נושא : הגנת יתרת שטף בשנאי (ANSI 24T)

בס"ד ‏יום שלישי 13 יוני 2023

הקדמה

בנושא זה נדון על הגנה אשר באה להגן על השנאי משני שטף יתר אשר יגרום בתורו לחום אשר יגרום להתחממות יתר של ליבת השנאי הנגרמת על ידי שטף יתר. יחס המתח והתדר (V/HZ) שכן יחס זה פרופורציונלי לרמת צפיפות השטף והוא הגורם האחראי לשטף יתר בשנאי.

תמונה מספר 1 : ממסר הגנת יתרת שטף מגנטי בשנאי

צפיפות השטף

השטף המגנטי הנוצר גם במהלך פעולתו התקינה של השנאי עובר דרך הליבה המגנטית, צפיפות השטף המקסימלית של ליבת שנאי המבוססת על פלדת סיליקון מעובדת בשיטת CRGO (קראו מאמר קודם להרחבה) היא בקירוב 1.9 טסלה ואם הליבה ממוגנטת מעל הקיבולת המתוכננת הליבה מגיעה לרוויה. הרוויה של הליבה גורמת לחימום הליבה ובשאר חלקי השנאי, צפיפות השטף בליבה לא צריכה לעלות מעל צפיפות השטף המתוכננת של הליבה כדי למנוע שטף יתר בליבה. לכן צפיפות השטף בעבודה של הליבה נשמרת תמיד מתחת לצפיפות השטף המתוכננת המקסימלית של הליבה. ממסר יתרת שטף משמש להגנה על השנאי מפני שטף יתר. ממסר יתרת שטף מודד את היחס של המתח לתדר כדי לחשב את השטף השורר בליבה.

תמונה מספר 2 : גרף רוויה מגנטית של פלדת סיליקון בעיבוד CRGO

השנאי מיועד לצפיפות שטף מתוכננת של 1.7 וובר למ"ר כך שניתן לאפשר עלייה של 110% בצפיפות השטף וניתן להפעיל את השנאי ברציפות ב-110% מצפיפות השטף המתוכננת ,למרות זאת ניתן לאפשר את פעולת השנאי מעל 110% ועד 130% מצפיפות השטף המתוכננת (אך לא למצב רוויה של השנאי) לפרק זמן קצר מאוד . אם צפיפות השטף עולה ל-140% הגנת השנאי תפסיק את הזנת השנאי באופן מידי כדי למנוע את הנזק הקבוע.

יתרת שטף בשנאי (המכונה גם רוויה מגנטית) מתרחש כאשר צפיפות השטף המגנטי בליבה מגיעה לגבול המקסימלי שלה. תהליך זה מתרחש כאשר השטף המגנטי העובר דרך הליבה גדל גם עוצמת השדה המגנטי עולה.

• ניתן לראות את זה במשוואות הבאה

B – צפיפות השטף המגנטי

H – עוצמת השדה המגנטי

μ – החלחלות של השדה המגנטי הנוצר בגרעין

ליבות שנאי עשויות בדרך כלל מחומרים פרומגנטיים, כגון ברזל או פלדה או פלדת סילקון, בעלי חלחלות גבוהה , לחומרים אלה תכונה הנקראת רוויה מגנטית ,בתחילה ככל שעוצמת השדה המגנטי (H) עולה, צפיפות השטף המגנטי (B) בליבה גדלה גם היא באופן ליניארי בהתאם לחלחלות החומר. עם זאת בשלב מסוים חומר הליבה מתמגנט במלואו ויכולתו להגביר עוד יותר את השטף המגנטי פוחתת ועליות נוספות בחוזק השדה המגנטי מביאות לעלייה קטנה בהרבה בצפיפות השטף המגנטי.

L_m – השראות מגנטית של הליפוף הראשוני.
N_p – מספר ליפופים של הצד הראשוני
μ₀– חלחלות הריק (4π∙10-7 [T∙m/A])
A_e – שטח חתך של הליבה המגנטית
L_e – אורך נתיב מגנטי של הליבה.
החלחלות של השדה המגנטי הנוצר בגרעין ליבת השנאי העשויה מחומר פרומגנטי ,אינה קבועה והיא תלויה ביחס של צפיפות השטף המגנטי לעומת עוצמת השדה (B/H) וכאן יש לנו 2 מצבים

1. במצב רגיל צפיפות השטף (B) גדלה ובאופן ייחסי עוצמת השדה (H) גדלה ולכן החלחלות של שדה המגנטי (μ)נשארת קבועה.
2. כאשר צפיפות השטף נכנסת לרוויה(B_m), עוצמת השדה (H) גדלה והיחס בין צפיפות השטף לבין עוצמת השדה קטן וכתוצאה מכך ההשראות המגנטית (L_m) תקטן באופן ייחסי וכאשר השראות המגנטית קטנה, היגב המגנוט (Xm) קטן, ולכן עבור מתח הזה קבוע, זרם המגנוט יגדל לפי חוק אום ובשל כך זרם המגנוט שגדל מגדיר את עוצמת השדה (H) מה שגורם לירידה חדה יותר ביחס צפיפות השטף לבין עוצמת השדה (B/H) ושוב ירידה בהשראות ועליה נוספת בזרם המגנוט (I) ,

כלומר צפיפות השטף (B) נכנסת לרוויה וזרם המיגנוט(I) תהליך זה ימשיך עד למצב שהשנאי שלנו יישרף בשל זרמי יתר בשנאי.

הגנת יתרת שטף

נתחיל עם קצת משוואות

B – צפיפות שטף מגנט

V – מתח אפקטיבי בוולטים

N – מספר ליפופים

A – שטח חתך ליבה בערכים של מטר בריבוע

F – תדר

ממשוואה זו אנחנו יכולים להוציא את מספר הערכים הקבועים שיש לנו והם שטח החתך הינו קבוע לשנאי נתון ומספרי הליפופים הינם קבועים ( למעט משנה דרגות אך ערכים קבועים של משנה הדרגות)

כלומר באופן יחסי אנחנו נשאר עם קבוע K .

ולכן

כלומר באופן ייחסי נוכל לומר כי השינוי בשטף הינו השינוי בייחס בין המתח לתדר.

מכאן אנו מסיקים כי צפיפות השטף פרופורציונלית ליחס בין מתח לתדר (V/f) ויש לזהות את היחס אם ערכו גדול מאחד. ממסר יתרת שטף מודד את מתח הכניסה ואת תדר הרשת והוא מחשב את היחס של המתח לתדר על בסיס זמן אמת ומשווה את הערך הנמדד עם הנתונים שהוגדרו לו בעת ההתקנה. הממסר מתוכנת לזמן הפוך כלומר ככל שהיחס גדול יותר הזמן מתקצר (יש לשים לב כי לכל שנאי תהיה הגדרה שונה של מהלך)

הגנת יתרת שטף לשנאי עם משנה דרגות

השטף בליבת השנאי הוא פרופורציונלי ל-V/f ויחס הפוך למספר הליפופים בצידו הראשוני של השנאי. לשנאי ללא מחליף דרגות יש את המספר הקבוע של סיבובים בראש והשטף הוא פרופורציונלי ישירות ליחס V/f. ממסר יתרת השטף מוגדר ל-110% מצפיפות השטף הנומינלית.

מחליף הדרגות מותקן בצד המתח הגבוה של השנאי ויש ובכך יתבצע שינוי במספר הליפופים. של הראשוני , כלומר אם המתח עולה ניתן להפחית את המתח במשני על ידי הגדלה של יחס הליפופים של השנאי דרך מחליף הדרגות וכך השטף בשנאי מצטמצם. עם זאת, הממסר יבחין במצב שטף היתר מכיוון שנקודת המדידה של המתח והתדר נלקחת בצידו הראשוני של השנאי. במצב זה הממסר יחוש את יתרת השטף למרות שהשטף בליבה נמצא בטווח המותר , במצב זה יש למנוע ממסר יתרת השטף להוציא את פקודת הפסקה למפסק. המתח המשני משתנה באופן פרופורציונלי לשינוי הליפופים בצידו הראשוני וניתן למדוד את השינוי באמצעות משנה מתח נוסף שיותקן בצידו הראשוני וניתן למנוע את ההפסקה של השנאי על ידי הגנת יתרת השטף בשל שינוי הדרגות והתאמת השטף למצב נורמלי.

תמונה מספר 3 – דיאגרמת חיבור שנאי עם משנה דרגות בעומס

תודה לאלי ברבי שהפנה את תשומת ליבי לבעיה טכנית שהייתה במאמר זה.

בהצלחה.