Λειτουργίες και ταξινόμηση πυρήνων μετασχηματιστών

1. Λειτουργίες Πυρήνων Μετασχηματιστών

Οι πρακτικοί μετασχηματιστές λειτουργούν πάντα υπό συνθήκες εναλλασσόμενου ρεύματος (AC). Απώλειες ισχύος δεν συμβαίνουν μόνο στην αντίσταση των περιελίξεων αλλά και στον πυρήνα λόγω της μαγνήτισης AC. Η απώλεια ισχύος εντός του πυρήνα αναφέρεται συνήθως ως 'απώλεια σιδήρου' (ή απώλεια πυρήνα), η οποία προκαλείται από δύο κύριους παράγοντες: 'απώλεια υστέρησης' και 'απώλεια δινορευμάτων'. Η απώλεια υστέρησης είναι η ενέργεια που διαχέεται κατά τη διαδικασία μαγνήτισης λόγω του φαινομένου της υστέρησης. Το μέγεθος αυτής της απώλειας είναι ανάλογο με την περιοχή που περικλείεται από τον βρόχο υστέρησης του υλικού. Επειδή ο χάλυβας πυριτίου έχει στενό βρόχο υστέρησης, η χρήση του ως υλικό πυρήνα μειώνει σημαντικά την απώλεια υστέρησης και ελαχιστοποιεί ουσιαστικά την παραγωγή θερμότητας.

Εφόσον ο χάλυβας πυριτίου έχει αυτά τα πλεονεκτήματα, γιατί ο πυρήνας δεν είναι κατασκευασμένος από ένα συμπαγές μπλοκ πυριτίου, αλλά αντ' αυτού επεξεργάζεται σε λεπτά φύλλα; Αυτό συμβαίνει επειδή ένας πολυστρωματικός πυρήνας μειώνει έναν άλλο τύπο απώλειας σιδήρου—την απώλεια δινορεύματος. Κατά τη λειτουργία, το εναλλασσόμενο ρεύμα στις περιελίξεις δημιουργεί μια εναλλασσόμενη μαγνητική ροή. Αυτή η μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή προκαλεί ρεύματα μέσα στον πυρήνα. Αυτά τα επαγόμενα ρεύματα κυκλοφορούν σε επίπεδα κάθετα προς την κατεύθυνση της μαγνητικής ροής και γι' αυτό ονομάζονται δινορεύματα. Η απώλεια δινορευμάτων προκαλεί επίσης τη θέρμανση του πυρήνα. Για να ελαχιστοποιηθεί αυτή η απώλεια, ο πυρήνας του μετασχηματιστή κατασκευάζεται με στοίβαξη φύλλων από χάλυβα πυριτίου που είναι μονωμένα μεταξύ τους. Αυτό αναγκάζει τα δινορεύματα να ρέουν μέσα από στενούς βρόχους με μικρότερη περιοχή διατομής, αυξάνοντας έτσι την ηλεκτρική αντίσταση της διαδρομής του δινοροδρόμου. Επιπλέον, το πυρίτιο στον χάλυβα αυξάνει την ηλεκτρική αντίσταση του υλικού, η οποία συμβάλλει περαιτέρω στη μείωση των δινορευμάτων. Για πυρήνες μετασχηματιστών, επιλέγονται γενικά φύλλα πυριτίου ψυχρής έλασης πάχους 0,35 mm. Κόβονται σε ορθογώνιες λωρίδες σύμφωνα με τις απαιτούμενες διαστάσεις του πυρήνα και στη συνέχεια στοιβάζονται για να σχηματίσουν ένα σχήμα 'figure-8' ή ορθογώνιο πλαίσιο. Θεωρητικά, όσο πιο λεπτά είναι τα φύλλα από χάλυβα πυριτίου και όσο στενότερες είναι οι λωρίδες, τόσο καλύτερο είναι το αποτέλεσμα στη μείωση των δινορευμάτων. Αυτό όχι μόνο μειώνει την απώλεια δινορευμάτων και μειώνει την αύξηση της θερμοκρασίας, αλλά εξοικονομεί και υλικό. Ωστόσο, στην πραγματική κατασκευή, αυτοί οι ευνοϊκοί παράγοντες δεν είναι οι μόνοι παράγοντες. Κάνοντας τα φύλλα πολύ λεπτά και στενά θα αύξανε σημαντικά τις ώρες εργασίας και θα μείωνε την αποτελεσματική επιφάνεια διατομής του πυρήνα. Ως εκ τούτου, κατά την κατασκευή πυρήνων από χάλυβα πυριτίου, πρέπει να σταθμίζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα με βάση συγκεκριμένες συνθήκες για να επιλέξετε τις βέλτιστες διαστάσεις.

Οι μετασχηματιστές κατασκευάζονται με βάση την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Δύο περιελίξεις τυλίγονται γύρω από ένα άκρο κλειστού πυρήνα: η κύρια περιέλιξη και η δευτερεύουσα περιέλιξη. Όταν εφαρμόζεται τάση εναλλασσόμενου ρεύματος στο πρωτεύον τύλιγμα, ένα εναλλασσόμενο ρεύμα ρέει μέσα από αυτό, δημιουργώντας μια μαγνητοκινητική δύναμη (MMF). Υπό την επίδραση αυτού του MMF, δημιουργείται μια εναλλασσόμενη κύρια μαγνητική ροή στον πυρήνα. Αυτή η κύρια μαγνητική ροή διέρχεται και συνδέει τόσο τις πρωτεύουσες όσο και τις δευτερεύουσες περιελίξεις. Λόγω της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, δημιουργούνται ηλεκτροκινητικές δυνάμεις (EMF) και στις δύο περιελίξεις. Ο λόγος που μπορεί να αυξήσει ή να μειώσει την τάση εξηγείται από το νόμο του Lenz: η μαγνητική ροή που δημιουργείται από το επαγόμενο ρεύμα αντιτίθεται πάντα στην αλλαγή της αρχικής μαγνητικής ροής. Όταν η αρχική μαγνητική ροή αυξάνεται, η μαγνητική ροή που παράγεται από το επαγόμενο ρεύμα την αντιτίθεται. Με άλλα λόγια, η επαγόμενη μαγνητική ροή στο δευτερεύον τύλιγμα είναι αντίθετη από την κύρια μαγνητική ροή που παράγεται από το πρωτεύον τύλιγμα, με αποτέλεσμα μια εναλλασσόμενη τάση χαμηλότερου επιπέδου στο δευτερεύον τύλιγμα. Έτσι, ο πυρήνας χρησιμεύει ως το μαγνητικό κύκλωμα του μετασχηματιστή, ενώ οι περιελίξεις αποτελούν το ηλεκτρικό του κύκλωμα.

2. Ταξινόμηση των διαμορφώσεων πυρήνα μετασχηματιστή

Πυρήνες τύπου Shell και Core-Type

Το τμήμα του πυρήνα γύρω από το οποίο τυλίγονται οι περιελίξεις ονομάζεται 'άκρο πυρήνα', ενώ το τμήμα που δεν έχει περιελίξεις αλλά χρησιμεύει αποκλειστικά ως μαγνητική διαδρομή ονομάζεται 'ζυγός' Ένας πυρήνας αναφέρεται ως 'τύπος κελύφους' όταν ο πυρήνας περιβάλλει τις περιελίξεις και 'τύπος πυρήνα' όταν το άκρο του πυρήνα. Οι διαμορφώσεις τύπου κελύφους και πυρήνα έχουν καθεμία τα ξεχωριστά χαρακτηριστικά τους, αλλά οι διαδικασίες κατασκευής που υπαγορεύουν είναι σημαντικά διαφορετικές. Μόλις επιλεγεί μια συγκεκριμένη δομή, είναι δύσκολο να μεταβείτε σε άλλη. Στην Κίνα, οι περισσότεροι πυρήνες μετασχηματιστών χρησιμοποιούν σχεδιασμό τύπου στοιβαγμένου πυρήνα.

Τα φύλλα πυριτίου χρησιμοποιούνται για μετασχηματιστές χαμηλής συχνότητας και διατίθενται σε διάφορους τύπους. Με βάση τη διαδικασία κατασκευής, μπορούν να χωριστούν σε:
A: Ανοπτημένα (μαύρα φύλλα)
N: Μη ανόπτη (λευκά φύλλα)

Με βάση το σχήμα τους, μπορούν να ταξινομηθούν σε: τύπου EI, τύπου UI, τύπου C και τετράγωνο (στόμα).

Τα φύλλα πυριτίου τετράγωνου τύπου χρησιμοποιούνται συνήθως σε μετασχηματιστές υψηλής ισχύος. Προσφέρουν εξαιρετική απόδοση μόνωσης, ευκολία απαγωγής θερμότητας και σύντομη μαγνητική διαδρομή. Χρησιμοποιούνται κυρίως για μετασχηματιστές με ονομαστικές τιμές ισχύος άνω των 500–1000 W και μετασχηματιστές υψηλής ισχύος. Ένα σύνολο φύλλων χάλυβα πυριτίου που αποτελείται από δύο φύλλα τύπου C ονομάζεται πυρήνας τύπου CD. Για μετασχηματιστές ισχύος που κατασκευάζονται με φύλλα τύπου CD, κάτω από την ίδια περιοχή διατομής, όσο υψηλότερο είναι το παράθυρο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς ισχύος του μετασχηματιστή. Δεδομένου ότι τα πηνία μπορούν να εγκατασταθούν χωριστά και στις δύο πλευρές του πυρήνα, ο αριθμός των στροφών του πηνίου μπορεί να κατανεμηθεί σε δύο μπομπίνες, με αποτέλεσμα μικρότερο μέσο μήκος στροφής ανά μπομπίνα και μειωμένη απώλεια χαλκού. Επιπλέον, εάν δύο συμμετρικά πηνία τυλίγονται σε ξεχωριστές μπομπίνες, μπορεί να επιτευχθεί τέλεια συμμετρία.

Ένα σύνολο φύλλων πυριτίου χάλυβα που αποτελείται από τέσσερα φύλλα τύπου C ονομάζεται πυρήνας τύπου ED. Οι μετασχηματιστές που κατασκευάζονται με πυρήνες τύπου ED έχουν επίπεδο, φαρδύ προφίλ. Κάτω από την ίδια ονομαστική ισχύ, οι μετασχηματιστές τύπου ED είναι πιο κοντοί και φαρδύτεροι από τους μετασχηματιστές τύπου CD. Επειδή τα πηνία είναι εγκατεστημένα στο κέντρο των φύλλων χάλυβα πυριτίου με εξωτερική μαγνητική διαδρομή, παρουσιάζουν χαμηλή ροή διαρροής και ελάχιστη παρεμβολή στα γύρω εξαρτήματα. Ωστόσο, όλα τα πηνία τυλίγονται σε μία μόνο παχιά μπομπίνα, με αποτέλεσμα μεγαλύτερο μέσο μήκος στροφής και μεγαλύτερη απώλεια χαλκού.

Οι πυρήνες τύπου C προσφέρουν ανώτερη απόδοση, με αποτέλεσμα μετασχηματιστές που είναι συμπαγείς, ελαφροί και εξαιρετικά αποδοτικοί. Από την άποψη της συναρμολόγησης, οι πυρήνες τύπου C απαιτούν πολύ λίγα εξαρτήματα και έχουν υψηλή ευελιξία, οδηγώντας σε υψηλή απόδοση παραγωγής. Ωστόσο, η διαδικασία κατεργασίας για φύλλα πυριτίου τύπου C είναι πολύπλοκη και απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό, καθιστώντας το τρέχον κόστος τους σχετικά υψηλό.

Τα φύλλα πυριτίου τύπου E, γνωστά και ως φύλλα τύπου κελύφους ή σχήματος οκτώ, έχουν το κύριο πλεονέκτημα ότι μοιράζονται μια μονή μπομπίνα τόσο για πρωτεύουσες όσο και για δευτερεύουσες περιελίξεις, αποδίδοντας υψηλό συντελεστή χώρου παραθύρου (Space Factor Km: ο λόγος της καθαρής επιφάνειας διατομής του χάλκινου σύρματος προς την περιοχή του παραθύρου). Τα φύλλα πυριτίου σχηματίζουν ένα προστατευτικό περίβλημα γύρω από τις περιελίξεις, αποτρέποντας μηχανικές βλάβες. Παρέχουν επίσης μεγάλη περιοχή απαγωγής θερμότητας και ελαχιστοποιούν τη διασπορά του μαγνητικού πεδίου. Ωστόσο, παρουσιάζουν υψηλότερη επαγωγή διαρροής μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος τυλίγματος και μεγαλύτερη ευαισθησία σε εξωτερικές μαγνητικές παρεμβολές. Επιπλέον, λόγω της μεγαλύτερης μέσης περιμέτρου των περιελίξεων, οι μετασχηματιστές τύπου Ε απαιτούν περισσότερο χάλκινο σύρμα για τον ίδιο αριθμό στροφών και την ίδια επιφάνεια διατομής πυρήνα.

Τα κοινά πάχη για φύλλα πυριτίου χάλυβα είναι 0,35 mm και 0,5 mm. Υπάρχουν δύο μέθοδοι συναρμολόγησης για φύλλα πυριτίου χάλυβα: παρεμβολή και στοίβαξη με πισινό. Η μέθοδος παρεμβολής εναλλάσσει τα ανοιχτά άκρα των φύλλων στις αντίθετες πλευρές. Αυτή η μέθοδος είναι πιο κουραστική αλλά έχει ως αποτέλεσμα μικρότερα κενά αέρα και χαμηλότερη μαγνητική απροθυμία, η οποία είναι ευεργετική για την αύξηση της μαγνητικής ροής. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ευρέως σε μετασχηματιστές ισχύος. Η μέθοδος στοίβαξης πισινών χρησιμοποιείται συνήθως σε εφαρμογές με συνεχές ρεύμα (DC). Για να αποφευχθεί ο κορεσμός που προκαλείται από το συνεχές ρεύμα, πρέπει να αφεθεί ένα διάκενο αέρα μεταξύ των φύλλων χάλυβα πυριτίου. Σε αυτή τη μέθοδο, τα φύλλα E και τα φύλλα I τοποθετούνται σε αντίθετες πλευρές και το διάκενο αέρα μεταξύ τους μπορεί να ρυθμιστεί χρησιμοποιώντας ροδέλες χαρτιού.

3. Τύποι πυρήνων πηνίου

Αυτά χωρίζονται σε τρεις τύπους:
A. TOROIDAL CORE: Κατασκευάζεται με στοίβαξη ελασμάτων τύπου O ή με περιέλιξη φύλλων από χάλυβα πυριτίου. Η περιέλιξη του σύρματος σε αυτόν τον τύπο πυρήνα είναι πολύ δύσκολη.
B. ROD CORE: Σιδερένιος πυρήνας σε σχήμα ράβδου.
Γ. DRUM CORE: Ένας σιδερένιος πυρήνας σε σχήμα τυμπάνου.

4. Ταξινόμηση υλικών πυρήνων μετασχηματιστών

1. Κατηγορία υψηλών συχνοτήτων: Πυρήνες φερρίτη
Οι πυρήνες φερρίτη χρησιμοποιούνται σε μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας. Είναι κεραμικοί μαγνήτες με κρυσταλλική δομή σπινελίου, που αποτελούνται από οξείδιο του σιδήρου και άλλες δισθενείς μεταλλικές ενώσεις, όπως kFe2O4 (όπου το k αντιπροσωπεύει άλλα μέταλλα). Τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται συνήθως περιλαμβάνουν το μαγγάνιο (Mn), τον ψευδάργυρο (Zn), το νικέλιο (Ni), το μαγνήσιο (Mg) και τον χαλκό (Cu). Οι κοινοί συνδυασμοί περιλαμβάνουν τη σειρά Μαγγανίου-Ψευδάργυρου (MnZn), Νικελίου-Ψευδάργυρου (NiZn) και Μαγνησίου-Ψευδάργυρου (MgZn). Αυτά τα υλικά διαθέτουν χαρακτηριστικά υψηλής διαπερατότητας και σύνθετης αντίστασης, με εύρος συχνοτήτων λειτουργίας από 1 kHz έως πάνω από 200 kHz.
Εύρος συχνοτήτων πυρήνα φερρίτη: 18 kHz έως πάνω από 1 MHz.

2. Κατηγορία χαμηλής συχνότητας: Φύλλα από χάλυβα πυριτίου και άμορφα κράματα
Εύρος συχνοτήτων πυρήνα από χάλυβα πυριτίου: 5 Hz έως 1 kHz.
Οι μετασχηματιστές που χρησιμοποιούν χάλυβα πυριτίου λειτουργούν συνήθως στα 50 Hz. Ωστόσο, όσον αφορά την απόδοση, μια ελαφρώς υψηλότερη συχνότητα μπορεί να αποφέρει καλύτερα αποτελέσματα, ανάλογα με τη βαθμολογία Gauss του φύλλου χάλυβα πυριτίου. Ενώ οι συχνότητες ήχου μπορεί να φτάσουν πάνω από 20 kHz, αυτό δεν είναι πρακτικό. Συνιστάται να λειτουργούν στα 50–60 Hz, αν και μπορούν να λειτουργήσουν κανονικά εντός εύρους συχνοτήτων 50–200 Hz.
Εύρος συχνοτήτων άμορφου πυρήνα: 2 kHz έως 13 kHz.