یک تحلیل کامل از ویژگی‌ها و کاربردهای ترانسفورماتورهای خشک

به عنوان یک جزء کلیدی ضروری در سیستم‌های قدرت مدرن، ترانسفورماتورهای خشک به سرعت در حال جایگزینی ترانسفورماتورهای روغنی سنتی در سراسر جهان هستند، زیرا طراحی بدون روغن منحصربه‌فرد و عملکرد ایمنی برتری دارند.

مفاهیم اساسی و اصول عملکرد ترانسفورماتورهای خشک

ترانسفورماتورهای خشک، ترانسفورماتورهای قدرتی هستند که از یک محیط عایق مایع (مانند روغن ترانسفورماتور) استفاده نمی‌کنند. در عوض، سیم‌پیچ‌ها و هسته آن‌ها یا مستقیماً در معرض هوا قرار دارند یا با مواد عایق جامد محصور شده‌اند. در مقایسه با ترانسفورماتورهای روغنی سنتی، ترانسفورماتورهای خشک از مواد عایق جامد (مانند رزین اپوکسی و فایبرگلاس) برای دستیابی به جداسازی الکتریکی بین سیم‌پیچ‌ها استفاده می‌کنند و خطر نشت روغن و آتش‌سوزی را به طور کامل از بین می‌برند. آن‌ها به ویژه برای کاربردهایی که به ایمنی و حفاظت از محیط زیست بالایی نیاز دارند، مناسب هستند. بر اساس روش عایق‌بندی، ترانسفورماتورهای خشک عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند: آغشته (VPI) و ریخته‌گری (CRT). اولی از یک فرآیند اشباع تحت فشار خلاء برای آغشته کردن سیم‌پیچ‌ها با لاک عایق استفاده می‌کند، در حالی که دومی از رزین اپوکسی ریخته‌گری شده در خلاء برای تشکیل یک لایه محافظ عایق جامد استفاده می‌کند.

از نظر اصل عملکرد، ترانسفورماتورهای خشک همچنان به اصل فیزیکی اساسی القای الکترومغناطیسی پایبند هستند. هنگامی که جریان متناوب از سیم‌پیچ اولیه عبور می‌کند، شار مغناطیسی متناوب در هسته ایجاد می‌کند که به نوبه خود نیروی محرکه الکتریکی را در سیم‌پیچ ثانویه القا می‌کند و به تبدیل ولتاژ دست می‌یابد. با این حال، ترانسفورماتورهای خشک این اصل اساسی را از طریق طراحی ساختاری منحصربه‌فرد و انتخاب مواد برای بهینه‌سازی عملکرد اجرا می‌کنند. به عنوان مثال، فناوری ترانسفورماتور خشک ثبت شده جدید TBEA از سه پایه هسته موازی با محورهای عمود بر سطح زیرین استفاده می‌کند. این امر به طور موثر توزیع میدان مغناطیسی را بهینه می‌کند و تلفات جریان گردابی و گردشی را کاهش می‌دهد. این ساختار هسته نوآورانه، همراه با سیم‌پیچ‌های ولتاژ پایین و فویل‌های مخصوص سیم‌پیچی شده (با زاویه سیم‌پیچی کنترل شده بین 175 درجه و 185 درجه)، راندمان انرژی ترانسفورماتور را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

ترانسفورماتورهای خشک دارای طیف وسیعی از ظرفیت‌های نامی هستند که از ده‌ها kVA تا ده‌ها هزار kVA متغیر است و ترانسفورماتورهای خشک 1000 kVA محصولی اصلی در بازار هستند. این ترانسفورماتورها معمولاً از ورق‌های فولادی سیلیکونی با نفوذپذیری بالا برای هسته استفاده می‌کنند. سیم‌پیچ‌ها به صورت خلاء ریخته‌گری می‌شوند و اتلاف حرارت کارآمد از طریق سیستم‌های خنک‌کننده هوای طبیعی یا اجباری حاصل می‌شود. از نظر سطح ولتاژ، ترانسفورماتورهای خشک از 10 کیلو ولت و 35 کیلو ولت سنتی به 66 کیلو ولت امروزی و حتی بالاتر توسعه یافته‌اند.

نام‌های ترانسفورماتورهای خشک عموماً ویژگی‌های فنی آن‌ها را منعکس می‌کند. در سری "SCB"، "S" مخفف سه فاز، "C" مخفف نوع ریخته‌گری و "B" مخفف سیم‌پیچ‌های فویلی است. عدد بعدی نشان دهنده سطح عملکرد است؛ به عنوان مثال، "SCB18" نشان دهنده راندمان انرژی است که با استاندارد نوع 18 مطابقت دارد. با پیشرفت‌های تکنولوژیکی، رتبه راندمان انرژی ترانسفورماتورهای خشک همچنان در حال بهبود است. استفاده از مواد جدیدی مانند آلیاژهای آمورف باعث کاهش تلفات بدون بار و بارگذاری شده به میزان تقریبی 15٪ تا 20٪ در مقایسه با ترانسفورماتورهای روغنی سنتی شده است. این پیشرفت‌های تکنولوژیکی باعث شده است که ترانسفورماتورهای خشک در ارتقای سیستم‌های قدرت و توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر اهمیت فزاینده‌ای پیدا کنند.

ساختار هسته و نوآوری‌های مواد در ترانسفورماتورهای خشک

طراحی ساختاری ترانسفورماتورهای خشک مستقیماً عملکرد و عمر مفید آن‌ها را تعیین می‌کند. ترانسفورماتورهای خشک مدرن از طریق پیکربندی اجزای پیچیده و کاربرد مواد نوآورانه به عملکرد ایمن، کارآمد و قابل اعتماد دست می‌یابند. یک ترانسفورماتور خشک معمولی از چهار جزء اصلی تشکیل شده است: هسته، سیم‌پیچ‌ها، سیستم عایق و سیستم خنک‌کننده. هر جزء با دقت طراحی و بهینه شده است تا الزامات سختگیرانه سناریوهای مختلف کاربردی را برآورده کند.

ساختار هسته آهنی، پایه مدار مغناطیسی یک ترانسفورماتور خشک را تشکیل می‌دهد. این معمولاً با لایه‌بندی ورق‌های فولادی سیلیکونی نورد سرد با نفوذپذیری بالا ساخته می‌شود. ضخامت و فرآیند لایه‌بندی ورق‌های فولادی سیلیکونی مستقیماً بر تلفات بدون بار ترانسفورماتور تأثیر می‌گذارد. آخرین فناوری ثبت شده TBEA یک رویکرد نوآورانه برای طراحی هسته آهنی نشان می‌دهد: ساختاری با سه پایه هسته موازی که محورهای آن‌ها عمود بر پایه است، به طور موثر توزیع میدان مغناطیسی را بهینه می‌کند و تلفات انرژی را کاهش می‌دهد. حتی پیشرفته‌تر، هسته‌های آهنی ساخته شده از آلیاژهای آمورف هستند که می‌توانند تلفات بدون بار را بیش از 30٪ در مقایسه با ورق‌های فولادی سیلیکونی سنتی کاهش دهند و آن‌ها را به ویژه برای کاربردهایی با نوسانات بار زیاد مناسب می‌سازد. آلیاژهای آمورف در حالی که گران هستند، مزایای قابل توجهی در صرفه‌جویی در انرژی در طول چرخه عمر خود ارائه می‌دهند و به یک ویژگی استاندارد ترانسفورماتورهای خشک رده بالا تبدیل می‌شوند.

سیستم سیم‌پیچ، به عنوان جزء مدار یک ترانسفورماتور خشک، تأثیر مستقیمی بر تلفات بار و مقاومت اتصال کوتاه آن دارد. سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور خشک مدرن عمدتاً از مس و آلومینیوم هستند. مس رسانایی برتر اما هزینه بالاتری دارد، در حالی که آلومینیوم قیمت رقابتی‌تری ارائه می‌دهد. در طراحی ثبت شده TBEA، هر پایه هسته مجهز به یک سیم‌پیچ ولتاژ پایین است که در چندین لایه فویل در اطراف محیط بیرونی پایه هسته پیچیده شده است. این ساختار نه تنها راندمان را بهبود می‌بخشد، بلکه تلفات انرژی ناشی از جریان‌های گردابی را نیز کاهش می‌دهد. عایق سیم‌پیچ با رزین اپوکسی ریخته‌گری یا آغشته می‌شود و یک لایه محافظ عایق قوی ایجاد می‌کند که می‌تواند در برابر جهش‌های ولتاژ بالا مقاومت کند و گرما را به طور موثر دفع کند.

سیستم عایق یک ویژگی کلیدی است که ترانسفورماتورهای خشک را از ترانسفورماتورهای روغنی متمایز می‌کند و یک عامل مهم در ایمنی آن‌ها است. ترانسفورماتورهای خشک مدرن در درجه اول از روش‌های عایق‌بندی ریخته‌گری رزین اپوکسی یا اشباع تحت فشار خلاء (VPI) استفاده می‌کنند. ریخته‌گری رزین اپوکسی سیم‌پیچ‌ها را به طور کامل در ماده عایق آب‌بندی می‌کند و مقاومت عالی در برابر رطوبت و گرد و غبار ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، Shunte Electric از این فناوری برای حفظ نویز ترانسفورماتور در مراکز داده زیر 50 دسی‌بل استفاده می‌کند. از طرف دیگر، فناوری VPI از چندین اشباع تحت فشار خلاء برای تزریق عمیق لاک عایق به داخل سیم‌پیچ‌ها استفاده می‌کند و یک لایه عایق یکنواخت ایجاد می‌کند. ترانسفورماتورهای خشک جدید Jingquanhua دارای طراحی سیستم عایق بهینه شده هستند و یک راه‌حل منبع تغذیه ایمن‌تر و قابل اطمینان‌تر برای مراکز داده ارائه می‌دهند.

سیستم خنک‌کننده تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر ظرفیت بار و عمر ترانسفورماتورهای خشک دارد. از آنجایی که هیچ روغنی به عنوان محیط خنک‌کننده وجود ندارد، ترانسفورماتورهای خشک عمدتاً به همرفت هوا برای دفع گرما متکی هستند. روش‌های خنک‌کننده رایج شامل خنک‌کننده هوای طبیعی (AN) و خنک‌کننده هوای اجباری (AF) است. ترانسفورماتورهای خشک با ظرفیت بالا معمولاً در حالت ترکیبی AN/AF طراحی می‌شوند که تحت بار معمولی به طور طبیعی خنک می‌شود و فن‌ها را برای خنک‌کننده اجباری در هنگام اضافه بار راه‌اندازی می‌کند. با بهینه‌سازی طراحی مجرای هوا و ناحیه اتلاف حرارت، ترانسفورماتورهای خشک 1000kVA می‌توانند افزایش دما را حتی تحت بار زیاد در محدوده معقولی نگه دارند. ترانسفورماتورهای خشک 66 کیلو ولت Envision Energy برای توربین‌های بادی دریایی، طراحی فوق‌العاده فشرده‌ای را اتخاذ می‌کنند و به اتلاف حرارت کارآمد در فضای محدود دست می‌یابند و الزامات عملیاتی را در محیط‌های دریایی خشن برآورده می‌کنند.