بسته شدن: سرعت‌های سریع‌تر می‌توانند عملکرد سوئیچینگ را بهبود بخشند اما همچنین بارهای دینامیکی بیشتری را روی مولفه‌ها، از جمله زنگوله‌ها، تحمیل می‌کنند.
میرایی حرکت در انتهای ضربه باز و بسته شدن: میرایی مناسب برای کاهش ارتعاشات و کاهش تنش مکانیکی روی زنگوله‌ها و دیگر قطعات ضروری است.
تجاوز و بازگشت در باز شدن: این پدیده‌ها می‌توانند اصطکاک و تخریب اضافی روی تماس‌ها و زنگوله‌ها ایجاد کنند و ممکن است طول عمر کلی را کاهش دهند.
مقاومت نصب: نحوه نصب میان‌بُر خلاء می‌تواند توزیع نیروها در طول عملیات را تحت تأثیر قرار دهد و در نتیجه طول عمر مکانیکی زنگوله‌ها را تأثیر بگذارد.
پرخور تماس در بسته شدن: پرخور تماس بیش از حد می‌تواند منجر به قوس الکتریکی شود و تنش بیشتری روی زنگوله‌ها ایجاد کند و در نتیجه عملکرد آنها را در طول زمان کاهش دهد.
زنگوله‌ها نقش دوگانه‌ای در میان‌بُرهای خلاء ایفا می‌کنند. آنها حرکت تماس متحرک را امکان‌پذیر می‌کنند و در عین حال ختم خلاء را حفظ می‌کنند. این زنگوله‌ها از فولاد ضد زنگ با ضخامت حدود ۱۵۰ میکرون ساخته شده‌اند و طراحی شده‌اند تا شرایط عملیاتی سخت در داخل میان‌بُر را تحمل کنند. سه نوع زنگوله با موفقیت در طراحی میان‌بُرهای خلاء یکپارچه شده‌اند:
زنگوله‌های بدون جوشکاری هیدروفرم: این زنگوله‌ها بدون جوشکاری ظاهری ساخته شده‌اند و ممکن است کیفیت و عملکرد بهتری ارائه دهند.
زنگوله‌های هیدروفرم با جوشکاری: این زنگوله‌ها پس از هیدروفرم با جوشکاری ساخته شده‌اند و میزان هزینه و نیازهای عملکردی را متعادل می‌کنند.
زنگوله‌های ساخته شده از واشرهای فولاد ضد زنگ نازک با جوشکاری لبه: این زنگوله‌ها با جوشکاری واشرهای نازک به یکدیگر متصل می‌شوند و راه حلی ارزان قیمت برای برخی کاربردها ارائه می‌دهند.
جزئیات کامل درباره طراحی و عملکرد زنگوله‌ها در استانداردهای EJMA موجود است.
یک سر زنگوله به صورت محکم با جوشکاری به صفحه پایانی میان‌بُر خلاء متصل می‌شود، در حالی که سر دیگر به ترمینال متحرک جوشکاری شده و با آن همزمان حرکت می‌کند وقتی تماس‌ها باز و بسته می‌شوند. در یک میان‌بُر خلاء، زنگوله‌ها در طول عملیات تماس به حرکت ضربه‌ای می‌خورند. سرعت باز شدن تماس متحرک می‌تواند از ۰ متر بر ثانیه به ۲ متر بر ثانیه در کمتر از ۱۰۰ میکروثانیه به سرعت افزایش یابد. در انتهای ضربه تماس، چه در باز شدن و چه در بسته شدن، سر متحرک زنگوله به طور ناگهانی متوقف می‌شود.
فرکانس این عملیات باز و بسته شدن بستگی به چرخه کاری دارد. در برخی موارد، این عملیات می‌تواند چندین بار رخ دهد، در حالی که در برخی موارد دیگر، این عملیات کمتر رخ می‌دهد. حرکت اعمال شده به زنگوله‌ها از یکنواختی بسیار دور است و معمولاً زنگوله‌ها در طول یک عملیات باز یا بسته شدن چندین بار نوسان می‌کنند. برای کسانی که به تحلیل این حرکت زنگوله‌ها علاقمند هستند، یک رویکرد تحلیلی عمومی توسعه یافته است تا تنش‌های دینامیکی تجربه شده توسط زنگوله‌ها در حرکت ضربه‌ای را تعیین کند.
بیشتر تولیدکنندگان میان‌بُرهای خلاء زنگوله‌های خود را از تولیدکنندگان معتبر زنگوله تأمین می‌کنند و با آنها همکاری می‌کنند تا طول عمر مورد نظر زنگوله‌ها را به دست آورند. این کار معمولاً با یکپارچه کردن زنگوله‌ها در یک میان‌بُر خلاء عملی و انجام آزمایش‌های طول عمر مکانیکی بر روی تعداد قابل توجهی نمونه میان‌بُر خلاء انجام می‌شود. سپس یک طول عمر مکانیکی مشخص به میان‌بُر خلاء با آن زنگوله با استفاده از تحلیل Weibull اختصاص می‌یابد. معمولاً، حد طول عمر مکانیکی یک میان‌بُر خلاء توسط تعداد عملیاتی که زنگوله‌ها می‌توانند تحمل کنند قبل از خستگی تعیین می‌شود.
هنگام آزمایش مکانیکی یک میان‌بُر خلاء، حیاتی است که زنگوله‌ها به همان پارامترهای عملیاتی که در یک دستگاه سوئیچینگ خواهند دید، مواجه شوند. این پارامترها شامل مسافت کل (شکاف عملیاتی به اضافه مسافت اضافی)، سرعت باز شدن ماکسیمم، سرعت بسته شدن ماکسیمم و اثرات شتاب و کندش می‌شود. آزمایش زنگوله‌ها در داخل میان‌بُر خلاء اطمینان می‌دهد که آنها تمام مراحل تولیدی را که دستگاه نهایی تجربه خواهد کرد، می‌بینند. به عنوان مثال، آنها باید به تمام چرخه‌های گرم و سرد که برای تولید میان‌بُرهای خلاء لازم است، مواجه شوند. این فرآیندها حتماً فلز زنگوله‌ها را آنیل می‌کنند و ساختار کریستالی آنها را تغییر می‌دهند و در نتیجه ویژگی‌های عملکردی آنها را تغییر می‌دهند.
طول عمر یک زنگوله خاص نه تنها به پارامترهای عملیاتی ذکر شده بستگی دارد بلکه به ویژگی‌های فیزیکی خود نیز بستگی دارد. این ویژگی‌ها شامل نوع فولاد ضد زنگ استفاده شده، طول، قطر، ضخامت، تعداد کانولیشن‌ها و توانایی آن در میرایی حرکت پس از توقف تماس. ممکن است زنگوله‌هایی طراحی شوند که می‌توانند به طور قابل اعتماد ۳۰,۰۰۰ عملیات مورد نیاز برای بیشتر قطعکنندگان مدار خلاء و دوباره‌کننده‌های خلاء را انجام دهند و حتی بیش از ۱۰^۶ عملیات برای مبدل‌های خلاء. با این حال، با وجود تلاش‌های تولیدکنندگان میان‌بُرهای خلاء برای طراحی محصولات خود به منظور برآوردن طول عمر مکانیکی مشخص شده برای انواع مختلف دستگاه‌های سوئیچینگ، بیشتر میان‌بُرهای خلاء هنگام استفاده در میدان طول عمر مشخص شده خود را نمی‌رسانند.برای اطلاعات بیشتر درباره دلایل خرابی میان‌بُرهای خلاء (VIs)، لطفاً به مقاله مربوطه مراجعه کنید.
طراح میان‌بُر خلاء باید احتیاط کند تا از چرخاندن زنگوله‌ها توسط کاربر در زمان نصب میان‌بُر خلاء به یک مکانیسم جلوگیری کند. یک زنگوله چرخانده شده می‌تواند طول عمر مکانیکی خود را به طور قابل توجهی کاهش دهد، ممکن است کمتر از ۱٪ طول عمر طراحی شده خود را داشته باشد. گشتاوری که می‌تواند به زنگوله‌های دیواره نازک در یک میان‌بُر خلاء قبل از چرخاندن دائمی اعمال شود نسبتاً کم است، حدود ۸.۵-۱۱.۵ Nm. برای جلوگیری از چرخاندن زنگوله، طراح باید یک بوش ضد چرخش در آن قرار دهد. این بوش می‌تواند با متصل کردن آن به صفحه پایانی میان‌بُر قفل شود. سطح داخلی بوش شکل گرفته یا دارای یک کلید است که از چرخش ترمینال مس متحرک متصل به زنگوله (همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است) جلوگیری می‌کند. ماده بوش می‌تواند فلز یا پلاستیکی مانند Nylatron باشد. هنگام استفاده از مواد پلاستیکی مانند Nylatron و Valox، احتیاط لازم است. این مواد فقط می‌توانند در کاربردهایی استفاده شوند که در آنها دمای حداکثر مجاز که تجربه می‌کنند محدود است. به عنوان مثال، برای Nylatron، دمایی که در آن مقاومت کششی آن به ۵۰٪ کاهش می‌یابد پس از ۱۰۰,۰۰۰ ساعت حدود ۱۲۵ درجه سانتیگراد است (می‌تواند دماهای بالاتر را برای مدت کوتاه بدون تغییر شکل به دلیل محتوای فیبر شیشه‌ای تحمل کند) و برای Valox DR48 حدود ۱۴۰ درجه سانتیگراد است. همچنین مواد پلاستیکی گران‌تر و مقاوم در دماهای بالاتری مانند "Ultem 2310 R" نیز در دسترس هستند.
شکل ۲: نمونه‌هایی از بوشهای ضد چرخش برای محافظت از زنگوله‌ها
ماده استفاده شده برای این بوشهای ضد چرخش دمای مجاز حداکثر حدود ۱۸۰ درجه سانتیگراد دارد. می‌تواند به مدت کوتاه (حدود یک ساعت) به دماهای بیش از این محدوده مقاومت کند بدون تغییر شکل قابل توجه.
برای میان‌بُرهای خلاء که در ولتاژ‌های قطعکننده مدار بالاتر عمل می‌کنند، ضربه تماس طولانی‌تری لازم است. به عنوان مثال، در ۷۲.۵ kV، ضربه حدود ۴۰ میلی‌متر لازم است. برای تأمین این ضربه طولانی‌تر، زنگوله‌ها باید به طور متناسب طولانی‌تر شوند. با این حال، زنگوله‌های بسیار طولانی به صورت یکنواخت باز و بسته نمی‌شوند. به جای آن، آنها در طول حرکت می‌چرخند. در نتیجه، کانولیشن‌های داخلی زنگوله‌ها ممکن است با ترمینال مس (Cu) اصطکاک کنند. این اصطکاک می‌تواند طول عمر زنگوله‌ها را به طور قابل توجهی کاهش دهد.
برای حل این مشکل، زنگوله‌های تخصصی با پد‌های داخلی توسعه یافته‌اند. این پد‌ها روی ترمینال‌های مسی می‌لغزند و اصطکاک و تخریب را کاهش می‌دهند. یک نمونه از چنین طراحی زنگوله‌ای در شکل ۳ نشان داده شده است.
