دقيق قضيب توصيل نحاسي يُعد تحديد المقاس أمرًا حيويًّا لضمان توزيع التيار الكهربائي بشكل آمن وموثوق وفعال. تعمل القضبان الموصلة على توزيع التيارات العالية في المفاتيح الكهربائية ولوحات التوزيع. ويؤدي تحديد المقاس غير المناسب إلى ارتفاع شديد في درجة الحرارة، وفقدان الطاقة، وانخفاض الجهد، واحتمال حدوث أعطال مثل تلف العزل أو نشوب حريق. ولذلك، فإن فهم العوامل المؤثرة وطرق تحديد المقاس أمرٌ ضروري.
تتحدد السعة الحالية (قدرة تحمل التيار) لقضبان التوصيل بشكل أساسي بالكفاءة الحرارية (ارتفاع درجة الحرارة)، وسعة التيار، وانخفاض الجهد. ويُعد ارتفاع درجة الحرارة عادةً أحد العوامل الأكثر أهمية، لا سيما في الغرف. ويجب تبديد الحرارة الناتجة عن الخسائر التي تُحسب وفقًا للصيغة $I ^ 2R$ للحفاظ على درجة الحرارة ضمن الحدود المسموح بها.
تعتبر الصيغة المبسطة لـ ΔT متناظرة مع فقدان القدرة الكهربائية وعكسية التناسب مع موقع تبديد الحرارة. ΔT ≈ 1000 × فقدان الطاقة × 1.1 × المساحة بالسنتيمتر المربع ΔT ≈ 1.1 × المساحة بالسنتيمتر المربع × 1000 × فقدان الطاقة. هذه القيمة تقريبية ولا تغطي كل انتقال الحرارة.
يقلل انتقال الحرارة عبر الوصلات من ارتفاع درجة الحرارة في منطقتك. تُقيّم طريقة «شبكة الحرارة» دوران الحرارة مع الأخذ في الاعتبار معامل الانتقال (α)، والمساحة (A)، والمقاومة الحرارية (R)، وΔT. وقد يشير ارتفاع قيمة ΔT المقاسة إلى وجود حرارة خارجية أو انخفاض في التبديد الحراري.
في حالة الدوائر القصيرة، يُفترض أن ΔT تمثل الحرارة التي يمتصها الموصل مع انتقال حراري ضئيل للغاية خلال تلك الفترة القصيرة. والمتغيرات الأساسية هي الزمن (T)، ومستويات درجة الحرارة الأولية (Θ1) والقصوى المسموح بها (Θ2)، والمساحة (A)، والقيمة الفعالة للتيار (I)
تقوم الإصدارات الشاملة بتقييم الخصائص الحرارية في حالة الاستقرار، بما في ذلك التيار، والمقطع العرضي، والطول، وتغير المقاومة النوعية للمادة، ومقاومة التلامس. وتعتبر خصائص المنتج مثل المقاومة النوعية (ρa) والتوصيل الحراري (λ) ومعامل درجة الحرارة (α0) من العوامل المهمة. ويتناسب ΔT عكسياً مع مساحة المقطع العرضي.
يعتمد انخفاض الجهد على التيار ومقاومة قضبان التوصيل. وتكون مقاومة التيار المتردد أكبر من مقاومة التيار المستمر نتيجة لتأثيرات التناظر مثل تأثير السطح وتأثير القرب.
يتطلب تحديد الحجم بدقة معلومات أساسية تحدد المشكلات الكهربائية والبيئية:
مواصفات أخرى متنوعة:
توجه هذه المواصفات إلى خيارات الطرق وتخفيض القيم الاسمية من أجل تحديد الأبعاد المطلوبة.
يؤثر الترتيب المادي والبيئة تأثيراً استثنائياً على سعة التيار والكفاءة الحرارية.
العزل/التهوية: تتميز قضبان التوصيل المغلقة بقدرة تحمل تيار أقل مقارنةً بالقضبان الخارجية بسبب محدودية تدفق الهواء. ويتم تحديد قدرة تحمل التيار بالوحدات بشكل أساسي من خلال اختبارات ارتفاع درجة الحرارة (UL، ANSI). ولا يمكن الاعتماد على القواعد البسيطة المتعلقة بسماكة التيار في الأنظمة المغلقة. ويجب أن يكون التبديد الحراري ضمن سعة الغلاف. كما أن التبريد القسري يزيد من القدرة مقارنةً بالحمل الحراري الطبيعي.
القضبان المتوازية/تخفيض السعة: تؤدي القضبان المتطابقة إلى زيادة السعة؛ إلا أن التوزيع الحالي غير المتكافئ يحدث نتيجة للتفاوتات المسموح بها، والوصلات، والمفاعلة. وهذا يستلزم تخفيض السعة الكهربائية الإجمالية المذكورة إلى ما دون السعة المحددة لكل قضيب. وتزداد عوامل تخفيض السعة مع زيادة عدد القضبان المتطابقة. وتكون السعة الحالية في القضبان من النوع $n$ أقل بكثير من $n$ مضروبًا في سعة قضيب واحد.
المسافة/الاتجاه: يؤثر التباعد على انتقال الحرارة، كما يؤثر التقارب على الأداء. فزيادة التباعد تعزز التبديد وتزيد من سعة التيار. وتكون كفاءة التبريد في الترتيبات المتجاورة أقل مقارنة بالترتيبات المكدسة.] كما أن زيادة التباعد بين الأضلاع أو عدد الثقوب إلى أقصى حد يعزز انتقال الحرارة. أما التبريد الهوائي للسطح السفلي الأفقي فهو أقل موثوقية.
معدات التعبئة المدمجة/الساندويتش: يتيح التغليف تصميمات صغيرة الحجم. كما أن التباعد الضيق بين المكونات يقلل من الحث والمقاومة وانخفاض الجهد والخسائر المغناطيسية.
متغيرات أخرى متنوعة: تقلل الوحدات المعدنية (الألومنيوم) من تأثيرات القرب وتسخين الوحدة. ويتطلب الارتفاع تخفيض السعة. وتؤدي التوصيلات الضعيفة إلى ارتفاع درجة حرارة الوحدة؛ لذا فإن توفير ضغط تلامس كافٍ أمر ضروري.
يأخذ عامل الحالة المركب (K) في الاعتبار العوامل التالية: تنوع القضبان (k1)، ومساحة السطح (k2)، والموقع (k3، k4)، وتدفق الهواء ($k5)، والنوع الموجود (k6). يزيد الطلاء من التبديد (k2 = 1.15). تختلف عوامل الموقع (k3 = 1 عند التركيب على الحافة، وk3 = 0.95 عند التركيب على القاعدة، على سبيل المثال).
يؤثر نوع التيار، ولا سيما تردد التيار المتردد، على تدفق التيار من خلال تأثيرات الجلد والقرب، مما يزيد من مقاومة التيار المتردد والفقدان.
تأثير الجلد: يؤدي تكييف الهواء الحالي إلى تركيز التيار بالقرب من السطح، مما يقلل من المساحة الفعالة. ويكون ذلك أكثر وضوحًا عند الترددات الأعلى. يبلغ عمق الجلد (حيث ينخفض سمك التيار إلى ~ 37%) حوالي 8.5 مم للنحاس عند 50 هرتز. وهذا يحد من كثافة القضبان الموصلة الفعالة إلى ما دون 10 مم. وتُستخدم المعاملات (ys) والصيغ التجريبية لتقدير الخسائر الإضافية.
تأثير القرب: تولد الحقول الكهرومغناطيسية الصادرة عن الموصلات القريبة تيارات دوامية، مما يؤدي إلى تراكمها في بعض المناطق. ويؤدي ذلك إلى زيادة مقاومة التيار المتردد وفقدان الطاقة بشكل فعال، لا سيما عند وجود مسافات قريبة بين الموصلات. وقد يزداد فقدان الطاقة بوتيرة أسرع من الموقع.
يقيس عامل المسافة (K=RAC/RDC) زيادة المقاومة. ويؤدي تقليل التباعد إلى ارتفاع قيمة عامل المسافة وزيادة الخسائر.
التأثير المتكامل/التخفيف: يؤدي كلا التأثيرين إلى زيادة المقاومة في مكيف الهواء، وفقدان الطاقة I2R، وانخفاض الجهد. وهذا أمر مهم في حالة التيارات العالية (> 2000 أمبير) والأنظمة الطويلة.] وتؤثر الزيادات الطفيفة في الفقد ماليًّا. كما تؤدي المفاعلة غير المتوازنة إلى حدوث تفاوتات في الجهد وقوى كهرومغناطيسية
تقنيات الاختزال:
يتم حساب التأثير المختلط من خلال معامل تصحيح (S) = عامل المظهر الجلدي (Sk) * عامل القرب (Sp).
يتطلب تحديد الأحجام اتباع منهجيات تستند إلى معايير السلامة والموثوقية. وتقوم التقنيات بحساب المساحة المطلوبة بناءً على الزيادة المسموح بها في درجة الحرارة في حالة التيار المستمر، مع مراعاة تأثيرات البيئة وتأثيرات تكييف الهواء. وغالبًا ما يكون هذا الأمر متكررًا [15]
المعايير الرئيسية:
يعتمد اختيار التقنية على مدى تعقيد النظام، والدقة المطلوبة، والجدول الزمني للمعلومات، والمعايير التنظيمية. أما أنظمة المنشآت أو تلك التي تتجاوز حدود الحوسبة، فتحتاج إلى فحص مادي.
بعد تحديد المساحة المقطعية المطلوبة، اختر الحجم والكثافة المناسبين. ضع في اعتبارك الأحجام الأساسية، والمتانة الميكانيكية، والأداء الحراري، وتدفق التيار.
تتوفر قضبان التوصيل النحاسية بأبعاد مستطيلة قياسية. اختر الأبعاد التي تناسب المساحة المتاحة (على سبيل المثال، قد تبلغ أبعاد المساحة البالغة 500 مم 50×10 مم أو عدة قضبان متوازية).
تُعد الكثافة الحالية معيارًا صارمًا. ويكون السماكة المسموح بها أكبر بالنسبة للقضبان الأصغر حجمًا. ويبلغ التقدير التقريبي للنحاس في الهواء الساكن حوالي 2 أمبير/مم² (A/mm²).
يوازن خيار الأبعاد النهائية بين الكفاءة الكهربائية/الحرارية، والمتطلبات الميكانيكية، والمساحة، والسعر، وقابلية التصنيع.
توفر البرامج المتطورة تحليلاً شاملاً وتحسينًا لأنظمة المنشآت، والتيارات العالية، والحالات الانتقالية باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) وحساب الديناميكا الحسابية للسوائل (CFD).
CENOS BBH: تحليل متكامل للخصائص الكهرومغناطيسية والحرارية والمعمارية لقضبان التوصيل AC/DC. يحاكي شبكات التوزيع الحالية، والتدفئة المنزلية باستخدام طاقة جول، ونقاط التسخين المركزة، وانخفاض الجهد، والضغط الحراري. يتيح تعديل التصميم وتحسينه. يدعم التحليل في حالة الاستقرار والتحليل قصير المدى.
أنسيس: يجمع بين المحاكاة الكهرومغناطيسية (ماكسويل) والحرارية (آيسباك). وهو مفيد لقضبان التوصيل في العاكس. حيث يحدد محلل ماكسويل قصير المدى توزيع الخسائر الأومية (التي تشمل تأثيرات تكييف الهواء)، ويتم نقل هذه البيانات إلى برنامج آيسباك لإجراء التقييم الحراري. .
EMWorks: محاكاة كهروحرارية تركز على مقاومة توليد الحرارة. يعمل محلل نقل التيار الكهربائي المدمج مع التحليل الحراري على محاكاة المساحة، وكثافة التيار، والقدرة، ودرجة الحرارة، والتغير الحراري. ويتطلب ذلك تحديد خصائص المنتج، والمدخلات (الحمل الحراري، ودرجة الحرارة المحيطة)، وتكوين شبكة العناصر.
JMAG-Designer: يتضمن تحليل الإجهاد الحراري لقضبان التوصيل. ويتنبأ بارتفاع مستوى درجة الحرارة وتقلباتها بناءً على تقييم توليد الحرارة الناتج عن المجال المغناطيسي.
تتيح هذه الأجهزة إجراء تحليل متعمق يتجاوز الأساليب اليدوية السابقة:
وهي تتطلب معرفة متخصصة، لكنها تساعد في صقل التصاميم، وتضمن الامتثال للمعايير، وتدفع حدود القدرات إلى أقصى حدودها. ويقوم تحليل التفاضل والتكامل الحسابي (CFD) بتقييم ارتفاع درجة الحرارة في ظل ظروف متعددة. وتعمل الصيغ التحليلية على أتمتة حساب سعة التيار ومعامل نقل الحرارة. ويمكن للمحاكاة أن تكمل أو تحل محل الاختبارات الفيزيائية أثناء مرحلة التصميم.
