جلوگیری از دمای نقطه داغ در مبدل توزیع با استفاده از سیال مغناطیسی به عنوان خنک کننده

چکیده

واژگان کلیدی 

1- مقدمه 

2- آزمایش 

2-1 ترکیب و مشخصات سیال مغناطیسی  

2-2 طراحی و ساخت نمونه اولیه مبدل 

3- نتایج و بحث 

3-1  پروفایل دمای نمونه اولیه مبدل  

3-2 محاسبه احتمال طول عمر عادی  

4– نتیجه گیری

سیال مغناطیسی فریت Mn-Zn (TCF 56) با مغناطیس پذیری سیال 5.6mT و ضریب گرما- مغناطیسی بالا به عنوان خنک کننده در نمونه اولیه مبدل با توان3kWو در شرایط بارگذاری بیش از حد (167 %)، بررسی شده است. دمای سیم پیچ مبدلی که در داخل سیال مغناطیسی فرو برده می شود، پس از 3 ساعت به 8/396 کلوین می رسد که 20 کلوین از زمانی که همین آزمایش با روغن خالص مبدل انجام می شود، کمتر است. به طور مشابه، هنگام استفاده از TCF-56، دمای بخش بالایی روغن و هسته نیز به ترتیب 14 و 21 کلوین افزایش می یابند. این عملکرد خنک-سازی TCF-56 به همرفتی گرمایی- مغناطیسی نسبت داده می شود که به دلیل تغییر زیاد در مغناطیسی شدن این سیال با افزایش دما ایجاد می گردد. با استفاده از عدد رایلی می توان علت این پدیده را توضیح داد. طول عمر عادی مبدل تحت شرایط بارگذاری بیش از حد 167 % برای روغن خالص و TCF-56 محاسبه شده است. نتایج حاکی از این است که احتمال داشتنطول عمر عادی در هنگام استفاده از سیال TCF-56 در مقایسه با استفاده از روغن خالص، 9 برابر افزایش می¬یابد. از این مطالعه نتیجه گرفته می شود که سیال مغناطیسی فریت (Mn-Zn (TCF-56که در مبدل استفاده می شود، می تواند در مقایسه با توان اسمی اش، توان بیشتری را تحویل دهد و طول عمر عادی اش افزایش می یابد.

مبدل دستگاه الکتریکی ایستایی است که با استفاده از اصل القای متقابل کار می کند. در هنگام انتقال توان، مقداری از توان ورودی اتلاف می شود، مانند اتلاف هسته، اتلاف هیسترزیس، اتلاف جریان گردابی و اتلاف سرگردان. این اتلاف ها به مرتبه ی 1 % از بار کامل اسمی آن است و می توان آن را با استفاده از روش-های زیر حداقل کرد : (1) با استفاده از ماده مغناطیسی مرغوب-تر در هسته (2) تنظیم ضخامت لایه فولادی (3) بستن خطوط شارش نشتی و غیره. با افزایش توان اسمی مبدل، این اتلاف ها نیز افزایش می یابند و در نتیجه دمای داخل مبدل بالا می رود. حدّ بالایی دما در هر یک از اجزاء مبدل باید معیاری را برآورده سازد که در استانداردهای مربوطه تعریف شده است (1، 2). برای مطابقت با این مشخصات، برای پراکنده سازی دمای بالایی که این اتلاف ها ایجاد می کنند، به سازوکار خنک سازی نیاز داریم. سازوکاری که معمولاً برای انجام این کار استفاده می شود، جریان هوای طبیعی یا جریان روغن عایق سازی است. در مبدل توزیع خنک شده با روغن، سازوکار انتقال گرما مبتنی بر قانون ارشمیدس است. اما این سازوکار نسبتاً ضعیف است و کارآیی اندکی دارد، به دلیل اینکه در سراسر مخزن روغن گردایان دمایی زیادی مشاهده می شود که باعث می شود دمای بسیار زیادی در ناحیه بین هسته و سیم پیچ ها و بین سیم پیچ ها ایجاد گردد که به «نقطه داغ» معروف است. این نقطه داغ سبب تخریب عایق سیم پیچ ها و همچنین اجزاء رسانای مبدل می شود که نهایتاً جرقه های پی در پی ایجاد می شود. به همین دلیل، روغن عایق تجزیه می شود و کربن روغن تشکیل می دهد و نقطه اشتعال روغن کاهش پیدا می کند. همه این اتفاقات در نهایت باعث نارسایی مبدل می گردد. دمای نقطه داغ (HST) طول عمر عادی مبدل مورد بارگذاری را تعیین می کند. مقدار مجاز HST در بار اسمی توسط ANSI (مؤسسه استاندارد آمریکا) مشخص می شود. این مقدار تابعی از افزایش دمای مقاومتی در سیم پیچ است (2). برای ممانعت از دمای نقطه داغ سیم پیچ و/یا کاستن از آن، اغلب از سازوکار خنک سازی کمکی با پرّه ها یا دستگاه های پمپاژ برای پخش کردن روغن داخل مخزن مبدل استفاده می شود. با این حال، افزودن پره-ها به فضای بیشتری نیاز دارد و وزن کلی مبدل را افزایش می-دهد. در سوی دیگر، پمپ های روغن نیز بزرگ و سنگین هستند و توان زیادی مصرف می کنند و مرتباً باید از آنها نگهداری کرد. روش جایگزین برای افزایش پراکندگی گرما، اصلاح ویژگی های خنک کنندگی روغن مبدل است. محققان زیادی پتانسیل جایگزین سازی روغن عایق با سیال مغناطیسی را برای از بین بردن «نقطه داغ» در هسته مبدل و سیم پیچ هایش مشاهده کرده اند (21- 3). ایده انجام این کار استفاده از سیال مغناطیسی (سیال فرو) است که دمای کوری آن نزدیک به دمای دستگاه (393 کلوین) است طوری که در اثر همرفتی شناورسازی مغناطیسی حاصل می شود (3). جریان همرفتی حاصل گرما را منتقل می کند، خنک تر می گردد و بار دیگر مغناطیسی می شود تا چرخه بازتولید تکرار شود (22). این امر فرصت هایی را برا خنک-سازی غیرفعال مدارهای الکتریکی، ماشین آلات و فرآیندها فراهم می کند (23). باید اضافه کرد که بحیرائی و همکاران (26-24) مشخصات گرمایی- آبی را در سیال نانوی فریت Mn-Zn مبتنی بر آب در حفره مربع حلقوی و مبدل گرمای دو- لوله ای در حضور سیال مغناطیسی مطالعه کردند. مطابق با این گزارش، انتقال گرما بین سیال و دیواره افزایش می یابد. محاسبات نظری بسیار زیادی درباره مبدل مدل 2- بعدی (20) و 3- بعدی که تحت شرایط اسمی کار می کنند، نشان می دهد که هنگام استفاده از سیال مغناطیسی، دمای نقطه داغ 10 تا 30 درجه کلوین کاهش می یابد. با این وجود، نتایج تجربی (20-16) که وی. سگال (17) گزارش داده است، نشان داده اند که دمای سیم پیچ 6/3 کلوین کاهش می یابد. به طور مشابه، استویان (18) مشاهده کرد که دمای داخل هسته سیم پیچ که با برق جریان متناوب 50 هرتزی کار می کند، 4/3 کلوین کاهش می یابد. سیال مغناطیسی مورد استفاده در این آزمایش ها سیال دارای ذرات سنگ آهن مغناطیسی بود که دمای کوری آن بالا و به اندازه 858 کلوین است (27). بنابراین، برای بدست آوردن مقدار نظری کاهش دما، به سیال مغناطیسی نیاز داریم که دمای کوری اش نزدیک به دمای کوری دستگاه باشد و همچنین باید ضرایب گرمایی- مغناطیسی بالایی را در محدوده دمای عملیات داشته باشد. انگیزه انجام این مطالعه همین کار است. در تحقیق حاضر، سیال مغناطیسی Mn-Zn را طراحی کرده ایم که دمای کوری آن (380 کلوین) نزدیک به دمای دستگاه است. این سیال ضریب گرمایی- مغناطیسی بالایی دارد که این مقدار حدود 5 برابر بیشتر از آهن مغناطیسی در محدود دمای عملیاتی (393- 373 کلوین) است. برای بررسی کارآیی این سیال مغناطیسی ترکیبی به عنوان خنک کننده، بر روی مبدل نمونه تک فاز kW3 در شرایط بارگذاری بیش از حدّ، آزمایش انجام شد. احتمال (امید) طول عمر عادی تحت شرایط بارگذاری بیش از حد با استفاده از نتایج برآورد می شود.