Funkce a klasifikace jader transformátorů

1. Funkce jader transformátorů

Praktické transformátory vždy pracují v podmínkách střídavého proudu (AC). Ke ztrátám výkonu dochází nejen v odporu vinutí, ale také v jádře vlivem střídavé magnetizace. Ztráta výkonu v jádře se běžně označuje jako 'ztráta železa' (neboli ztráta jádra), která je způsobena dvěma hlavními faktory: 'ztráta hysterezí' a 'ztráta vířivými proudy'.' Hysterezní ztráta je energie rozptýlená během procesu magnetizace v důsledku jevu hystereze. Velikost této ztráty je úměrná ploše uzavřené hysterezní smyčkou materiálu. Vzhledem k tomu, že křemíková ocel má úzkou hysterezní smyčku, její použití jako materiálu jádra výrazně snižuje hysterezní ztráty a podstatně minimalizuje tvorbu tepla.

Protože křemíková ocel má tyto výhody, proč není jádro vyrobeno z pevného bloku křemíkové oceli, ale místo toho zpracováno do tenkých plechů? Je to proto, že laminované jádro snižuje další typ ztrát železa – ztráty vířivými proudy. Během provozu střídavý proud ve vinutí vytváří střídavý magnetický tok. Tento měnící se magnetický tok indukuje proudy uvnitř jádra. Tyto indukované proudy obíhají v rovinách kolmých ke směru magnetického toku a nazývají se proto vířivé proudy. Ztráta vířivých proudů také způsobuje zahřívání jádra. Aby se tato ztráta minimalizovala, je jádro transformátoru konstruováno naskládáním plechů z křemíkové oceli, které jsou od sebe navzájem izolovány. To nutí vířivé proudy protékat úzkými smyčkami s menší plochou průřezu, čímž se zvyšuje elektrický odpor dráhy vířivých proudů. Navíc křemík v oceli zvyšuje elektrický odpor materiálu, což dále pomáhá snižovat vířivé proudy. Pro jádra transformátorů se obecně volí plechy z křemíkové oceli válcované za studena o tloušťce 0,35 mm. Jsou nařezány na obdélníkové pásy podle požadovaných rozměrů jádra a poté naskládány do tvaru 'osmičky' nebo obdélníkového tvaru rámu. Teoreticky, čím tenčí jsou plechy z křemíkové oceli a čím užší jsou pásy, tím lepší je účinek při snižování vířivých proudů. To nejen snižuje ztráty vířivými proudy a snižuje nárůst teploty, ale také šetří materiál. Ve skutečné výrobě však tyto příznivé faktory nejsou jedinými úvahami. Příliš tenké a úzké listy by výrazně zvýšily pracovní dobu a snížily efektivní plochu průřezu jádra. Při výrobě jader z křemíkové oceli je proto nutné zvážit klady a zápory na základě konkrétních okolností, aby byly vybrány optimální rozměry.

Transformátory jsou vyráběny na principu elektromagnetické indukce. Kolem uzavřené větve jádra jsou navinuta dvě vinutí: primární vinutí a sekundární vinutí. Když se na primární vinutí přivede střídavé napětí, protéká jím střídavý proud, který vytváří magnetomotorickou sílu (MMF). Vlivem tohoto MMF vzniká v jádře střídavý hlavní magnetický tok. Tento hlavní magnetický tok prochází a spojuje primární i sekundární vinutí. V důsledku elektromagnetické indukce se v obou vinutích generují elektromotorické síly (EMF). Důvod, proč může zvýšit nebo snížit napětí, vysvětluje Lenzův zákon: magnetický tok generovaný indukovaným proudem vždy odporuje změně původního magnetického toku. Když se původní magnetický tok zvětší, magnetický tok produkovaný indukovaným proudem mu odporuje. Jinými slovy, indukovaný magnetický tok v sekundárním vinutí je opačný k hlavnímu magnetickému toku vytvářenému primárním vinutím, což má za následek nižší střídavé napětí na sekundárním vinutí. Jádro tedy slouží jako magnetický obvod transformátoru, zatímco vinutí tvoří jeho elektrický obvod.

2. Klasifikace konfigurací jádra transformátoru

Jádra typu Shell a Core-Type

Část jádra, kolem které jsou navinuta vinutí, se nazývá 'jádrové rameno', zatímco část, která nemá vinutí, ale slouží pouze jako magnetická dráha, se nazývá 'jho'. Jádro se nazývá 'skořápkové', když jádro obklopuje vinutí, a 'typ jádra', když vinutí obklopuje jádro jádra. Konfigurace typu skořepiny a typu jádra mají každá své odlišné vlastnosti, ale výrobní procesy, které diktují, se výrazně liší. Jakmile je vybrána konkrétní struktura, je obtížné přejít na jinou. V Číně většina jader transformátorů využívá konstrukci složeného jádra.

Plechy z křemíkové oceli se používají pro nízkofrekvenční transformátory a dodávají se v různých typech. Podle výrobního procesu je lze rozdělit na:
A: Žíhané (černé plechy)
N: Nežíhané (bílé plechy)

Na základě jejich tvaru je lze rozdělit na: typ EI, typ UI, typ C a čtvercový (ústní) typ.

Plechy z křemíkové oceli čtvercového typu se běžně používají ve vysoce výkonných transformátorech. Nabízejí vynikající izolační výkon, snadný odvod tepla a krátkou magnetickou dráhu. Používají se především pro transformátory s výkonem nad 500–1000 W a vysokovýkonové transformátory. Sada plechů z křemíkové oceli složená ze dvou plechů typu C se nazývá jádro typu CD. U výkonových transformátorů vyrobených z desek typu CD pod stejnou plochou průřezu platí, že čím vyšší je okno, tím větší je výkon transformátoru. Protože cívky mohou být instalovány odděleně na obou stranách jádra, počet závitů cívky může být rozdělen na dvě cívky, což má za následek kratší průměrnou délku závitu na cívku a snížení ztrát mědi. Kromě toho, pokud jsou dvě symetrické cívky navinuty na samostatné cívky, lze dosáhnout dokonalé symetrie.

Sada plechů z křemíkové oceli složená ze čtyř plechů typu C se nazývá jádro typu ED. Transformátory vyrobené s jádry typu ED mají plochý, široký profil. Při stejném výkonu jsou transformátory typu ED kratší a širší než transformátory typu CD. Protože jsou cívky instalovány ve středu plechů z křemíkové oceli s vnější magnetickou dráhou, vykazují nízký únikový tok a minimální interferenci s okolními součástmi. Všechny cívky jsou však navinuty na jednu silnou cívku, což má za následek delší průměrnou délku závitu a vyšší ztráty mědi.

Jádra typu C nabízejí vynikající výkon, výsledkem čehož jsou transformátory, které jsou kompaktní, lehké a vysoce účinné. Z hlediska montáže vyžadují jádra typu C velmi málo dílů a mají vysokou všestrannost, což vede k vysoké efektivitě výroby. Proces obrábění plechů z křemíkové oceli typu C je však složitý a vyžaduje specializované vybavení, takže jejich současné náklady jsou relativně vysoké.

Plechy z křemíkové oceli typu E, také známé jako skořepinové nebo osmičkové plechy, mají primární výhodu sdílení jedné cívky pro primární i sekundární vinutí, což přináší vysoký faktor prostoru okna (Space Factor Km: poměr čisté plochy průřezu měděného drátu k ploše okna). Plechy z křemíkové oceli tvoří kolem vinutí ochranný obal, který zabraňuje mechanickému poškození. Poskytují také velkou plochu pro odvod tepla a minimalizují rozptyl magnetického pole. Vykazují však vyšší svodovou indukčnost mezi primárním a sekundárním vinutím a větší náchylnost k vnější magnetické interferenci. Navíc, kvůli delšímu průměrnému obvodu vinutí, transformátory typu E vyžadují více měděného drátu pro stejný počet závitů a plochu průřezu jádra.

Běžné tloušťky plechů z křemíkové oceli jsou 0,35 mm a 0,5 mm. Existují dva způsoby montáže plechů z křemíkové oceli: prokládání a stohování na tupo. Metoda prokládání střídá otevřené konce listů na opačných stranách. Tato metoda je zdlouhavější, ale má za následek menší vzduchové mezery a nižší magnetickou reluktanci, což je výhodné pro zvýšení magnetického toku; proto je široce používán ve výkonových transformátorech. Metoda stohování na tupo se běžně používá v aplikacích se stejnosměrným proudem (DC). Aby se zabránilo saturaci způsobené stejnosměrným proudem, musí být mezi plechy z křemíkové oceli ponechána vzduchová mezera. Při této metodě jsou E-listy a I-listy umístěny na protilehlé strany a vzduchovou mezeru mezi nimi lze upravit pomocí papírových podložek.

3. Typy jádra cívky

Ty se dělí na tři typy:
A. TOROIDÁLNÍ JÁDRO: Vyrobeno vrstvením laminací typu O nebo navíjením plechů z křemíkové oceli. Navíjení drátu na tento typ jádra je velmi obtížné.
B. JÁDRO TYČE: železné jádro ve tvaru tyče.
C. JÁDRO BUBNU: Železné jádro ve tvaru bubnu.

4. Klasifikace materiálů jádra transformátoru

1. Vysokofrekvenční kategorie: Feritová jádra
Feritová jádra se používají ve vysokofrekvenčních transformátorech. Jsou to keramické magnety se spinelovou krystalickou strukturou, složené z oxidu železa a dalších dvojmocných kovových sloučenin, jako je kFe₂O4 (kde k představuje jiné kovy). V současnosti běžně používané kovy zahrnují mangan (Mn), zinek (Zn), nikl (Ni), hořčík (Mg) a měď (Cu). Mezi běžné kombinace patří řada mangan-zinek (MnZn), řada nikl-zinek (NiZn) a řada hořčík-zinek (MgZn). Tyto materiály se vyznačují vysokou propustností a impedanční charakteristikou s pracovním frekvenčním rozsahem od 1 kHz do více než 200 kHz.
Frekvenční rozsah feritového jádra: 18 kHz až přes 1 MHz.

2. Nízkofrekvenční kategorie: Plechy z křemíkové oceli a amorfní slitiny
Frekvenční rozsah jádra z křemíkové oceli: 5 Hz až 1 kHz.
Transformátory využívající křemíkovou ocel obvykle pracují při 50 Hz. Nicméně z hlediska účinnosti může mírně vyšší frekvence přinést lepší výsledky v závislosti na Gaussově hodnocení plechu z křemíkové oceli. Zatímco zvukové frekvence mohou dosahovat nad 20 kHz, není to praktické. Doporučuje se pracovat při 50–60 Hz, ačkoli mohou normálně fungovat ve frekvenčním rozsahu 50–200 Hz.
Frekvenční rozsah amorfního jádra: 2 kHz až 13 kHz.