Muuntajaytimien toiminnot ja luokitus

1. Muuntajaytimien toiminnot

Käytännölliset muuntajat toimivat aina vaihtovirtaolosuhteissa (AC). Tehohäviöitä ei tapahdu vain käämien resistanssissa, vaan myös sydämessä AC-magnetoinnista johtuen. Sydämen sisäistä tehohäviötä kutsutaan yleisesti 'rautahäviöksi' (tai ydinhäviöksi), joka johtuu kahdesta päätekijästä: 'hystereesihäviö' ja 'pyörrevirtahäviö'. Hystereesihäviö on energia, joka häviää magnetointiprosessin aikana hystereesiilmiön vuoksi. Tämän häviön suuruus on verrannollinen materiaalin hystereesisilmukan sulkemaan pinta-alaan. Koska piiteräksellä on kapea hystereesisilmukka, sen käyttö ydinmateriaalina vähentää merkittävästi hystereesihäviötä ja minimoi olennaisesti lämmön muodostusta.

Koska piiteräksellä on nämä edut, miksi ydintä ei ole valmistettu kiinteästä piiteräslohkosta, vaan sen sijaan prosessoidaan ohuiksi levyiksi? Tämä johtuu siitä, että laminoitu ydin vähentää toisen tyyppistä rautahäviötä – pyörrevirtahäviötä. Käytön aikana käämeissä oleva vaihtovirta tuottaa vaihtomagneettivuon. Tämä muuttuva magneettivuo indusoi virtoja ytimessä. Nämä indusoidut virrat kiertävät tasoissa, jotka ovat kohtisuorassa magneettivuon suuntaan ja niitä kutsutaan siksi pyörrevirroiksi. Pyörrevirtahäviö aiheuttaa myös sydämen kuumenemisen. Tämän häviön minimoimiseksi muuntajan sydän rakennetaan pinoamalla piiteräslevyjä, jotka on eristetty toisistaan. Tämä pakottaa pyörrevirrat virtaamaan kapeiden silmukoiden läpi, joiden poikkileikkauspinta-ala on pienempi, mikä lisää pyörrevirran polun sähköistä vastusta. Lisäksi teräksessä oleva pii lisää materiaalin sähköistä ominaisvastusta, mikä edelleen auttaa vähentämään pyörrevirtoja. Muuntajan ytimille valitaan yleensä 0,35 mm paksut kylmävalssatut piiteräslevyt. Ne leikataan suorakaiteen muotoisiksi suikaleiksi vaadittujen ydinmittojen mukaan ja pinotaan sitten 'figuuri-kahdeksan' tai suorakaiteen muotoiseksi kehykseksi. Teoriassa mitä ohuempia piiteräslevyt ovat ja mitä kapeammat nauhat ovat, sitä parempi vaikutus pyörrevirtojen vähentämiseen on. Tämä ei ainoastaan ​​vähennä pyörrevirtahäviötä ja alentaa lämpötilan nousua, vaan myös säästää materiaalia. Varsinaisessa valmistuksessa nämä suotuisat tekijät eivät kuitenkaan ole ainoita huomioitavaa. Arkkien tekeminen liian ohuiksi ja kapeiksi lisäisi merkittävästi työtunteja ja pienentäisi ytimen tehollista poikkileikkausalaa. Siksi piiteräshylsyjä valmistettaessa on punnittava edut ja haitat erityisolosuhteiden perusteella optimaalisten mittojen valitsemiseksi.

Muuntajat valmistetaan sähkömagneettisen induktion periaatteella. Suljetun sydänosan ympärille on kääritty kaksi käämiä: ensiökäämi ja toisiokäämi. Kun ensiökäämiin syötetään vaihtovirta, sen läpi kulkee vaihtovirta, joka muodostaa magnetomotorisen voiman (MMF). Tämän MMF:n vaikutuksesta ytimeen syntyy vuorotteleva päämagneettivuo. Tämä päämagneettivuo kulkee sekä ensiö- että toisiokäämien läpi ja yhdistää ne. Sähkömagneettisen induktion ansiosta molemmissa käämeissä syntyy sähkömotorisia voimia (EMF). Syy, miksi se voi nostaa tai laskea jännitettä, selittyy Lenzin lailla: indusoidun virran synnyttämä magneettivuo vastustaa aina alkuperäisen magneettivuon muutosta. Kun alkuperäinen magneettivuo kasvaa, indusoidun virran tuottama magneettivuo vastustaa sitä. Toisin sanoen toisiokäämin indusoitu magneettivuo on vastakkainen ensiökäämin tuottaman päämagneettivuon kanssa, mikä johtaa alemman tason vaihtojännitteeseen toisiokäämin yli. Siten ydin toimii muuntajan magneettipiirinä, kun taas käämit muodostavat sen sähköpiirin.

2. Muuntajan ydinkokoonpanojen luokitus

Shell-tyyppiset ja ydintyyppiset ytimet

Ytimen osaa, jonka ympärille käämit on kierretty, kutsutaan 'ytimen osaksi', kun taas osaa, jossa ei ole käämiä, mutta joka toimii vain magneettisena poluna, kutsutaan 'ikeeksi'. Ytimestä käytetään nimitystä 'kuorityyppinen', kun ydin ympäröi käämiä, ja 'coreing-tyyppinen', kun käämitys ympäröi. Kullakin kuori- ja ydintyyppisillä kokoonpanoilla on omat erityispiirteensä, mutta niiden määräämät valmistusprosessit ovat merkittävästi erilaisia. Kun tietty rakenne on valittu, on vaikea vaihtaa toiseen. Kiinassa useimmat muuntajan ytimet käyttävät pinottua sydäntyyppistä rakennetta.

Piiteräslevyjä käytetään matalataajuisissa muuntajissa ja niitä on erilaisia. Valmistusprosessin perusteella ne voidaan jakaa:
A: hehkutettu (mustat levyt)
N: ei-hehkutettu (valkoiset levyt)

Muotonsa perusteella ne voidaan luokitella: EI-tyyppi, UI-tyyppi, C-tyyppi ja Square (Mouth) -tyyppi.

Neliömäisiä piiteräslevyjä käytetään yleisesti suuritehoisissa muuntajissa. Ne tarjoavat erinomaisen eristyskyvyn, helpon lämmön haihtumisen ja lyhyen magneettisen polun. Niitä käytetään ensisijaisesti muuntajiin, joiden teho on yli 500–1000 W, ja suuritehoisiin muuntajiin. Kahdesta C-tyypin levystä koostuvaa piiteräslevysarjaa kutsutaan CD-tyypin ytimeksi. CD-tyyppisillä levyillä valmistetuissa tehomuuntajissa samalla poikkileikkausalalla mitä korkeampi ikkuna, sitä suurempi muuntajan tehokapasiteetti. Koska kelat voidaan asentaa erikseen sydämen molemmille puolille, kelan kierrosten määrä voidaan jakaa kahdelle puolalle, mikä johtaa lyhyempään keskimääräiseen kierron pituuteen puolaa kohden ja kuparihäviön vähenemiseen. Lisäksi, jos kaksi symmetristä kelaa kääritään eri puolille, voidaan saavuttaa täydellinen symmetria.

Neljästä C-tyypin levystä koostuvaa piiteräslevysarjaa kutsutaan ED-tyypin ytimeksi. ED-tyyppisillä ytimillä valmistetuilla muuntajilla on litteä, leveä profiili. Samalla teholla ED-tyyppiset muuntajat ovat lyhyempiä ja leveämpiä kuin CD-tyyppiset muuntajat. Koska kelat on asennettu piiteräslevyjen keskelle ulkoisella magneettiradalla, niillä on pieni vuotovirta ja minimaaliset häiriöt ympäröiville komponenteille. Kaikki kelat on kuitenkin kääritty yhdelle paksulle puolalle, mikä johtaa pidempään keskimääräiseen kierrospituuteen ja suurempaan kuparihäviöön.

C-tyypin ytimet tarjoavat erinomaisen suorituskyvyn, mikä johtaa muuntajiin, jotka ovat kompakteja, kevyitä ja erittäin tehokkaita. Kokoonpanon näkökulmasta C-tyypin ytimet vaativat hyvin vähän osia ja ovat erittäin monipuolisia, mikä johtaa korkeaan tuotantotehokkuuteen. C-tyypin piiteräslevyjen työstöprosessi on kuitenkin monimutkainen ja vaatii erikoislaitteita, minkä vuoksi niiden nykyiset kustannukset ovat suhteellisen korkeat.

E-tyypin piiteräslevyillä, jotka tunnetaan myös kuori- tai kahdeksaslevyinä, on ensisijainen etu, että ne jakavat yhden puolan sekä ensiö- että toisiokäämeille, jolloin saadaan korkea ikkunatilakerroin (tilakerroin Km: kuparilangan nettopoikkipinta-alan suhde ikkuna-alueeseen). Piiteräslevyt muodostavat suojakuoren käämien ympärille, mikä estää mekaanisia vaurioita. Ne tarjoavat myös suuren lämmönpoistoalueen ja minimoivat magneettikentän hajoamisen. Niillä on kuitenkin suurempi vuotoinduktanssi ensiö- ja toisiokäämien välillä ja suurempi herkkyys ulkoisille magneettisille häiriöille. Lisäksi käämien pidemmän keskikehän takia E-tyypin muuntajat vaativat enemmän kuparilankaa samalle kierrosmäärälle ja sydämen poikkipinta-alalle.

Piiteräslevyjen yleiset paksuudet ovat 0,35 mm ja 0,5 mm. Piiteräslevyille on olemassa kaksi kokoonpanomenetelmää: limitys ja pinoaminen. Lomittelumenetelmä vuorottelee arkkien avoimet päät vastakkaisilla puolilla. Tämä menetelmä on työläämpi, mutta tuloksena on pienempiä ilmarakoja ja pienempi magneettinen reluktanssi, mikä on hyödyllistä magneettivuon lisäämisessä; siksi sitä käytetään laajalti tehomuuntajissa. Puskurin pinoamismenetelmää käytetään yleisesti sovelluksissa, joissa on tasavirta (DC). Tasavirran aiheuttaman kyllästymisen estämiseksi piiteräslevyjen väliin on jätettävä ilmarako. Tässä menetelmässä E-arkit ja I-arkit sijoitetaan vastakkaisille puolille ja niiden välistä ilmarakoa voidaan säätää paperilevyillä.

3. Kelasydäntyypit

Nämä on jaettu kolmeen tyyppiin:
A. TOROIDALINEN YDIN: Valmistettu pinoamalla O-tyyppisiä laminaatteja tai kelaamalla piiteräslevyjä. Langan käämitys tämän tyyppiselle ytimelle on erittäin vaikeaa.
B. TAUVAKESKUS: Tangon muotoinen rautasydän.
C. RUMMUN YDIN: Rummun muotoinen rautasydän.

4. Muuntajan ydinmateriaalien luokitus

1. Korkean taajuuden luokka: Ferriittisydämet
Ferriittiytimiä käytetään suurtaajuusmuuntajissa. Ne ovat keraamisia magneetteja, joilla on spinellikiteinen rakenne ja jotka koostuvat rautaoksidista ja muista kaksiarvoisista metalliyhdisteistä, kuten kFe₂2O4 (jossa k edustaa muita metalleja). Tällä hetkellä yleisesti käytettyjä metalleja ovat mangaani (Mn), sinkki (Zn), nikkeli (Ni), magnesium (Mg) ja kupari (Cu). Yleisiä yhdistelmiä ovat mangaani-sinkki (MnZn) -sarja, nikkeli-sinkki (NiZn) -sarja ja magnesium-sinkki (MgZn) -sarja. Näillä materiaaleilla on korkeat läpäisy- ja impedanssiominaisuudet, ja niiden toimintataajuusalue on 1 kHz - yli 200 kHz.
Ferriittiytimen taajuusalue: 18 kHz - yli 1 MHz.

2. Matalataajuinen luokka: Piiteräslevyt ja amorfiset seokset
Piiteräsytimen taajuusalue: 5 Hz - 1 kHz.
Piiterästä käyttävät muuntajat toimivat tyypillisesti 50 Hz:llä. Hieman korkeampi taajuus voi kuitenkin tehokkuuden kannalta tuottaa parempia tuloksia piiteräslevyn Gauss-luokituksen mukaan. Vaikka äänen taajuudet voivat olla yli 20 kHz, tämä ei ole käytännöllistä. On suositeltavaa toimia 50–60 Hz:n taajuudella, vaikka ne voivat toimia normaalisti taajuusalueella 50–200 Hz.
Amorfisen ytimen taajuusalue: 2 kHz - 13 kHz.