Mga Function at Classification ng Transformer Cores

1. Mga Pag-andar ng Transformer Cores

Ang mga praktikal na transformer ay palaging gumagana sa ilalim ng mga kondisyon ng alternating current (AC). Ang mga pagkawala ng kuryente ay nangyayari hindi lamang sa paglaban ng mga windings kundi pati na rin sa core dahil sa AC magnetization. Ang pagkawala ng kuryente sa loob ng core ay karaniwang tinutukoy bilang 'iron loss' (o core loss), na dulot ng dalawang pangunahing salik: 'hysteresis loss' at 'eddy current loss.' Ang Hysteresis loss ay ang enerhiya na nawawala sa panahon ng proseso ng magnetization dahil sa hysteresis phenomenon. Ang magnitude ng pagkawala na ito ay proporsyonal sa lugar na nakapaloob sa hysteresis loop ng materyal. Dahil ang silicon na bakal ay may makitid na hysteresis loop, ang paggamit nito bilang pangunahing materyal ay makabuluhang binabawasan ang pagkawala ng hysteresis at makabuluhang pinaliit ang pagbuo ng init.

Dahil ang silicon steel ay may ganitong mga kalamangan, bakit ang core ay hindi ginawa mula sa isang solidong bloke ng silicon steel, ngunit sa halip ay naproseso sa manipis na mga sheet? Ito ay dahil binabawasan ng laminated core ang isa pang uri ng pagkawala ng bakal—eddy current loss. Sa panahon ng operasyon, ang alternating current sa windings ay bumubuo ng alternating magnetic flux. Ang pagbabago ng magnetic flux na ito ay nag-uudyok ng mga alon sa loob ng core. Ang mga induced currents na ito ay umiikot sa mga eroplano na patayo sa direksyon ng magnetic flux at samakatuwid ay tinatawag na eddy currents. Ang pagkawala ng Eddy current ay nagiging sanhi din ng pag-init ng core. Upang mabawasan ang pagkawalang ito, ang core ng transpormer ay itinayo sa pamamagitan ng pagsasalansan ng mga sheet ng silikon na bakal na insulated mula sa bawat isa. Pinipilit nito ang mga eddy current na dumaloy sa makitid na mga loop na may mas maliit na cross-sectional area, sa gayon ay tumataas ang electrical resistance ng eddy current path. Bukod pa rito, pinapataas ng silikon sa bakal ang resistivity ng elektrikal ng materyal, na higit na nakakatulong upang mabawasan ang mga eddy currents. Para sa mga core ng transpormer, karaniwang pinipili ang 0.35 mm na makapal na cold-rolled silicon steel sheet. Ang mga ito ay pinutol sa mga hugis-parihaba na piraso ayon sa kinakailangang mga pangunahing sukat at pagkatapos ay isinalansan upang bumuo ng isang 'figure-eight' o hugis-parihaba na hugis ng frame. Sa teorya, mas manipis ang silicon steel sheet at mas makitid ang strips, mas maganda ang epekto sa pagbabawas ng eddy currents. Hindi lamang nito binabawasan ang pagkawala ng eddy current at pinapababa ang pagtaas ng temperatura ngunit nakakatipid din ng materyal. Gayunpaman, sa aktwal na pagmamanupaktura, ang mga paborableng salik na ito ay hindi lamang ang mga pagsasaalang-alang. Ang paggawa ng mga sheet na masyadong manipis at makitid ay makabuluhang magpapataas ng oras ng paggawa at mabawasan ang epektibong cross-sectional area ng core. Samakatuwid, kapag gumagawa ng mga silicon steel core, dapat timbangin ng isa ang mga kalamangan at kahinaan batay sa mga partikular na pangyayari upang piliin ang pinakamainam na sukat.

Ang mga transformer ay ginawa batay sa prinsipyo ng electromagnetic induction. Dalawang paikot-ikot ang nasusugatan sa paligid ng isang saradong paa ng core: ang pangunahing paikot-ikot at ang pangalawang paikot-ikot. Kapag ang isang AC boltahe ay inilapat sa pangunahing paikot-ikot, isang alternating kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan nito, na nagtatatag ng isang magnetomotive force (MMF). Sa ilalim ng impluwensya ng MMF na ito, ang isang alternating pangunahing magnetic flux ay nabuo sa core. Ang pangunahing magnetic flux na ito ay dumadaan at nag-uugnay sa pangunahin at pangalawang windings. Dahil sa electromagnetic induction, ang electromotive forces (EMF) ay nabuo sa parehong windings. Ang dahilan kung bakit maaari itong tumaas o bumaba ng boltahe ay ipinaliwanag ng Lenz's Law: ang magnetic flux na nabuo ng induced current ay palaging sumasalungat sa pagbabago sa orihinal na magnetic flux. Kapag tumaas ang orihinal na magnetic flux, sinasalungat ito ng magnetic flux na ginawa ng induced current. Sa madaling salita, ang sapilitan na magnetic flux sa pangalawang paikot-ikot ay kabaligtaran sa pangunahing magnetic flux na ginawa ng pangunahing paikot-ikot, na nagreresulta sa isang mas mababang antas na alternating boltahe sa pangalawang paikot-ikot. Kaya, ang core ay nagsisilbing magnetic circuit ng transpormer, habang ang windings ay bumubuo sa electrical circuit nito.

2. Pag-uuri ng Transformer Core Configurations

Mga Core-Type at Core-Type na Core

Ang bahagi ng core sa paligid kung saan ang mga windings ay nasugatan ay tinatawag na 'core limb,' habang ang bahagi na walang windings ngunit nagsisilbi lamang bilang magnetic path ay tinatawag na 'yoke.' Ang isang core ay tinutukoy bilang 'shell-type' kapag ang core ay pumapalibot sa windings, at 'core-type' kapag ang windings ay pumapalibot sa core limb. Ang mga configuration ng shell-type at core-type ay may kani-kaniyang natatanging katangian, ngunit ang mga proseso ng pagmamanupaktura na kanilang idinidikta ay makabuluhang naiiba. Sa sandaling napili ang isang partikular na istraktura, mahirap lumipat sa isa pa. Sa China, karamihan sa mga transformer core ay gumagamit ng stacked core-type na disenyo.

Ang mga silikon na bakal na sheet ay ginagamit para sa mga low-frequency na mga transformer at may iba't ibang uri. Batay sa proseso ng pagmamanupaktura, maaari silang nahahati sa:
A: Annealed (black sheets)
N: Non-annealed (white sheets)

Batay sa kanilang hugis, maaari silang uriin sa: EI-type, UI-type, C-type, at Square (Mouth)-type.

Ang mga square-type na silicon steel sheet ay karaniwang ginagamit sa mga high-power na transformer. Nag-aalok sila ng mahusay na pagganap ng pagkakabukod, kadalian ng pagwawaldas ng init, at isang maikling magnetic path. Pangunahing ginagamit ang mga ito para sa mga transformer na may mga power rating na higit sa 500–1000 W at mga high-power na transformer. Ang isang set ng silicon steel sheet na binubuo ng dalawang C-type na sheet ay tinatawag na CD-type na core. Para sa mga power transformer na ginawa gamit ang CD-type na mga sheet, sa ilalim ng parehong cross-sectional area, mas mataas ang window, mas malaki ang power capacity ng transformer. Dahil ang mga coil ay maaaring i-install nang hiwalay sa magkabilang panig ng core, ang bilang ng mga coil turn ay maaaring ipamahagi sa dalawang bobbins, na nagreresulta sa isang mas maikling average na haba ng turn bawat bobbin at nabawasan ang pagkawala ng tanso. Higit pa rito, kung ang dalawang simetriko na coil ay nasugatan sa magkahiwalay na bobbins, ang perpektong simetrya ay maaaring makamit.

Ang isang set ng silicon steel sheet na binubuo ng apat na C-type na sheet ay tinatawag na ED-type na core. Ang mga transformer na ginawa gamit ang mga ED-type na core ay may patag at malawak na profile. Sa ilalim ng parehong power rating, ang ED-type na mga transformer ay mas maikli at mas malawak kaysa sa CD-type na mga transformer. Dahil ang mga coils ay naka-install sa gitna ng silicon steel sheet na may panlabas na magnetic path, nagpapakita sila ng mababang leakage flux at minimal na interference sa mga nakapaligid na bahagi. Gayunpaman, ang lahat ng mga coil ay nasugatan sa isang solong makapal na bobbin, na nagreresulta sa isang mas mahabang average na haba ng pagliko at mas mataas na pagkawala ng tanso.

Ang mga C-type na core ay nag-aalok ng mahusay na pagganap, na nagreresulta sa mga transformer na compact, magaan, at napakahusay. Mula sa pananaw ng pagpupulong, ang mga C-type na core ay nangangailangan ng napakakaunting bahagi at may mataas na versatility, na humahantong sa mataas na kahusayan sa produksyon. Gayunpaman, ang proseso ng machining para sa C-type na silicon steel sheet ay kumplikado at nangangailangan ng espesyal na kagamitan, na ginagawang medyo mataas ang kanilang kasalukuyang gastos.

Ang e-type na silicon steel sheet, na kilala rin bilang shell-type o figure-eight sheet, ay may pangunahing bentahe ng pagbabahagi ng isang bobbin para sa parehong pangunahin at pangalawang windings, na nagbubunga ng mataas na window space factor (Space Factor Km: ang ratio ng net cross-sectional area ng copper wire sa window area). Ang mga silicon steel sheet ay bumubuo ng isang proteksiyon na shell sa paligid ng mga windings, na pumipigil sa mekanikal na pinsala. Nagbibigay din sila ng malaking lugar ng pagwawaldas ng init at pinapaliit ang pagpapakalat ng magnetic field. Gayunpaman, nagpapakita sila ng mas mataas na leakage inductance sa pagitan ng pangunahin at pangalawang windings at higit na pagkamaramdamin sa panlabas na magnetic interference. Bukod pa rito, dahil sa mas mahabang average na perimeter ng windings, ang mga E-type na transformer ay nangangailangan ng mas maraming copper wire para sa parehong bilang ng mga pagliko at core cross-sectional area.

Ang mga karaniwang kapal para sa silicon steel sheet ay 0.35 mm at 0.5 mm. Mayroong dalawang mga paraan ng pagpupulong para sa mga silicon steel sheet: interleaving at butt-stacking. Ang interleaving method ay nagpapalit sa mga bukas na dulo ng mga sheet sa magkabilang panig. Ang pamamaraang ito ay mas nakakapagod ngunit nagreresulta sa mas maliliit na air gaps at mas mababang magnetic reluctance, na kapaki-pakinabang para sa pagtaas ng magnetic flux; samakatuwid, ito ay malawakang ginagamit sa mga power transformer. Ang pamamaraan ng butt-stacking ay karaniwang ginagamit sa mga application na may direktang kasalukuyang (DC). Upang maiwasan ang saturation na dulot ng DC current, kailangang mag-iwan ng air gap sa pagitan ng mga silicon steel sheet. Sa pamamaraang ito, ang mga E-sheet at I-sheet ay inilalagay sa magkabilang panig, at ang agwat ng hangin sa pagitan ng mga ito ay maaaring iakma gamit ang mga shim ng papel.

3. Mga Uri ng Coil Core

Ang mga ito ay nahahati sa tatlong uri:
A. TOROIDAL CORE: Ginawa sa pamamagitan ng pagsasalansan ng mga O-type na lamination o sa pamamagitan ng winding silicon steel sheets. Ang paikot-ikot na kawad sa ganitong uri ng core ay napakahirap.
B. ROD CORE: Isang hugis baras na bakal na core.
C. DRUM CORE: Isang hugis-drum na bakal na core.

4. Pag-uuri ng Transformer Core Materials

1. High-Frequency Category: Ferrite Cores
Ferrite cores ay ginagamit sa high-frequency transformer. Ang mga ito ay mga ceramic magnet na may spinel crystalline na istraktura, na binubuo ng iron oxide at iba pang divalent metallic compound, tulad ng kFe₂O₄ (kung saan ang k ay kumakatawan sa iba pang mga metal). Ang kasalukuyang karaniwang ginagamit na mga metal ay kinabibilangan ng manganese (Mn), zinc (Zn), nickel (Ni), magnesium (Mg), at copper (Cu). Kasama sa mga karaniwang kumbinasyon ang Manganese-Zinc (MnZn) series, Nickel-Zinc (NiZn) series, at Magnesium-Zinc (MgZn) series. Ang mga materyales na ito ay nagtataglay ng mataas na pagkamatagusin at mga katangian ng impedance, na may saklaw ng dalas ng pagpapatakbo mula 1 kHz hanggang higit sa 200 kHz.
Ferrite core frequency range: 18 kHz hanggang lampas 1 MHz.

2. Low-Frequency Kategorya: Silicon Steel Sheets at Amorphous Alloys
Silicon steel core frequency range: 5 Hz hanggang 1 kHz.
Ang mga transformer na gumagamit ng silicon na bakal ay karaniwang gumagana sa 50 Hz. Gayunpaman, sa mga tuntunin ng kahusayan, ang isang bahagyang mas mataas na dalas ay maaaring magbunga ng mas mahusay na mga resulta, depende sa rating ng Gauss ng silicon steel sheet. Habang ang mga frequency ng audio ay maaaring umabot sa itaas ng 20 kHz, hindi ito praktikal. Inirerekomenda na gumana sa 50–60 Hz, bagama't maaari silang gumana nang normal sa loob ng saklaw ng dalas na 50–200 Hz.
Amorphous core frequency range: 2 kHz hanggang 13 kHz.