Функции и класификация на трансформаторните ядра

1. Функции на трансформаторните ядра

Практическите трансформатори винаги работят при условия на променлив ток (AC). Загубите на мощност възникват не само в съпротивлението на намотките, но и в сърцевината поради AC намагнитване. Загубата на мощност в сърцевината обикновено се нарича 'загуба на желязо' (или загуба на сърцевина), която се причинява от два основни фактора: 'загуба на хистерезис' и 'загуба на вихров ток'. Загубата на хистерезис е енергията, разсейвана по време на процеса на намагнитване поради явлението хистерезис. Големината на тази загуба е пропорционална на площта, затворена от хистерезисната верига на материала. Тъй като силиконовата стомана има тясна верига на хистерезис, използването й като материал на сърцевината значително намалява загубата на хистерезис и съществено минимизира генерирането на топлина.

Тъй като силиконовата стомана има тези предимства, защо сърцевината не е направена от твърд блок силициева стомана, а вместо това е обработена на тънки листове? Това е така, защото ламинираната сърцевина намалява друг вид загуба на желязо - загуба от вихрови токове. По време на работа променливият ток в намотките генерира променлив магнитен поток. Този променящ се магнитен поток индуцира токове в сърцевината. Тези индуцирани токове циркулират в равнини, перпендикулярни на посоката на магнитния поток и затова се наричат ​​вихрови токове. Загубата на вихров ток също причинява нагряване на сърцевината. За да се сведе до минимум тази загуба, ядрото на трансформатора е конструирано чрез подреждане на листове от силициева стомана, които са изолирани един от друг. Това принуждава вихровите токове да протичат през тесни контури с по-малка площ на напречното сечение, като по този начин увеличават електрическото съпротивление на пътя на вихровия ток. Освен това, силицият в стоманата увеличава електрическото съпротивление на материала, което допълнително помага за намаляване на вихровите токове. За трансформаторни сърцевини обикновено се избират студено валцувани листове от силициева стомана с дебелина 0,35 mm. Те се нарязват на правоъгълни ивици в съответствие с необходимите размери на сърцевината и след това се подреждат, за да образуват „осмица“ или правоъгълна рамка. На теория, колкото по-тънки са листовете от силиконова стомана и колкото по-тесни са лентите, толкова по-добър е ефектът при намаляване на вихровите токове. Това не само намалява загубата на вихрови токове и понижава повишаването на температурата, но също така спестява материал. Въпреки това, в реалното производство тези благоприятни фактори не са единствените съображения. Прекалено тънки и тесни листове би увеличило значително работното време и би намалило ефективната площ на напречното сечение на сърцевината. Следователно, когато се произвеждат сърцевини от силициева стомана, трябва да се претеглят плюсовете и минусите въз основа на конкретни обстоятелства, за да се изберат оптималните размери.

Трансформаторите се произвеждат на принципа на електромагнитната индукция. Две намотки са навити около затворено ядро: първичната намотка и вторичната намотка. Когато към първичната намотка се приложи променливо напрежение, през нея протича променлив ток, създавайки магнитодвижеща сила (MMS). Под въздействието на този ММП в сърцевината се генерира променлив главен магнитен поток. Този основен магнитен поток преминава през и свързва както първичната, така и вторичната намотка. Благодарение на електромагнитната индукция в двете намотки се генерират електродвижещи сили (ЕМС). Причината, поради която може да повишава или намалява напрежението, се обяснява със закона на Ленц: магнитният поток, генериран от индуцирания ток, винаги се противопоставя на промяната в първоначалния магнитен поток. Когато първоначалният магнитен поток се увеличи, магнитният поток, произведен от индуцирания ток, му се противопоставя. С други думи, индуцираният магнитен поток във вторичната намотка е противоположен на основния магнитен поток, произведен от първичната намотка, което води до по-ниско ниво на променливо напрежение във вторичната намотка. По този начин сърцевината служи като магнитна верига на трансформатора, докато намотките съставляват неговата електрическа верига.

2. Класификация на конфигурациите на ядрото на трансформатора

Ядра тип Shell и Core

Частта от сърцевината, около която са навити намотките, се нарича 'лимб на сърцевината', докато частта, която няма намотки, а служи единствено като магнитен път, се нарича 'иго'. Сърцевината се нарича 'тип черупка', когато сърцевината обгражда намотките, и 'тип сърцевина', когато намотките обграждат рамото на сърцевината. Конфигурациите тип корпус и тип ядро ​​имат своите различни характеристики, но производствените процеси, които диктуват, са значително различни. Веднъж избрана конкретна структура е трудно да се премине към друга. В Китай повечето трансформаторни сърцевини използват конструкция от тип подредени сърцевини.

Листовете от силиконова стомана се използват за нискочестотни трансформатори и се предлагат в различни видове. Въз основа на производствения процес те могат да бъдат разделени на:
A: Загряти (черни листове)
N: Незагряти (бели листове)

Въз основа на тяхната форма те могат да бъдат класифицирани в: EI-тип, UI-тип, C-тип и Square (Mouth) тип.

Листовете от силициева стомана с квадратен тип обикновено се използват в трансформатори с висока мощност. Те предлагат отлични изолационни характеристики, лесно разсейване на топлината и къс магнитен път. Те се използват предимно за трансформатори с номинална мощност над 500–1000 W и трансформатори с висока мощност. Набор от листове от силициева стомана, съставен от два листа тип С, се нарича ядро ​​от тип CD. За силови трансформатори, направени с листове от тип CD, при една и съща площ на напречното сечение, колкото по-висок е прозорецът, толкова по-голям е мощностният капацитет на трансформатора. Тъй като намотките могат да се монтират поотделно от двете страни на сърцевината, броят на навивките на намотката може да бъде разпределен между две бобини, което води до по-къса средна дължина на навивка на бобина и намалени загуби на мед. Освен това, ако две симетрични намотки са навити на отделни бобини, може да се постигне перфектна симетрия.

Набор от листове от силициева стомана, съставен от четири листа тип С, се нарича ядро ​​от тип ED. Трансформаторите, направени с ядра от тип ED, имат плосък, широк профил. При същата номинална мощност трансформаторите от тип ED са по-къси и по-широки от трансформаторите от тип CD. Тъй като намотките са монтирани в центъра на силициевите стоманени листове с външен магнитен път, те показват нисък поток на изтичане и минимални смущения за околните компоненти. Въпреки това, всички намотки се навиват на една дебела бобина, което води до по-голяма средна дължина на оборота и по-големи загуби на мед.

С-тип сърцевини предлагат превъзходна производителност, което води до трансформатори, които са компактни, леки и високоефективни. От гледна точка на сглобяване, сърцевините от тип C изискват много малко части и имат висока гъвкавост, което води до висока производствена ефективност. Въпреки това, процесът на обработка на листове от силициева стомана тип C е сложен и изисква специализирано оборудване, което прави текущата им цена относително висока.

Силициевите стоманени листове от тип E, известни също като черупкови листове или листове във формата на осмица, имат основното предимство да споделят една бобина както за първичната, така и за вторичната намотка, което води до висок коефициент на пространство на прозореца (фактор на пространството Km: съотношението на нетната площ на напречното сечение на медния проводник към площта на прозореца). Листовете от силиконова стомана образуват защитна обвивка около намотките, предотвратявайки механични повреди. Те също така осигуряват голяма площ на разсейване на топлината и минимизират дисперсията на магнитното поле. Въпреки това, те показват по-висока индуктивност на утечка между първичната и вторичната намотка и по-голяма чувствителност към външни магнитни смущения. Освен това, поради по-дългия среден периметър на намотките, трансформаторите от тип Е изискват повече медна жица за същия брой навивки и площ на напречното сечение на сърцевината.

Обичайните дебелини на листовете от силиконова стомана са 0,35 mm и 0,5 mm. Има два метода за сглобяване на листове от силициева стомана: преплитане и челно подреждане. Методът на преплитане редува отворените краища на листовете от противоположните страни. Този метод е по-досаден, но води до по-малки въздушни междини и по-ниско магнитно съпротивление, което е от полза за увеличаване на магнитния поток; следователно, той се използва широко в силови трансформатори. Методът на челно подреждане обикновено се използва в приложения с постоянен ток (DC). За да се предотврати насищане, причинено от постоянен ток, трябва да се остави въздушна междина между листовете от силициева стомана. При този метод E-листовете и I-листовете се поставят от противоположните страни и въздушната междина между тях може да се регулира с помощта на хартиени подложки.

3. Типове сърцевини на бобини

Те са разделени на три типа:
A. ТОРОИДАЛНО СЪРЦЕВИНО: Изработено чрез подреждане на ламинации тип O или чрез навиване на листове от силициева стомана. Навиването на проводник на този тип сърцевина е много трудно.
B. СЪРЦОВЕ НА ПРЪТЪК: желязно ядро ​​с форма на прът.
C. DRUM CORE: желязна сърцевина с форма на барабан.

4. Класификация на материалите за ядрото на трансформатора

1. Високочестотна категория: Феритни сърцевини
Феритните сърцевини се използват във високочестотни трансформатори. Те са керамични магнити с кристална структура на шпинел, съставени от железен оксид и други двувалентни метални съединения, като kFe₂O₄ (където k представлява други метали). Често използваните в момента метали включват манган (Mn), цинк (Zn), никел (Ni), магнезий (Mg) и мед (Cu). Обичайните комбинации включват серия манган-цинк (MnZn), серия никел-цинк (NiZn) и серия магнезий-цинк (MgZn). Тези материали притежават висока проницаемост и импедансни характеристики, с работен честотен диапазон от 1 kHz до над 200 kHz.
Честотен обхват на феритното ядро: 18 kHz до над 1 MHz.

2. Нискочестотна категория: Силициеви стоманени листове и аморфни сплави
Честотен диапазон на сърцевината от силициева стомана: 5 Hz до 1 kHz.
Трансформаторите, използващи силиконова стомана, обикновено работят при 50 Hz. Въпреки това, по отношение на ефективността, малко по-висока честота може да доведе до по-добри резултати, в зависимост от рейтинга на Гаус на силициевия стоманен лист. Докато аудио честотите могат да достигнат над 20 kHz, това не е практично. Препоръчително е да работят при 50–60 Hz, въпреки че те могат да функционират нормално в честотен диапазон от 50–200 Hz.
Честотен диапазон на аморфното ядро: 2 kHz до 13 kHz.