หม้อแปลงจำหน่ายและหม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency: ตัวกรองด่านแรกคือความถี่

บทความนี้เขียนให้วิศวกรด้านแหล่งจ่ายไฟ ชิ้นส่วนแม่เหล็ก และจัดซื้อ ที่ทำงานกับ distribution transformer (หม้อแปลงจำหน่าย) หม้อแปลงโครงข่าย หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง และหม้อแปลงแยกวงจรที่ mains frequency (ความถี่ของระบบไฟฟ้ากำลัง 50/60 Hz) คุณอาจกำลังหาลวดพันขดลวดให้หม้อแปลงสักตัว และอยากรู้ว่าควรพิจารณาลวดฉนวนสามชั้น (TIW) หรือไม่ ขอสรุปก่อน: ก่อนจะเสียเวลาเทียบระดับความทนความร้อน ระบบการรับรอง และขนาดลวด ให้ใช้ตัวกรองเดียวคือ "ความถี่" ตัดสินอย่างรวดเร็วก่อน distribution transformer และหม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency (50/60 Hz) โดยพื้นฐานไม่ใช่สนามของ TIW และตัวกรองด่านแรกก็คัดออกไปแล้ว บทความนี้อธิบายว่าทำไมความถี่จึงเป็นเกณฑ์ที่เร็วที่สุดและอยู่ชั้นบนสุด พร้อมบอกตรง ๆ ว่าไม่มีตัวเลขขีดแบ่งค่าเดียว ค่าตัวเลขของผลิตภัณฑ์ DAH JIN ทั้งหมดให้ยึด "ตามเอกสารอนุมัติสเปก" เสมอ

1. ตัวกรองด่านแรก: ถามก่อนว่า "หม้อแปลงของคุณอยู่ในโลกความถี่ไหน"

การจะตัดสินว่าควรใช้ TIW หรือไม่ ต้องแยกโลกความถี่สองโลกให้ชัดก่อน:

• โลก mains frequency: distribution transformer หม้อแปลงโครงข่าย หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง และหม้อแปลงแยกวงจรที่ mains frequency ทำงานที่ความถี่ไฟฟ้าหลัก 50/60 Hz เดินตามชุดการออกแบบและการรับรองของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง (เช่น อนุกรม IEC 60076 สำหรับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง ขึ้นกับการออกแบบ)
• โลกความถี่สูง: หม้อแปลงแยกวงจรความถี่สูงในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิง (SMPS) ทำงานที่หลายสิบถึงหลายร้อย kHz ระบบเอกสารอนุมัติสเปกของ TIW ซึ่งได้แก่ UL 2353, IEC 62368-1 Annex J (การแยกวงจรด้านความปลอดภัยของอุปกรณ์เทคโนโลยีสารสนเทศและเครื่องเสียง/ภาพ) ส่วนด้านการแพทย์ให้ยึดตามเอกสารอนุมัติสเปกนั้น ถูกประเมินมาเพื่อโลกนี้โดยตรง

ทำไม "ความถี่" จึงอยู่ด่านแรก? เพราะเมื่อความถี่ตกอยู่ที่ mains frequency รูปแบบตัวนำของขดลวด วิธีทำฉนวน และข้อเรียกร้องด้านขนาด จะเปลี่ยนไปเป็นอีกชุดหนึ่งทั้งหมด จุดคุณค่าของ TIW จึงไม่มีทางเกิดขึ้นได้ ถึงตรงนี้คุณไม่ต้องเทียบระดับความทนความร้อน ระบบการรับรอง หรือขนาดลวดต่ออีก เพราะตัวกรองด่านแรกให้คำตอบแล้ว การวางเกณฑ์ชั้นบนที่ตัดได้เด็ดขาดไว้ข้างหน้า จะทำให้การเทียบรายละเอียดที่ตามมาไม่เสียเปล่า

2. ขดลวดที่ mains frequency อาศัยระยะห่างบวกน้ำมัน/กระดาษ ไม่ได้อาศัยฉนวนเสริมแรงของลวดเส้นเดียว

ขดลวดของ distribution transformer และหม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency เป็นตัวนำพื้นที่หน้าตัดใหญ่: ลวดทองแดงอาบน้ำยา (enamel-coated magnet wire) หน้าตัดกลมหรือสี่เหลี่ยม ฟอยล์ทองแดงและแถบทองแดง (sheet/strip winding) ส่วนเครื่องขนาดใหญ่มักใช้ CTC (continuously transposed conductor ตัวนำสลับตำแหน่งต่อเนื่อง ประกอบจากลวดทองแดงอาบน้ำยาหน้าตัดสี่เหลี่ยมหลายเส้นสลับตำแหน่งพันรวมกัน) ด้านแรงดันต่ำกระแสสูง จึงมักใช้ฟอยล์/แถบทองแดงพื้นที่กว้าง ส่วนด้านแรงดันสูงใช้ลวดอาบน้ำยาที่เล็กกว่า

ฉนวนระหว่างด้านปฐมภูมิกับด้านทุติยภูมิของมันอาศัยระยะห่างบวกสารไดอิเล็กทริก ไม่ได้อาศัยฉนวนเสริมแรงของลวดเพียงเส้นเดียว: กระดาษชุบน้ำมัน (oil-impregnated paper) pressboard (กระดาษอัดแข็งฉนวน) ระยะห่างระหว่างรอบและระหว่างชั้น และสมบัติไดอิเล็กทริกของน้ำมันเอง ตัวกลางน้ำมันทำให้ระยะห่างตามผิวฉนวนและ clearance ที่ต้องการสั้นลงกว่าในอากาศอย่างมาก และนี่คือเหตุผลที่หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังแบบแช่น้ำมันทำการแยกวงจรแรงดันสูงได้ในขนาดที่สมเหตุสมผล

เทียบกับจุดคุณค่าของ TIW ซึ่งคือการใช้ลวดเส้นเดียวทำการแยกวงจรแบบเสริมแรง (Reinforced) ระหว่างด้านปฐมภูมิกับด้านทุติยภูมิให้เสร็จ ตัดเทปแยกวงจรและระยะห่างตามผิวฉนวนออก และทำให้หม้อแปลงความถี่สูงขนาดเล็กเล็กลงอีก: บนขดลวดหน้าตัดใหญ่ที่ mains frequency ไม่มีความต้องการนี้เลย หม้อแปลงที่ mains frequency มีการแยกวงจรด้านปฐมภูมิ/ทุติยภูมิแน่นอน แต่ทำได้ด้วยระยะห่างบวกน้ำมัน/กระดาษ ไม่ได้เดินเส้นทาง "แยกวงจรแบบเสริมแรงด้วยลวดเส้นเดียว" อย่าง TIW ความต่างด้านตำแหน่งระหว่าง TIW กับลวดทองแดงอาบน้ำยาที่ใช้ในขดลวด mains frequency ดูเพิ่มได้ที่ แยก TIW, FIW และลวดทองแดงอาบน้ำยาอย่างไร

3. สนามของ TIW อยู่อีกฝั่ง: ความถี่สูง ขนาดเล็ก แยกวงจรแบบเสริมแรงด้วยลวดเส้นเดียว

ตัว TIW เองคือลวดทองแดงอาบน้ำยาเส้นเดียวที่ค่อนข้างเล็ก หุ้มฉนวนเพิ่มสามชั้น หน้าที่ของมันคือ ในหม้อแปลงแยกวงจรความถี่สูงขนาดเล็กของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิง ใช้ลวดเพียงเส้นเดียวสร้างการแยกวงจรแบบเสริมแรงระหว่างด้านปฐมภูมิกับด้านทุติยภูมิ ตัดเทปแยกวงจรและระยะห่างตามผิวฉนวนออก เพื่อให้หม้อแปลงเล็กลงและบางลง

คุณค่าชุดนี้ตั้งอยู่บนเงื่อนไข "ความถี่สูง" แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิงจะแปลงไฟฟ้าหลัก 50/60 Hz เป็นกระแสสลับความถี่สูงหลายสิบถึงหลายร้อย kHz ก่อน แล้วจึงคู่ควบผ่านหม้อแปลง เมื่อยกความถี่ขึ้น ขนาดหม้อแปลงก็ลดลงได้มาก และ TIW ยังบีบโครงสร้างแยกวงจรให้บางลง ขนาดจึงลดลงไปอีกขั้น มาตรฐานที่ใช้ประเมิน (UL 2353, IEC 62368-1 Annex J) วัตถุที่ถูกประเมิน (หม้อแปลงแยกวงจรความถี่สูงขนาดเล็ก) และคุณค่าที่มันให้ (การย่อขนาดบวกการแยกวงจรแบบเสริมแรงด้วยลวดเส้นเดียว) เป็นสามด้านที่ไม่ตรงกับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังที่ mains frequency เลยสักด้าน พูดอีกอย่างคือ สนามหลักของ TIW คือหม้อแปลงแยกวงจรแบบสวิตชิงความถี่สูง ไม่ใช่ distribution transformer หรือหม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency

4. ตารางเทียบ: จำหน่าย/โครงข่ายที่ mains frequency vs สวิตชิงความถี่สูง (สนามของ TIW)

• ความถี่ — Distribution transformer/หม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency：Mains frequency (ความถี่ของระบบไฟฟ้ากำลัง) 50/60 Hz (ความถี่ต่ำ)；หม้อแปลงแยกวงจรของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิงความถี่สูง (สนามของ TIW)：หลายสิบถึงหลายร้อย kHz
• ตัวนำขดลวด — Distribution transformer/หม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency：หน้าตัดใหญ่: ลวดทองแดงอาบน้ำยาสี่เหลี่ยม/กลม ฟอยล์/แถบทองแดง CTC；หม้อแปลงแยกวงจรของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิงความถี่สูง (สนามของ TIW)：ลวดทองแดงอาบน้ำยาเส้นเดียวค่อนข้างเล็ก (TIW ขนาดลวดตามเอกสารอนุมัติสเปก)
• วิธีทำฉนวนด้านปฐมภูมิ/ทุติยภูมิ — Distribution transformer/หม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency：กระดาษชุบน้ำมัน pressboard ระยะห่างบวกตัวกลางน้ำมัน；หม้อแปลงแยกวงจรของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิงความถี่สูง (สนามของ TIW)：ฉนวนเสริมแรงสามชั้นบนลวดเส้นเดียว ไม่ต้องใช้เทปแยกวงจร ไม่ต้องมีระยะห่างตามผิวฉนวน
• ข้อเรียกร้องด้านขนาด — Distribution transformer/หม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency：ใหญ่และหนักอยู่แล้ว ไม่ได้ย่อขนาดด้วยลวดเส้นเล็ก；หม้อแปลงแยกวงจรของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิงความถี่สูง (สนามของ TIW)：อาศัยความถี่สูงบวก TIW ทำให้หม้อแปลงขนาดเล็กเล็กลงอีก
• ระบบการรับรอง — Distribution transformer/หม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency：ระบบของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง (อนุกรม IEC 60076 ขึ้นกับการออกแบบ)；หม้อแปลงแยกวงจรของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิงความถี่สูง (สนามของ TIW)：UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (ด้านการแพทย์ตามเอกสารอนุมัติสเปก)
• ผลของตัวกรองด่านแรก — Distribution transformer/หม้อแปลงโครงข่ายที่ mains frequency：เป็น mains frequency ก็ตกรอบ ไม่ต้องเทียบระดับความทนความร้อน/ขนาดลวด；หม้อแปลงแยกวงจรของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิงความถี่สูง (สนามของ TIW)：เข้าสู่สนามของ TIW รายละเอียดยังคงตามเอกสารอนุมัติสเปก

5. ใช้ตัวกรองด่านแรกอย่างไร (เกณฑ์สำหรับฝ่ายขายและวิศวกรรม)

แปลงตัวกรองนี้เป็นสองขั้น:

• ขั้นที่ 1: ถามความถี่: หม้อแปลงของคุณเป็น distribution transformer หม้อแปลงโครงข่าย หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง หรือหม้อแปลงแยกวงจรที่ mains frequency (50/60 Hz) ใช่หรือไม่? ถ้าใช่ TIW ไม่สามารถใช้ได้ ตัวกรองด่านแรกจบตรงนี้ ไม่ต้องเทียบระดับความทนความร้อนหรือขนาดลวดต่อ
• ขั้นที่ 2: ถ้าเป็นความถี่สูง: ต่อเมื่อเป็นหม้อแปลงแยกวงจรความถี่สูง (หลายสิบ kHz ขึ้นไป) ขนาดเล็กในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิง จึงจะเข้าสู่สนามของ TIW แล้วจึงเดินต่อไปสู่การเลือกรุ่นและการกำหนดขอบเขตตามเอกสารอนุมัติสเปก (ระดับความทนความร้อน ช่วงขนาดลวด ฯลฯ ดู คู่มือการเลือกลวด) ส่วนแผนภูมิการตัดสินใจภาพรวมว่า "ผลิตภัณฑ์ของฉันต้องใช้ TIW หรือไม่" ดูที่ ผลิตภัณฑ์ของคุณต้องใช้ TIW หรือไม่

ข้อสงวนอย่างตรงไปตรงมา: ไม่มีตัวเลขเดียวที่ทั่วโลกใช้ร่วมกันแบบ "ต่ำกว่ากี่ kHz ตกรอบทันที" ที่จะอ้างเป็นแหล่งข้อมูลปฐมภูมิได้ เส้นแบ่งที่เชื่อถือได้เป็นเชิงคุณภาพ: หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังที่ mains frequency/ความถี่ต่ำ เทียบกับหม้อแปลงแยกวงจรแบบสวิตชิงความถี่สูง (หลายสิบถึงหลายร้อย kHz) สนามของ TIW อยู่ฝั่งหลัง หลักฐานทางอ้อมคือ มาตรฐานความปลอดภัยมีเอกสารการประสานฉนวนแยกต่างหากสำหรับความเครียดแรงดันความถี่สูง (IEC 60664-4 ใช้กับความถี่มูลฐานสูงกว่า 30 kHz) ส่วนย่านต่ำกว่านั้นดูเพียงค่ารากกำลังสองเฉลี่ยของแรงดัน โจทย์จึงค่อนข้างง่าย ซึ่งก็ชี้ว่า "ความถี่เปลี่ยน โจทย์ฉนวนทั้งชุดก็เปลี่ยน" DAH JIN เป็นผู้ผลิต (โรงงานของตนเองในเขตกุยเหริน เมืองไถหนาน ไต้หวัน) เอกสารอนุมัติสเปกกำหนดรุ่นและช่วงขนาดลวด และต่อภายนอกให้ยึดตามเอกสารอนุมัติสเปกเสมอ