توابع و طبقه بندی هسته های ترانسفورماتور

1. توابع هسته های ترانسفورماتور

ترانسفورماتورهای عملی همیشه تحت شرایط جریان متناوب (AC) کار می کنند. تلفات توان نه تنها در مقاومت سیم پیچ ها بلکه در هسته به دلیل مغناطش AC رخ می دهد. از دست دادن توان درون هسته معمولاً به عنوان 'اتلاف آهن' (یا از دست دادن هسته) نامیده می شود که توسط دو عامل اصلی ایجاد می شود: 'اتلاف پسماند' و 'افت جریان گردابی'. تلفات هیسترزیس انرژی است که در طول فرآیند مغناطیسی به دلیل پدیده هیسترزیس تلف می شود. بزرگی این تلفات متناسب با ناحیه محصور شده توسط حلقه پسماند ماده است. از آنجایی که فولاد سیلیکونی دارای یک حلقه پسماند باریک است، استفاده از آن به عنوان ماده اصلی به طور قابل توجهی از دست دادن پسماند را کاهش می دهد و تولید گرما را به میزان قابل توجهی به حداقل می رساند.

از آنجایی که فولاد سیلیکونی این مزایا را دارد، چرا هسته آن از یک بلوک جامد از فولاد سیلیکونی ساخته نمی شود، بلکه در عوض به ورق های نازک تبدیل می شود؟ این به این دلیل است که یک هسته چند لایه، نوع دیگری از اتلاف آهن را کاهش می دهد - اتلاف جریان گردابی. در حین کار، جریان متناوب در سیم پیچ ها یک شار مغناطیسی متناوب ایجاد می کند. این شار مغناطیسی در حال تغییر باعث القای جریان در هسته می شود. این جریان های القایی در صفحات عمود بر جهت شار مغناطیسی در گردش هستند و به همین دلیل جریان گردابی نامیده می شوند. از دست دادن جریان گردابی نیز باعث گرم شدن هسته می شود. برای به حداقل رساندن این تلفات، هسته ترانسفورماتور با انباشتن ورق های فولادی سیلیکونی که از یکدیگر عایق هستند ساخته می شود. این جریان‌های گردابی را مجبور می‌کند از طریق حلقه‌های باریک با سطح مقطع کوچک‌تر عبور کنند و در نتیجه مقاومت الکتریکی مسیر جریان گردابی را افزایش دهند. علاوه بر این، سیلیکون موجود در فولاد، مقاومت الکتریکی ماده را افزایش می‌دهد که به کاهش جریان‌های گردابی کمک می‌کند. برای هسته های ترانسفورماتور معمولاً ورق های فولادی سیلیکونی نورد سرد با ضخامت 0.35 میلی متر انتخاب می شوند. آنها با توجه به ابعاد هسته مورد نیاز به نوارهای مستطیلی بریده می شوند و سپس روی هم قرار می گیرند تا شکل قاب 'شکل هشت' یا مستطیلی شکل بگیرد. در تئوری، هرچه ورق های فولادی سیلیکونی نازکتر و نوارها باریکتر باشند، تأثیر بهتری در کاهش جریان های گردابی دارد. این نه تنها تلفات جریان گردابی را کاهش می دهد و افزایش دما را کاهش می دهد، بلکه باعث صرفه جویی در مواد نیز می شود. با این حال، در تولید واقعی، این عوامل مطلوب تنها ملاحظات نیستند. نازک و باریک کردن ورق ها به میزان قابل توجهی ساعات کار را افزایش می دهد و سطح مقطع موثر هسته را کاهش می دهد. بنابراین، هنگام ساخت هسته های فولادی سیلیکونی، برای انتخاب ابعاد بهینه، باید مزایا و معایب را بر اساس شرایط خاص سنجید.

ترانسفورماتورها بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی ساخته می شوند. دو سیم پیچ در اطراف یک اندام هسته بسته پیچیده می شود: سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه. هنگامی که یک ولتاژ AC به سیم پیچ اولیه اعمال می شود، یک جریان متناوب از آن عبور می کند و یک نیروی مغناطیسی (MMF) ایجاد می کند. تحت تأثیر این MMF، یک شار مغناطیسی اصلی متناوب در هسته ایجاد می شود. این شار مغناطیسی اصلی از سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه عبور می‌کند و به هم متصل می‌شود. به دلیل القای الکترومغناطیسی، نیروهای الکتروموتور (EMF) در هر دو سیم پیچ ایجاد می شود. دلیل افزایش یا کاهش ولتاژ توسط قانون لنز توضیح داده شده است: شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان القایی همیشه با تغییر در شار مغناطیسی اصلی مخالف است. هنگامی که شار مغناطیسی اصلی افزایش می یابد، شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان القایی با آن مخالفت می کند. به عبارت دیگر، شار مغناطیسی القایی در سیم‌پیچ ثانویه مخالف شار مغناطیسی اصلی است که توسط سیم‌پیچ اولیه تولید می‌شود و در نتیجه یک ولتاژ متناوب سطح پایین‌تر در سیم‌پیچ ثانویه ایجاد می‌شود. بنابراین، هسته به عنوان مدار مغناطیسی ترانسفورماتور عمل می کند، در حالی که سیم پیچ ها مدار الکتریکی آن را تشکیل می دهند.

2. طبقه بندی پیکربندی های هسته ترانسفورماتور

هسته های نوع پوسته و هسته

بخشی از هسته که سیم‌پیچ‌ها به دور آن پیچیده می‌شوند، «اندام هسته» نامیده می‌شود، در حالی که به بخشی که سیم‌پیچ ندارد، اما صرفاً به‌عنوان یک مسیر مغناطیسی عمل می‌کند، «یوغ» نامیده می‌شود. زمانی که هسته، سیم‌پیچ‌ها را احاطه می‌کند، هسته به‌عنوان «نوع پوسته» و زمانی که حلقه‌های هسته را احاطه می‌کند، «نوع هسته» نامیده می‌شود. پیکربندی‌های نوع پوسته و نوع هسته هر کدام ویژگی‌های متمایز خود را دارند، اما فرآیندهای تولیدی که آنها دیکته می‌کنند به‌طور قابل‌توجهی متفاوت است. هنگامی که یک ساختار خاص انتخاب می شود، تغییر به ساختار دیگر دشوار است. در چین، بیشتر هسته‌های ترانسفورماتور از طراحی هسته‌ای انباشته شده استفاده می‌کنند.

ورق های فولادی سیلیکونی برای ترانسفورماتورهای فرکانس پایین استفاده می شود و انواع مختلفی دارد. بر اساس فرآیند تولید، آنها را می توان به موارد زیر تقسیم کرد:
A: آنیل شده (ورق های سیاه)
N: غیر آنیل شده (ورق های سفید)

بر اساس شکل آنها می توان آنها را به: نوع EI، نوع UI، نوع C و نوع مربع (دهانه) طبقه بندی کرد.

معمولاً در ترانسفورماتورهای پرقدرت از ورق های فولادی سیلیکونی مربعی استفاده می شود. آنها عملکرد عایق عالی، سهولت اتلاف گرما و یک مسیر مغناطیسی کوتاه را ارائه می دهند. آنها عمدتاً برای ترانسفورماتورهایی با توان بالای 500 تا 1000 وات و ترانسفورماتورهای پرقدرت استفاده می شوند. مجموعه ای از ورق های فولادی سیلیکونی که از دو ورق نوع C تشکیل شده است، هسته نوع CD نامیده می شود. برای ترانسفورماتورهای قدرت ساخته شده با ورق های نوع CD، در زیر همان سطح مقطع، هر چه پنجره بالاتر باشد، ظرفیت برق ترانسفورماتور بیشتر می شود. از آنجایی که سیم پیچ ها را می توان به طور جداگانه در هر دو طرف هسته نصب کرد، تعداد چرخش های سیم پیچ را می توان در دو بوبین توزیع کرد که در نتیجه متوسط ​​طول چرخش کوتاه تر در هر بوبین و کاهش تلفات مس است. علاوه بر این، اگر دو سیم پیچ متقارن روی بوبین های جداگانه پیچیده شوند، می توان به تقارن کامل دست یافت.

مجموعه ای از ورق های فولادی سیلیکونی که از چهار ورق نوع C تشکیل شده است، هسته نوع ED نامیده می شود. ترانسفورماتورهای ساخته شده با هسته های نوع ED دارای مشخصات صاف و گسترده ای هستند. تحت همان رتبه قدرت، ترانسفورماتورهای نوع ED کوتاهتر و عریضتر از ترانسفورماتورهای نوع CD هستند. از آنجایی که کویل ها در مرکز ورق های فولادی سیلیکونی با یک مسیر مغناطیسی خارجی نصب می شوند، شار نشتی کم و حداقل تداخل را با اجزای اطراف نشان می دهند. با این حال، تمام سیم پیچ ها بر روی یک بوبین ضخیم پیچیده می شوند و در نتیجه طول چرخش متوسط ​​بیشتر و تلفات مس بیشتر می شود.

هسته های نوع C عملکرد عالی را ارائه می دهند و در نتیجه ترانسفورماتورهایی جمع و جور، سبک وزن و بسیار کارآمد هستند. از منظر مونتاژ، هسته های نوع C به قطعات بسیار کمی نیاز دارند و تطبیق پذیری بالایی دارند که منجر به راندمان تولید بالا می شود. با این حال، فرآیند ماشینکاری برای ورق های فولادی سیلیکونی نوع C پیچیده است و به تجهیزات تخصصی نیاز دارد و هزینه فعلی آنها را نسبتاً بالا می کند.

ورق های فولادی سیلیکونی نوع E، که به عنوان ورق های نوع پوسته یا شکل هشت نیز شناخته می شوند، دارای مزیت اصلی مشترک بودن یک بوبین برای سیم پیچ های اولیه و ثانویه هستند که ضریب فضای بالای پنجره را ایجاد می کنند (فاکتور فضایی کیلومتر: نسبت سطح مقطع خالص سیم مسی به سطح پنجره). ورق های فولادی سیلیکونی یک پوسته محافظ در اطراف سیم پیچ ها تشکیل می دهند و از آسیب مکانیکی جلوگیری می کنند. آنها همچنین یک منطقه اتلاف حرارت بزرگ را فراهم می کنند و پراکندگی میدان مغناطیسی را به حداقل می رساند. با این حال، آنها القایی نشتی بالاتری را بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه و حساسیت بیشتری نسبت به تداخل مغناطیسی خارجی نشان می‌دهند. علاوه بر این، به دلیل متوسط ​​طولانی‌تر بودن محیط سیم‌پیچ‌ها، ترانسفورماتورهای نوع E به سیم مسی بیشتری برای همان تعداد دور و سطح مقطع هسته نیاز دارند.

ضخامت های رایج برای ورق های فولادی سیلیکونی 0.35 میلی متر و 0.5 میلی متر است. دو روش مونتاژ برای ورق‌های فولادی سیلیکونی وجود دارد: لایه‌بندی و انباشتگی. روش interleaving انتهای باز ورق ها را در طرف مقابل به طور متناوب تغییر می دهد. این روش خسته‌کننده‌تر است، اما منجر به شکاف‌های هوای کوچک‌تر و عدم تمایل مغناطیسی کمتری می‌شود که برای افزایش شار مغناطیسی مفید است. بنابراین، به طور گسترده ای در ترانسفورماتورهای قدرت استفاده می شود. روش انباشته لب به لب معمولاً در برنامه هایی با جریان مستقیم (DC) استفاده می شود. برای جلوگیری از اشباع ناشی از جریان DC، باید یک شکاف هوا بین ورق های فولاد سیلیکونی ایجاد شود. در این روش برگه های E و I در دو طرف مقابل قرار می گیرند و با استفاده از شیم های کاغذی می توان فاصله هوای بین آنها را تنظیم کرد.

3. انواع هسته سیم پیچ

اینها به سه نوع تقسیم می شوند:
الف. هسته TOROIDAL: ساخته شده با انباشتن لایه های O-type یا با سیم پیچی ورق های فولادی سیلیکونی. سیم پیچی روی این نوع هسته بسیار دشوار است.
B. ROD CORE: یک هسته آهنی میله ای شکل.
ج. DRUM CORE: یک هسته آهنی طبلی شکل.

4. طبقه بندی مواد هسته ترانسفورماتور

1. دسته فرکانس بالا:
هسته فریت هسته فریت در ترانسفورماتورهای فرکانس بالا استفاده می شود. آنها آهنرباهای سرامیکی با ساختار کریستالی اسپینل، متشکل از اکسید آهن و سایر ترکیبات فلزی دو ظرفیتی، مانند kFe2O4 (که در آن k نشان دهنده فلزات دیگر است) هستند. فلزات رایج در حال حاضر شامل منگنز (Mn)، روی (روی)، نیکل (Ni)، منیزیم (Mg) و مس (مس) هستند. ترکیبات رایج شامل سری منگنز-روی (MnZn)، سری نیکل- روی (NiZn) و سری منیزیم- روی (MgZn) است. این مواد دارای ویژگی‌های نفوذپذیری و امپدانس بالا، با محدوده فرکانس کاری از 1 کیلوهرتز تا بیش از 200 کیلوهرتز هستند.
محدوده فرکانس هسته فریت: 18 کیلوهرتز تا بیش از 1 مگاهرتز.

2. رده فرکانس پایین: ورق های فولادی سیلیکونی و آلیاژهای آمورف
محدوده فرکانس هسته فولاد سیلیکونی: 5 هرتز تا 1 کیلوهرتز.
ترانسفورماتورهایی که از فولاد سیلیکونی استفاده می کنند معمولاً در فرکانس 50 هرتز کار می کنند. با این حال، از نظر راندمان، فرکانس کمی بالاتر ممکن است نتایج بهتری را به همراه داشته باشد، بسته به رتبه گاوس ورق فولاد سیلیکونی. در حالی که فرکانس های صوتی می توانند به بالای 20 کیلوهرتز برسند، این عملی نیست. توصیه می شود در فرکانس 50 تا 60 هرتز کار کنند، اگرچه می توانند به طور معمول در محدوده فرکانسی 50 تا 200 هرتز کار کنند.
محدوده فرکانس هسته آمورف: 2 کیلوهرتز تا 13 کیلوهرتز.