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 في القلب بسبب مغنطة التيار المتردد. يُشار إلى فقدان الطاقة داخل القلب عادةً باسم 'فقد الحديد' (أو فقدان النواة)، والذي يحدث بسبب عاملين رئيسيين: 'فقد التباطؤ' و'فقد التيار الدوامي'. فقدان التباطؤ هو الطاقة التي تتبدد أثناء عملية المغنطة بسبب ظاهرة التباطؤ. يتناسب حجم هذه الخسارة مع المساحة المحاطة بحلقة تباطؤ المادة. نظرًا لأن فولاذ السيليكون يحتوي على حلقة تباطؤ ضيقة، فإن استخدامه كمادة أساسية يقلل بشكل كبير من فقدان التباطؤ ويقلل بشكل كبير من توليد الحرارة.

بما أن الفولاذ السيليكوني يتمتع بهذه المزايا، فلماذا لا يتم تصنيع القلب من كتلة صلبة من الفولاذ السيليكوني، ولكن بدلاً من ذلك تتم معالجته إلى صفائح رقيقة؟ وذلك لأن القلب المصفح يقلل من نوع آخر من فقدان الحديد، وهو فقدان التيار الدوامي. أثناء التشغيل، يولد التيار المتردد في اللفات تدفقًا مغناطيسيًا متناوبًا. يؤدي هذا التدفق المغناطيسي المتغير إلى إحداث تيارات داخل القلب. تدور هذه التيارات المستحثة في مستويات متعامدة مع اتجاه التدفق المغناطيسي، ولذلك تسمى التيارات الدوامية. يتسبب فقدان التيار الدوامي أيضًا في تسخين القلب. لتقليل هذه الخسارة، يتم إنشاء قلب المحول عن طريق تكديس صفائح فولاذ السيليكون المعزولة عن بعضها البعض. وهذا يجبر التيارات الدوامة على التدفق عبر حلقات ضيقة بمساحة مقطع عرضي أصغر، وبالتالي زيادة المقاومة الكهربائية لمسار التيار الدوامي. بالإضافة إلى ذلك، يزيد السيليكون الموجود في الفولاذ من المقاومة الكهربائية للمادة، مما يساعد أيضًا على تقليل التيارات الدوامية. بالنسبة لقلب المحولات، يتم اختيار صفائح الفولاذ السليكونية المدرفلة على البارد بسمك 0.35 مم بشكل عام. يتم تقطيعها إلى شرائح مستطيلة وفقًا للأبعاد الأساسية المطلوبة ثم يتم تكديسها لتكوين شكل 'شكل ثمانية' أو إطار مستطيل. من الناحية النظرية، كلما كانت صفائح فولاذ السيليكون أرق وكانت الشرائط أضيق، كان التأثير أفضل في تقليل التيارات الدوامة. وهذا لا يقلل فقط من فقدان التيار الدوامي ويقلل من ارتفاع درجة الحرارة ولكنه يوفر أيضًا المواد. ومع ذلك، في التصنيع الفعلي، هذه العوامل المواتية ليست هي الاعتبارات الوحيدة. إن جعل الصفائح رفيعة وضيقة للغاية من شأنه أن يزيد بشكل كبير من ساعات العمل ويقلل من مساحة المقطع العرضي الفعال للنواة. لذلك، عند تصنيع نوى الفولاذ السيليكوني، يجب على المرء أن يزن الإيجابيات والسلبيات بناءً على ظروف محددة لتحديد الأبعاد المثالية.

يتم تصنيع المحولات على أساس مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. يتم لف ملفين حول طرف أساسي مغلق: الملف الأولي والملف الثانوي. عندما يتم تطبيق جهد التيار المتردد على الملف الأولي، يتدفق تيار متردد من خلاله، مما يؤدي إلى إنشاء قوة دافعة مغناطيسية (MMF). تحت تأثير MMF هذا، يتم إنشاء تدفق مغناطيسي رئيسي متناوب في القلب. يمر هذا التدفق المغناطيسي الرئيسي ويربط كل من اللفات الأولية والثانوية. بسبب الحث الكهرومغناطيسي، تتولد القوى الدافعة الكهربائية (EMF) في كلا الملفين. يتم تفسير السبب وراء زيادة الجهد أو خفضه من خلال قانون لينز: التدفق المغناطيسي الناتج عن التيار المستحث يعارض دائمًا التغير في التدفق المغناطيسي الأصلي. عندما يزداد التدفق المغناطيسي الأصلي، فإن التدفق المغناطيسي الناتج عن التيار المستحث يعارضه. بمعنى آخر، فإن التدفق المغناطيسي المستحث في الملف الثانوي يكون معاكسًا للتدفق المغناطيسي الرئيسي الناتج عن الملف الأولي، مما يؤدي إلى مستوى جهد متناوب منخفض عبر الملف الثانوي. وبالتالي، يعمل القلب بمثابة الدائرة المغناطيسية للمحول، في حين تشكل اللفات دائرته الكهربائية.

2. تصنيف التكوينات الأساسية للمحولات

النوى من النوع الصدفي والنوع الأساسي

يُطلق على جزء القلب الذي تُلف حوله اللفات اسم 'الطرف الأساسي'، بينما الجزء الذي لا يحتوي على ملفات ولكنه يعمل فقط كمسار مغناطيسي يُسمى 'النير'. ويشار إلى النواة باسم 'نوع الصدفة' عندما يحيط القلب بالملفات، و'النوع الأساسي' عندما تحيط اللفات بالطرف الأساسي. تتميز كل تكوينات من النوع الصدفي والنوع الأساسي بخصائصها المميزة، لكن عمليات التصنيع التي تمليها تختلف بشكل كبير. بمجرد اختيار هيكل معين، يكون من الصعب التبديل إلى هيكل آخر. في الصين، تستخدم معظم نوى المحولات تصميمًا من النوع الأساسي المكدس.

تُستخدم صفائح السيليكون الفولاذية في المحولات ذات التردد المنخفض وتأتي بأنواع مختلفة. بناءً على عملية التصنيع، يمكن تقسيمها إلى:
أ: ملدنة (ألواح سوداء)
ن: غير ملدنة (ألواح بيضاء)

بناءً على شكلها، يمكن تصنيفها إلى: النوع EI، والنوع UI، والنوع C، والنوع المربع (الفم).

تُستخدم صفائح فولاذ السيليكون ذات النوع المربع بشكل شائع في المحولات عالية الطاقة. إنها توفر أداء عزل ممتاز، وسهولة تبديد الحرارة، ومسار مغناطيسي قصير. يتم استخدامها بشكل أساسي للمحولات ذات معدلات الطاقة التي تزيد عن 500-1000 واط والمحولات عالية الطاقة. مجموعة من صفائح الفولاذ السليكونية المكونة من ورقتين من النوع C تسمى نواة من النوع CD. بالنسبة لمحولات الطاقة المصنوعة من صفائح من النوع المضغوط، تحت نفس مساحة المقطع العرضي، كلما ارتفعت النافذة، زادت سعة طاقة المحول. نظرًا لأنه يمكن تركيب الملفات بشكل منفصل على جانبي القلب، يمكن توزيع عدد لفات الملف عبر بكرتين، مما يؤدي إلى متوسط ​​طول دورة أقصر لكل بكرة وتقليل فقدان النحاس. علاوة على ذلك، إذا تم لف ملفين متماثلين على بكرات منفصلة، ​​فيمكن تحقيق التماثل المثالي.

تسمى مجموعة من صفائح الفولاذ السليكونية المكونة من أربع صفائح من النوع C بالنواة من النوع ED. تتميز المحولات المصنوعة من نوى من النوع ED بمظهر جانبي مسطح وواسع. تحت نفس تصنيف الطاقة، تكون المحولات من النوع ED أقصر وأوسع من المحولات من النوع المضغوط. ونظرًا لأن الملفات مثبتة في وسط صفائح فولاذ السيليكون بمسار مغناطيسي خارجي، فإنها تظهر تدفق تسرب منخفض وأقل تداخل مع المكونات المحيطة. ومع ذلك، يتم لف جميع الملفات على بكرة واحدة سميكة، مما يؤدي إلى متوسط ​​طول دورة أطول وفقدان أعلى للنحاس.

توفر النوى من النوع C أداءً فائقًا، مما ينتج عنه محولات مدمجة وخفيفة الوزن وعالية الكفاءة. من منظور التجميع، تتطلب النوى من النوع C عددًا قليلًا جدًا من الأجزاء وتتميز بتعدد الاستخدامات، مما يؤدي إلى كفاءة إنتاج عالية. ومع ذلك، فإن عملية تصنيع صفائح الفولاذ السيليكونية من النوع C معقدة وتتطلب معدات متخصصة، مما يجعل تكلفتها الحالية مرتفعة نسبيًا.

تتمتع صفائح فولاذ السيليكون من النوع E، والمعروفة أيضًا باسم صفائح من النوع الصدفي أو الصفائح ذات الشكل الثامن، بالميزة الأساسية المتمثلة في مشاركة بكرة واحدة لكل من اللفات الأولية والثانوية، مما يؤدي إلى عامل مساحة نافذة مرتفع (عامل الفضاء Km: نسبة صافي مساحة المقطع العرضي للسلك النحاسي إلى منطقة النافذة). تشكل صفائح السيليكون الفولاذية غلافًا واقيًا حول اللفات، مما يمنع حدوث أضرار ميكانيكية. كما أنها توفر مساحة كبيرة لتبديد الحرارة وتقليل تشتت المجال المغناطيسي. ومع ذلك، فإنها تظهر محاثة تسرب أعلى بين اللفات الأولية والثانوية وقابلية أكبر للتداخل المغناطيسي الخارجي. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لطول متوسط ​​محيط اللفات، تتطلب المحولات من النوع E المزيد من الأسلاك النحاسية لنفس عدد اللفات ومساحة المقطع العرضي الأساسية.

السماكات الشائعة لصفائح الفولاذ السليكونية هي 0.35 مم و0.5 مم. هناك طريقتان لتجميع صفائح فولاذ السيليكون: التشذير والتكديس. تعمل طريقة التشذير على تبديل الأطراف المفتوحة للأوراق على الجوانب المتقابلة. تعتبر هذه الطريقة أكثر مملة ولكنها تؤدي إلى فجوات هوائية أصغر وممانعة مغناطيسية أقل، وهو أمر مفيد لزيادة التدفق المغناطيسي؛ ولذلك، فإنه يستخدم على نطاق واسع في محولات الطاقة. تُستخدم طريقة التكديس بشكل شائع في التطبيقات ذات التيار المباشر (DC). لمنع التشبع الناتج عن التيار المستمر، يجب ترك فجوة هوائية بين صفائح الفولاذ السيليكوني. في هذه الطريقة، يتم وضع الأوراق الإلكترونية والأوراق على شكل حرف I على جانبين متقابلين، ويمكن تعديل فجوة الهواء بينهما باستخدام حشوات الورق.

3. أنواع الملفات الأساسية

وهي مقسمة إلى ثلاثة أنواع:
أ. القلب الحلقي: يتم تصنيعه عن طريق تكديس شرائح من النوع O أو عن طريق لف صفائح الفولاذ السيليكونية. إن لف الأسلاك على هذا النوع من النواة أمر صعب للغاية.
ب. قلب القضيب: قلب حديدي على شكل قضيب.
ج. نواة الطبلة: نواة حديدية على شكل أسطوانة.

4. تصنيف المواد الأساسية للمحولات

1. فئة التردد العالي: نوى الفريت
تستخدم نوى الفريت في المحولات عالية التردد. وهي عبارة عن مغناطيسات خزفية ذات بنية بلورية من الإسبنيل، مكونة من أكسيد الحديد ومركبات معدنية ثنائية التكافؤ أخرى، مثل kFe₂O₄ (حيث يمثل k معادن أخرى). تشمل المعادن شائعة الاستخدام حاليًا المنغنيز (Mn)، والزنك (Zn)، والنيكل (Ni)، والمغنيسيوم (Mg)، والنحاس (Cu). تتضمن التركيبات الشائعة سلسلة المنغنيز-الزنك (MnZn)، وسلسلة النيكل-الزنك (NiZn)، وسلسلة المغنيسيوم-الزنك (MgZn). تتميز هذه المواد بخصائص نفاذية ومعاوقة عالية، مع نطاق تردد تشغيل يتراوح من 1 كيلو هرتز إلى أكثر من 200 كيلو هرتز.
نطاق التردد الأساسي من الفريت: 18 كيلو هرتز إلى أكثر من 1 ميجا هرتز.

2. فئة التردد المنخفض: صفائح فولاذ السيليكون والسبائك غير المتبلورة
نطاق التردد الأساسي لفولاذ السيليكون: 5 هرتز إلى 1 كيلو هرتز.
تعمل المحولات التي تستخدم فولاذ السيليكون عادةً بتردد 50 هرتز. ومع ذلك، من حيث الكفاءة، قد يؤدي التردد الأعلى قليلاً إلى نتائج أفضل، اعتمادًا على تصنيف غاوس لصفائح الفولاذ السيليكونية. على الرغم من أن الترددات الصوتية يمكن أن تصل إلى ما يزيد عن 20 كيلو هرتز، إلا أن هذا غير عملي. يوصى بالعمل على تردد 50-60 هرتز، على الرغم من أنها يمكن أن تعمل بشكل طبيعي ضمن نطاق تردد يتراوح بين 50-200 هرتز.
نطاق التردد الأساسي غير المتبلور: 2 كيلو هرتز إلى 13 كيلو هرتز.