هياكل ملفوفة مبتكرة وشائعة للمحولات ذات التردد العالي والجهد العالي 10 كيلو فولت
1.الهياكل المبتكرة للملفوفات في المحولات ذات التردد العالي والجهد العالي من فئة 10 كيلو فولت
1.1 الهيكل المقسم والمغطى جزئياً مع تهوية
يتم دمج قلبين من الفيريت على شكل حرف U لتشكيل وحدة القلب المغناطيسي، أو يمكن تجميعها بشكل متسلسل/متوازي لتكون وحدات القلب. يتم تركيب الملفوفات الأولية والثانوية على الساقين المستقيمتين اليسرى واليمنى للقلب على التوالي، مع استخدام مستوى مطابقة القلب كطبقة حدودية. يتم تجميع ملفوفات من نفس النوع على الجانب نفسه. يفضل استخدام سلك ليتز كمادة ملفوفة لتقليل الخسائر العالية التردد.
يتم غمر ملفوفة الجهد العالي (أو الأولية) بالكامل براتنج الإبوكسي. يتم إدخال ورقة PTFE بين الأولية والقلب/الثانوية لضمان العزل الموثوق به. يتم تغليف سطح الثانوية بورق عازل أو شريط عازل.
عن طريق الحفاظ على قنوات التهوية (الفجوات بين الملفوفات وبين الملفوفات الثانوية على الساقين اليسرى واليمنى) والفجوات بين القلوب المغناطيسية، يقوم هذا التصميم بتحسين التبريد بشكل كبير بينما يقلل من الوزن والتكلفة، مع الحفاظ على قوة العزل الكهربائي - مما يجعله مناسباً لتطبيقات العزل ≥10 كيلو فولت.
1.2 التصميم النمطي ودرع المجال الكهربائي باستخدام سلك ليتز موصول بالأرض
تتم عملية الغمر المنفصلة للوحدات الملفوفة ذات الجهد العالي والمنخفض ثم تجميعها على الوحدة الأساسية للقلب. يتم الحفاظ على الفجوات الهوائية بين الوحدات تسهيلاً للتركيب والتبريد، ويمكن استبدال الوحدات التالفة بشكل فردي عند حدوث أعطال، مما يعزز الصيانة.
يتم تقديم طبقات درع المجال الكهربائي المستندة إلى سلك ليتز موصول بالأرض على الجانبين الداخلي والخارجي للملفوفة ذات الجهد العالي. هذا يحصر المجال الكهربائي عالي التردد بشكل أساسي داخل المنطقة المغمورة بالإبوكسي ذو القوة العازلة العالية، مما يقلل بشكل كبير من خطر التفريغ الجزئي (PD) دون الحاجة إلى فواصل ملفوفة كبيرة فقط لقمع المجال الكهربائي.
يمكن ترك طبقة الدرع من سلك ليتز مفتوحة الدائرة مع توصيل نقطة واحدة بالأرض، مما يحقق تشكيل المجال الكهربائي مع تجنب الخسائر الدوامية الكبيرة. يتم الحفاظ على قنوات التهوية بين الملفوفات والقلب، مما يسمح بالتبريد شبه المتهوي والتقليل من الحجم في الوقت نفسه.
1.3 الملفوفات المقطعة وتشكيل المجال الكهربائي
يتم إضافة الأكمام المتمركزة والأضلاع المقطعة إلى البوبين العازل، مما يسمح بتشابك الملفوفات الأولية والثانوية في "مجموعات مقاطع". هذا يقلل بشكل كبير من تدرجات الجهد بين الطبقات والسعة الضارة المكافئة، مما يقمع التداخل الكهرومغناطيسي ويحسن توزيع الجهد بشكل متساوٍ.
يتم تحديد عدد المقاطع n وعدة الطبقات بواسطة صيغ تحليلية أو تجريبية (مثل n = −15.38·lg k₁ − 18.77، حيث k₁ هي القيمة الدنيا بين نسبة السعة الذاتية للأولية/الثانوية والنسبة المتبادلة للسعة)، مما يحقق توازنًا مثاليًا بين الحجم والاندكتانس المتسرّب والسعة الضارة - وهو مثالي للتشغيل عالي الطاقة والجهد والتردد.
1.4 الملفوفات المركبة والتبريد المائي المتكامل
يتم تقسيم القلب إلى منطقة ملفوفة واحدة. يتم استخدام نهج الملفوفة المركبة: يتم ملفوفة الملفوفة الأولى المركبة (مثل الأولية) من الداخل إلى الخارج مع احتفاظ بالأسلاك؛ ثم في المنطقة الثانية، يتم ملفوفة الملفوفة الثانية المركبة (مثل الثانوية) بطريقة عكسية باستخدام الأسلاك المحجوزة. هذا يوسع الفجوات بين الطبقات ويقلل من الشحنات المتبقية، مما يعزز موثوقية الجهد العالي وطول العمر.
يتم تصنيع فتحات التخفيف على الجدار الخارجي للقلب لدمج قنوات التبريد المائي غير الملامسة، مما يحسن الأداء الحراري دون المخاطرة بأضرار ميكانيكية أثناء التركيب. يتم استخدام العزل المركب من ألواح PI/PTFE مرتبة بطريقة متدرجة لضمان المسافة الكافية للزحف والعزل الجيد.
1.5 التقنيات الجديدة للملفوفات وممرات السيطرة على الخسائر
يتم تقديم تقنية ملفوفة PDQB (جسر التفاضل رباعي الطاقة): من خلال تحسين توبولوجيا وترتيب الملفوفة، يتم تقليل تأثيرات الجلد والقرب وبالتالي الخسائر عالية التردد بشكل كبير. يتم تحقيق كفاءة التوصيل >99.5٪ في الحالات المبلغ عنها، بالإضافة إلى قدرة العزل 10 كيلو فولت، الاندكتانس المتسرّب القابل للتحكم، والسعة الموزعة المنخفضة - مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الجهد العالي والتردد العالي المخصصة من 30 إلى 400 كيلو وات، 4 إلى 50 كيلو هرتز.
2. الهياكل الملفوفة الشائعة للمحولات ذات التردد العالي والجهد العالي من فئة 10 كيلو فولت
2.1 التكوينات الأساسية للملفوفات وسيناريوهات التطبيق
الاسطوانية متعددة الطبقات: عملية تصنيع ناضجة؛ سهلة لإدخال العزل بين الطبقات وقنوات التبريد؛ مناسبة للملفوفات المستمرة المتوسطة والعالية الجهد.
المستوية متعددة القطع: قطع محورية متعددة مفصولة بحلقات من الورق العازل؛ تقلل بشكل فعال من تدرج الجهد بين الطبقات وتركز المجال؛ تستخدم بشكل شائع في الملفوفات ذات الجهد العالي لتقليل التفريغ الجزئي.
المستمرة (نوع القرص): تتكون من عدة أقسام قرصية مكدسة محوريًا؛ توفر قوة ميكانيكية وحرارية جيدة؛ مناسبة للتطبيقات عالية السعة/الجهد.
ثنائي القرص: قرصان لكل مجموعة، متصلان بشكل متسلسل/متوازي؛ مناسب لأحمال الجهد العالي العالية التيار أو التطبيقات الخاصة.
الحلزونية: حلزون واحد/اثنان/أربعة؛ بنية بسيطة؛ مناسبة للملفوفات ذات الجهد المنخفض وأحمال التيار العالية أو الملفوفات القابلة للتغيير تحت الحمل؛ محدودة في عدد الحلقات.
الورق الألمنيومي الأسطواني: لفة واحدة لكل طبقة باستخدام الورق الألمنيومي؛ يتميز باستخدام فعّال للمساحة وودружествية للأتمتة؛ مناسب لللفائف الكهربائية ذات الجهد العالي الصغيرة والمتوسطة.
هذه هي الهياكل القياسية لللفائف الكهربائية ذات الجهد العالي في المحولات الكهربائية، وهي غالباً ما تتم تكيفها أو تحسينها للمحولات ذات التردد العالي والجهد العالي من فئة 10 كيلوفولت لتعزيز العزل الحراري والأداء الحراري.
2.2 التوزيعات النموذجية والعمليات للتطبيقات ذات الجهد العالي والتردد العالي
التوزيع الدائري المركزي (المُرتب بالطبقات): اللفائف الكهربائية ذات الجهد العالي داخلية، واللفائف الكهربائية ذات الجهد المنخفض خارجية (أو العكس)؛ تصميم متعدد الطبقات مع عزل بين الطبقات لتوزيع الفروقات الكهربائية العالية؛ قد يتم استخدام التوزيع المجزأ لتحسين توزيع المجال الكهربائي وأداء التفريغ الجزئي.
التقسيم والتداخل: تقسيم اللفائف الكهربائية ذات الجهد العالي إلى ملفات متعددة وتوزيعها بطريقة متبادلة/مجزأة لتقليل تدرج الجهد بين الطبقات والسعة الطفيلية، وكبح التداخل الكهرومغناطيسي المستند، وتحسين تساوي الجهد.
الدرع فاراداي والدرع الكهروستاتيكي: وضع أوراق النحاس أو الطبقات الموصلة بين الأولية/الثانوية أو حول اللفائف، وتوصيلها بالأرض عند نقطة واحدة لتقليل السعة المشتركة وتداخل الضوضاء؛ يجب أن يطابق الدرع عرض اللفائف ويتجنب الحواف الحادة التي قد تثقب العزل.
تحسين الموصل والكثافة الحالية: يتم اختيار سلك ليتز أو الموصلات المتفرعة أو أوراق النحاس للثانوية ذات الجهد العالي/التيار العالي لكبح تأثيرات الجلد والقرب، وتقليل المقاومة التبادلية (Rac) وخسارة النحاس؛ يتم التحكم في الكثافة الحالية (J) وارتفاع درجة الحرارة ضمن حدود نافذة وقواعد السلامة.
تصميم العزل والزحف: استخدام الحواجز، الهامش النهائي، المحطات المقيدة، والعزل بين الطبقات/بين اللفائف؛ يتم تصميم المسافة الزاحفة والمسافة الحرة وفقاً لدرجة التلوث وفئة الجهد؛ قد يتم تطبيق التغلغل تحت الضغط/الصب لتعزيز قوة العزل والموصلية الحرارية.
هذه الاعتبارات للتوزيع والعمليات مرتبطة بشكل وثيق بالتوازن بين مستوى العزل والمعامِلات الطفيلية ومعدل القوة—وهي أساسية لتحقيق العزل الموثوق به لـ 10 كيلوفولت في الممارسة الهندسية.
2.3 طرق التنفيذ للخرج الثانوي ذو الجهد العالي (يعتمد بشدة على بنية اللفائف)
تصحيح مضاعف الجهد: مضاعفة الجهد بعدة مراحل على جانب المصحح يقلل بشكل كبير من الإجهاد الجهد والسعة الطفيلية لكل مرحلة من مراحل اللفائف، مما يسهل تصميم العزل. ومع ذلك، فهو حساس للتغيرات العابرة/الدائرة القصيرة وعرضة للتيارات القوية. عملياً، لا يتم استخدام أكثر من مرحلتين عادة، مما يتطلب استراتيجيات تقييد التيار والحماية.
الجمع التسلسلي/الموازي: يتم تقسيم الثانوية إلى عدة مجموعات ملفات، والتي يتم ربطها داخلياً أو بعد المصحح بشكل تسلسلي/موازي لتحقيق الجهد/القوة المرغوب. تشترك جميع المجموعات في نفس الدائرة المغناطيسية، مما يسهل التصميم الوحدوي وتوازن الجهد—مثالي للخرج ذات القوة العالية.
تحتاج كلتا الطريقتين إلى تصميم متكامل مع تقسيم اللفائف والدرع والنوافذ العازلة لتوازن الإجهاد الجهد والكفاءة والتداخل الكهرومغناطيسي والأداء الحراري.
2.4 إرشادات اختيار الهيكل (مرجع هندسي سريع)
إعطاء الأولوية لتساوي المجال الكهربائي وتحكم التفريغ الجزئي: يفضل استخدام اللفائف ذات الجهد العالي المجزأة أو المستمرة (نوع القرص)، مع الدرع فاراداي، الهامش النهائي، والحواجز؛ يُنصح بتغلغل تحت الضغط/الصب عند الحاجة.
إعطاء الأولوية للتيار العالي وخسارة النحاس المنخفضة: استخدام سلك ليتز أو أوراق النحاس للثانوية؛ استخدام اللفائف المتداخلة أو المكدسة داخلياً لتقليل التردديات الطفيلية وRac؛ تعزيز الدرع الخارجي والعزل.
إعطاء الأولوية للتركيب والصيانة: اعتماد مجموعات ملفات ثانوية وحدوية مع الاتصالات التسلسلية/الموازية لتسهيل توازن الجهد والاختبار والعزل الفاشل؛ اختيار تصحيح مضاعف الجهد (≤2 مراحل) أو الجمع التسلسلي/الموازي على جانب المصحح بناءً على متطلبات القوة والتغيرات العابرة.
