سیم سیم پیچ

سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور تقریباً به طور کامل از مس، به‌ویژه از مس با رسانایی بالا ساخته شده‌اند. مس در صنعت برق کاربردهای زیادی دارد. مس علاوه بر خواص مکانیکی عالی، دارای بالاترین رسانایی الکتریکی در بین مواد فلزی صنعتی است. مس ارزش مهمی در ترانسفورماتورها دارد زیرا عملکرد خوب آن می تواند حجم سیم پیچی را کاهش داده و تلفات بار را به حداقل برساند.

1. از دست دادن بار

تلفات بار ترانسفورماتور بخشی از تلفات ناشی از جریان بار است که با مجذور جریان بار تغییر می کند. جریان بار را می توان به سه بخش تقسیم کرد:

1) تلفات مقاومت در سیم های سیم پیچ و سرب.

2) تلفات جریان گردابی سیم های سیم پیچ.

3) تلفات جریان گردابی مخازن سوخت و اجزای ساختاری فولادی.

کاهش تعداد چرخش های سیم پیچ، افزایش سطح مقطع سیم{0}}یا ترکیبی از هر دو می تواند تلفات مقاومت را کاهش دهد. کاهش تعداد چرخش ها مستلزم افزایش سطح مقطع هسته آهنی-است، اما نتیجه انجام این کار افزایش وزن و از دست دادن هسته آهنی است. بنابراین، کاهش تلفات بار را می توان با افزایش بی-تلفات بار مبادله کرد و بالعکس. افزایش اندازه قاب هسته آهنی مستلزم کاهش ارتفاع سیم پیچ برای جبران امپدانس است تا امپدانس ثابت بماند. اگرچه امپدانس جبران جزئی باعث کاهش تعداد چرخش ها می شود (هدف اولیه). کاهش ارتفاع محوری سیم پیچ به معنای کاهش ارتفاع ستون هسته آهنی است که می تواند تا حدودی افزایش وزن هسته آهنی ناشی از افزایش اندازه قاب را جبران کند. بنابراین، تغییر تلفات مربوط به یک یا دو اندازه قاب قابل توجه نیست، بنابراین قاب هسته آهنی بهینه را می توان برای برآورده کردن سایر الزامات، مانند نسبت ثابتی از تلفات بار یا الزامات ارتفاع حمل و نقل انتخاب کرد.

مسیر جریان گردابی سیم های سیم پیچ بسیار پیچیده است. شار نشتی سیم پیچ های ترانسفورماتور می تواند باعث تغییر در شار شعاعی و محوری سیم پیچ ها در هر فضای معین و در هر لحظه شود. تغییرات شار مغناطیسی باعث القای ولتاژ می شود که باعث می شود جریان در جهتی عمود بر تغییرات شار مغناطیسی جریان یابد. افزایش مقاومت مسیر جریان می‌تواند دامنه جریان را کاهش دهد، یا می‌توان با کاهش سطح مقطع کل سیم‌های سیم‌پیچ یا تقسیم سیم‌های سیم‌پیچ به تعداد زیادی دسته‌های سیم عایق‌شده (مشابه روشی که هسته‌های آهنی روی هم می‌توانند تلفات جریان گردابی در هسته‌های آهنی را کاهش دهند) به دست آید. اولی مقاومت کل سیم پیچ را افزایش می دهد که به نوبه خود تلفات مقاومتی را افزایش می دهد. در مقابل، اگر سطح مقطع کل سیم{6} برای کاهش تلفات مقاومتی افزایش یابد، نتیجه ناگزیر افزایش تلفات جریان گردابی خواهد بود. بنابراین، این تناقض تنها با کاهش سطح مقطع رشته‌های سیم و افزایش تعداد کل رشته‌ها قابل حل است. هزینه سیم‌پیچ موازی سیم‌ها زیاد است، بنابراین سازندگان امیدوارند تعداد کل رشته‌های موازی را محدود کنند و افزایش تعداد رشته‌ها باعث افزایش لایه عایق و در نتیجه چرخه کار سیم‌پیچ ضعیف می‌شود.

کاهش اندازه برای هر جزء از تجهیزات الکتریکی بسیار مهم است. این به ویژه برای سیم پیچ ترانسفورماتور صادق است. اندازه سیم پیچ ترانسفورماتور اندازه ترانسفورماتور را تعیین می کند. همانطور که در بالا ذکر شد، سیم پیچ باید دارای سطح مقطع بزرگ- برای دستیابی به سطح قابل قبولی از اتلاف بار باشد، نه تنها به این دلیل که تلفات برای کاربران اتلاف است، بلکه همچنین به این دلیل که گرمای تولید شده توسط تلفات باید از طریق کانال های روغن خنک کننده پخش شود. در صورت افزایش تلفات باید فضای بیشتری برای عبور روغن در نظر گرفته شود که باعث افزایش سایز سیم پیچ و سایز هسته آهنی نیز می شود. افزایش اندازه هسته آهنی باعث افزایش بی-از دست رفتن بار هسته آهنی می شود. علاوه بر این، با افزایش اندازه سیم پیچ، مخزن روغن نیز باید به همان نسبت افزایش یابد، در نتیجه مصرف روغن افزایش می یابد و به تدریج کل فرآیند ساخت را تحت تاثیر قرار می دهد. برعکس، کاهش اندازه سیم پیچ اغلب منجر به کاهش اندازه کلی ترانسفورماتور می شود که به نوبه خود باعث صرفه جویی در سایر جنبه ها می شود. به عنوان ماده ای که از نظر اقتصادی می تواند استانداردهای عمومی فوق را برآورده کند و می تواند در بازار تجاری خریداری شود، مس با رسانایی بالا به طور طبیعی به انتخاب ترجیحی برای مواد سیم پیچ ترانسفورماتور تبدیل می شود.

تلفات جریان گردابی مخازن سوخت و اجزای ساختاری فولادی داخلی، مانند گیره های هسته آهنی، ناشی از شار مغناطیسی نشتی است و کنترل تلفات جریان گردابی عمدتاً شامل کنترل شار مغناطیسی نشتی است.

در دهه 1960 یک دوره افزایش سریع قیمت مس وجود داشت و مردم تلاش کردند تا مس را با آلومینیوم که بسیار ارزانتر از مس بود در وسایل برقی مختلف جایگزین کنند. در واقع، در این دوره، استفاده از آلومینیوم برای ساخت کابل بسیار رایج بود و برنامه هایی برای ادامه استفاده از آن وجود داشت. با این حال، اگرچه برخی از سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور بزرگ از سیم‌های آلومینیومی ساخته می‌شوند که عمدتاً توسط تولیدکنندگان آلومینیوم تشویق می‌شوند، اما عمل ثابت کرده است که استفاده از مواد آلومینیومی در ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ دارای اشکالات زیادی است.

آلومینیوم فقط برای جنبه‌های خاصی از ترانسفورماتورها مناسب است، سیم‌پیچ‌های فویل برجسته‌ترین آنها هستند که نیاز به کپسوله شدن رزین دارند. در این حالت، ضریب انبساط حرارتی آلومینیوم به رزین نزدیکتر از مس است. بنابراین رزین به ندرت در حین بارگذاری ترک می خورد.

منابع معدن مس در سراسر جهان فراوان است. مزیت برجسته مس این است که بازیافت آن آسان است. استخراج و تصفیه مجدد از زباله آسان است و از توسعه منابع معدنی غیر ضروری جلوگیری می کند. مس با رسانایی بالا کاربردهای گسترده ای در صنعت برق دارد. تعداد زیادی از انواع مختلف مس را می توان فهرست کرد، اما اکثر صنایع برق، مس سخت الکترولیتی (Cu{4}}ETP-2) یا مس با عیار بالاتر CH-ETP1 را انتخاب می کنند. اولی مس با رسانایی بالا (حاوی اکسیژن{12}) است که برای کاهش ناخالصی‌ها، با سطح ناخالصی کل زیر 0.03 درصد، تحت تصفیه الکترولیتی قرار گرفته است. در انگلستان، Cu{17}}ETP-2 مس ریخته‌گری و C101 مس آهنگری است. این نوع مس را می توان به راحتی به اشکال مختلف فرآوری کرد و در معرض فرآوری گرم یا سرد قرار گرفت. ترک خوردن در طی فرآیند پردازش گرم آسان نیست زیرا عناصر سرب و بیسموت که باعث ایجاد ترک می شوند در محدوده خاصی محدود شده اند. Cu{24}}ETP-1 دوم مس ریختگی است و C100 مس آهنگری است. این دو ماده به دلیل مزایایی که می‌توانند بر روی ماشین‌های نورد و سیم کشی مدرن پرسرعت فرآوری شوند، توسط کارخانه‌های تولیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند و می‌توانند به صورت آنلاین آنیل شوند. این مس یک ماده اولیه عالی برای ساخت انواع سیم های لعاب دار است. در فرآیند تولید این سیم‌های لعابی، یک بازپخت ثابت در دمای پایین مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که سیم‌ها خاصیت پردازش مجدد خوبی دارند.

2. فرآیند تولید مس با رسانایی بالا

همانطور که در بالا ذکر شد، مس در بسیاری از کشورهای جهان استخراج و تصفیه می شود. محصولات مس ریخته‌گری شده در کارخانه‌های ذوب بسته به نوع مواد نیمه‌تمام{1}}که قرار است بیشتر پردازش شوند، به شکل‌های مختلفی تولید می‌شوند. مس الکترولیتی کاتدی محصول تصفیه شده الکترولیتی مس است. قبل از استفاده، باید دوباره ذوب شود و سپس به شکل های مختلف "محصولات ذوب" ریخته شود. از بیلت برای پرس گرم، شمش مس برای نورد صفحات مسی، میله ها برای نورد میله های مسی و میله های مسی برای کشیدن سیم های مسی استفاده می شود. تغییر اندازه مس الکترولیتی توسط کارخانه ذوب تعیین می شود. به طور کلی، صفحه‌ای-شکل، با ابعاد 1200 میلی‌متر * 900 میلی‌متر و وزن 100 تا 300 کیلوگرم است.

قطر شمش‌های مس معمولاً 200 میلی‌متر و طول آن از 750 میلی‌متر تجاوز نمی‌کند تا بتوان آن‌ها را در جعبه پرس داغ قرار داد. پس از پرس گرم عمومی، شمش‌های مس (یا بلوک‌های مس) باید با استفاده از دستگاه سیم کشی چند پاس به اندازه مورد نیاز کشیده شوند، که می‌توان آن را به صفحات مسی، ورق‌های مسی، نوارهای مسی و فویل‌های مسی پرس کرد. در حال حاضر تقریباً تمام شمش های مس به طور مداوم ریخته گری می شوند. به طور کلی نورد گرم از 150 میلی متر تا 9 میلی متر و به دنبال آن نورد سرد انجام می شود.

صفحات مسی پس از نورد گرم تبدیل به شمش سیم مسی می شوند که برای داشتن یک لایه اکسید روی سطح باید به صورت افقی ریخته گری شوند. در حال حاضر می توان به طور مداوم به صورت عمودی با یک اره معلق روی تجهیزات ریخته گری کرد تا آنها را به طول معینی برش داد، اما این عمل در حال حاضر به ندرت استفاده می شود.

سیم خالی مسی به مواد مسی مارپیچ شده به قطر 6-35 میلی متر (معمولاً 9 میلی متر) اشاره دارد که می توان آن را برای ساخت سیم مسی کشید. برای یک دوره زمانی، وزن بیلت های سیم مسی نورد شده به 100 کیلوگرم محدود می شد که وزن دسته ای صفحات مسی است که در شمش های سیم مسی نورد شده است. بنابراین، قبل از ارسال سیم مسی خالی به دستگاه سیم کشی پیوسته، باید از جوش قوس الکتریکی برای جوش دادن دیسک ها به یکدیگر استفاده کرد.
روش فعلی این است که به طور مداوم مس الکترولیتی را در یک کوره عمودی ذوب کنید و سپس، تحت کنترل دقیق غلظت اکسیژن، مس ذوب شده را به یک قالب دائما شکل پذیر ارسال کنید. سپس مواد خام تشکیل شده توسط قالب مستقیماً به یک آسیاب نورد گرم چند پورت وارد می شود. مفتول های مسی به دست آمده از این طریق می توانند چندین تن وزن در هر صفحه داشته باشند. به منظور تسهیل سیم کشی بعدی، این شمش های سیم مسی باید به یک کارخانه نورد با سرعت بالا فرستاده شوند، که از طریق گرمایش مقاومتی، عملیات بازپخت مرحله ای را روی بیلت های سیم مسی ریز نورد شده با سرعت خط تولید انجام می دهد. این روش جایگزین روش بازپخت دسته ای قبلی می شود و مزایای اقتصادی قابل توجهی را نشان داده است، اما به طور مداوم به مس با کیفیت- بالا نیاز دارد.

3. خواص الکتریکی و حرارتی مس

مس نه تنها رسانای خوب الکتریسیته است، بلکه رسانای خوبی برای گرما نیز هست. استاندارد برای ارزیابی سایر رساناها "استاندارد بین المللی مس آنیل شده" است که در سال 1913 منتشر شد و بیان می کند که مس رسانایی 100% دارد.

4. آلیاژ مس با رسانایی بالا

بسیاری از آلیاژهای مس و آلیاژهای مس با رسانایی بالا وجود دارد که همگی کاربردهای خاص خود را در انواع مختلف دستگاه های قدرت دارند. اکثر عناصر حلالیت خاصی در مس دارند. و این مواد نامحلول تقریباً هیچ تأثیری بر رسانایی ندارند و اغلب برای بهبود پردازش مکانیکی و سایر خواص مس با رسانایی بالا اضافه می شوند.

تا کنون مفیدترین آلیاژ برای طراحان ترانسفورماتور مس نقره است. افزودن نقره به مس خالص به میزان قابل توجهی دمای نرم شدن آن را افزایش می دهد و تقریباً هیچ تأثیری بر رسانایی نخواهد داشت. حداقل مقدار نقره اضافه شده به آلیاژهای مس نقره 0.01٪ است که می تواند استحکام مکانیکی مورد نیاز سیم پیچ های مسی ترانسفورماتور را فراهم کند، در برابر نیروهای اتصال کوتاه- ناشی از خطاهای خارجی و اتصال کوتاه در حین کار مقاومت کند و سایر خواص مکانیکی مس، به ویژه مقاومت در برابر خزش را بهبود بخشد. عیب این ماده این است که پس از افزودن نقره، سختی آن افزایش می‌یابد و باد کردن آن را دشوار می‌کند، بنابراین استفاده از آن به ترانسفورماتورهای بسیار بزرگ محدود می‌شود که به استحکام مکانیکی بسیار بالایی نیاز دارند.

اطلاعات بیشتر در مورد مس الکتریکی، از جمله استخراج مس و خواص الکتریکی و مکانیکی آن را می توانید از جزوه "مس با رسانایی بالا" منتشر شده توسط انجمن توسعه مس بریتانیا بدست آورید. توضیحات قبلی مس بر اساس این کتابچه بود.

5. سیم سیم پیچ مسی

سیم مسی مورد استفاده در سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور تقریباً کاملاً مستطیلی-مفتول مسی یا نوار مسی با مقطع مستطیلی است، مطابق با استاندارد اروپایی EN13601:2002 "مس و مس دی الکتریک طلا، میله مسی و سیم مسی برای مصارف عمومی برق". علاوه بر مشخص کردن خلوص، گرد کردن، مقاومت و حاشیه اندازه مورد نیاز برای هادی های مسی، ضمیمه اندازه های توصیه شده را نیز فهرست می کند. سیم پیچ ساخته شده از سیم مسی گرد دارای چرخه کاری کمتر و پایداری مکانیکی ضعیف تری در مقایسه با سیم پیچ مسطح مسطح است. سیم مسی گرد عموماً فقط در ترانسفورماتورهای توزیع کوچک با ولتاژ متوسط ​​استفاده می شود و سیم گرد به صورت سیم میناکاری شده است. سیم پیچ های نوع خاص باید با سیم مسی گرد پیچیده شوند