ट्रांसफार्मर कोर के कार्य और वर्गीकरण

1. ट्रांसफार्मर कोर के कार्य

व्यावहारिक ट्रांसफार्मर हमेशा प्रत्यावर्ती धारा (एसी) स्थितियों के तहत काम करते हैं। बिजली की हानि न केवल वाइंडिंग्स के प्रतिरोध में होती है, बल्कि एसी चुंबकत्व के कारण कोर में भी होती है। कोर के भीतर बिजली की हानि को आमतौर पर 'लौह हानि' (या कोर हानि) के रूप में जाना जाता है, जो दो मुख्य कारकों के कारण होता है: 'हिस्टैरिसीस हानि' और 'एडी करंट हानि'। हिस्टैरिसीस हानि हिस्टैरिसीस घटना के कारण चुंबकीयकरण प्रक्रिया के दौरान नष्ट होने वाली ऊर्जा है। इस हानि का परिमाण सामग्री के हिस्टैरिसीस लूप से घिरे क्षेत्र के समानुपाती होता है। क्योंकि सिलिकॉन स्टील में एक संकीर्ण हिस्टैरिसीस लूप होता है, इसे मुख्य सामग्री के रूप में उपयोग करने से हिस्टैरिसीस हानि काफी कम हो जाती है और गर्मी उत्पादन काफी हद तक कम हो जाता है।

चूँकि सिलिकॉन स्टील के ये फायदे हैं, तो कोर को सिलिकॉन स्टील के ठोस ब्लॉक से क्यों नहीं बनाया जाता, बल्कि इसे पतली शीट में संसाधित किया जाता है? ऐसा इसलिए है क्योंकि एक लेमिनेटेड कोर एक अन्य प्रकार के लोहे के नुकसान को कम करता है - एड़ी वर्तमान नुकसान। ऑपरेशन के दौरान, वाइंडिंग में प्रत्यावर्ती धारा एक प्रत्यावर्ती चुंबकीय प्रवाह उत्पन्न करती है। यह बदलता चुंबकीय प्रवाह कोर के भीतर धाराओं को प्रेरित करता है। ये प्रेरित धाराएँ चुंबकीय प्रवाह की दिशा के लंबवत तलों में प्रसारित होती हैं और इसलिए इन्हें एड़ी धाराएँ कहा जाता है। एड़ी धारा के नुकसान के कारण भी कोर गर्म हो जाता है। इस नुकसान को कम करने के लिए, ट्रांसफार्मर कोर का निर्माण सिलिकॉन स्टील शीट को स्टैक करके किया जाता है जो एक दूसरे से इंसुलेटेड होते हैं। यह एड़ी धाराओं को छोटे क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र के साथ संकीर्ण लूप के माध्यम से प्रवाहित करने के लिए मजबूर करता है, जिससे एड़ी धारा पथ का विद्युत प्रतिरोध बढ़ जाता है। इसके अतिरिक्त, स्टील में सिलिकॉन सामग्री की विद्युत प्रतिरोधकता को बढ़ाता है, जो एड़ी धाराओं को कम करने में मदद करता है। ट्रांसफार्मर कोर के लिए, आम तौर पर 0.35 मिमी मोटी कोल्ड-रोल्ड सिलिकॉन स्टील शीट का चयन किया जाता है। उन्हें आवश्यक मुख्य आयामों के अनुसार आयताकार पट्टियों में काटा जाता है और फिर 'आकृति-आठ' या आयताकार फ्रेम आकार बनाने के लिए ढेर कर दिया जाता है। सिद्धांत रूप में, सिलिकॉन स्टील शीट जितनी पतली और स्ट्रिप्स जितनी संकीर्ण होंगी, भंवर धाराओं को कम करने में प्रभाव उतना ही बेहतर होगा। यह न केवल भंवर धारा हानि को कम करता है और तापमान वृद्धि को कम करता है बल्कि सामग्री की भी बचत करता है। हालाँकि, वास्तविक विनिर्माण में, ये अनुकूल कारक ही एकमात्र विचार नहीं हैं। शीटों को बहुत पतला और संकीर्ण बनाने से श्रम के घंटे काफी बढ़ जाएंगे और कोर का प्रभावी क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र कम हो जाएगा। इसलिए, सिलिकॉन स्टील कोर का निर्माण करते समय, इष्टतम आयामों का चयन करने के लिए विशिष्ट परिस्थितियों के आधार पर पेशेवरों और विपक्षों का वजन करना चाहिए।

ट्रांसफार्मर का निर्माण विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के सिद्धांत के आधार पर किया जाता है। एक बंद कोर अंग के चारों ओर दो वाइंडिंग लगी होती हैं: प्राथमिक वाइंडिंग और द्वितीयक वाइंडिंग। जब एक एसी वोल्टेज को प्राथमिक वाइंडिंग पर लागू किया जाता है, तो एक प्रत्यावर्ती धारा इसके माध्यम से प्रवाहित होती है, जिससे मैग्नेटोमोटिव बल (एमएमएफ) स्थापित होता है। इस एमएमएफ के प्रभाव में, कोर में एक वैकल्पिक मुख्य चुंबकीय प्रवाह उत्पन्न होता है। यह मुख्य चुंबकीय प्रवाह प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग से होकर गुजरता है और उन्हें जोड़ता है। विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के कारण, दोनों वाइंडिंग में इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) उत्पन्न होते हैं। वोल्टेज को बढ़ाने या कम करने का कारण लेनज़ के नियम द्वारा समझाया गया है: प्रेरित धारा द्वारा उत्पन्न चुंबकीय प्रवाह हमेशा मूल चुंबकीय प्रवाह में परिवर्तन का विरोध करता है। जब मूल चुंबकीय प्रवाह बढ़ता है, तो प्रेरित धारा द्वारा उत्पन्न चुंबकीय प्रवाह इसका विरोध करता है। दूसरे शब्दों में, द्वितीयक वाइंडिंग में प्रेरित चुंबकीय प्रवाह प्राथमिक वाइंडिंग द्वारा उत्पादित मुख्य चुंबकीय प्रवाह के विपरीत होता है, जिसके परिणामस्वरूप द्वितीयक वाइंडिंग में निचले स्तर का वैकल्पिक वोल्टेज होता है। इस प्रकार, कोर ट्रांसफार्मर के चुंबकीय सर्किट के रूप में कार्य करता है, जबकि वाइंडिंग इसके विद्युत सर्किट का निर्माण करती है।

2. ट्रांसफार्मर कोर कॉन्फ़िगरेशन का वर्गीकरण

शैल-प्रकार और कोर-प्रकार कोर

कोर का वह हिस्सा जिसके चारों ओर वाइंडिंग लपेटी जाती है, उसे 'कोर लिंब' कहा जाता है, जबकि वह हिस्सा जिसमें वाइंडिंग नहीं होती है, लेकिन पूरी तरह से चुंबकीय पथ के रूप में कार्य करता है, उसे 'योक' कहा जाता है। कोर को 'शेल-टाइप' कहा जाता है, जब कोर वाइंडिंग को घेरता है, और जब वाइंडिंग कोर लिंब को घेरती है, तो उसे 'कोर-टाइप' कहा जाता है। शेल-प्रकार और कोर-प्रकार कॉन्फ़िगरेशन में से प्रत्येक की अपनी विशिष्ट विशेषताएं होती हैं, लेकिन उनके द्वारा निर्देशित विनिर्माण प्रक्रियाएं काफी भिन्न होती हैं। एक बार एक विशिष्ट संरचना का चयन हो जाने के बाद, दूसरे पर स्विच करना मुश्किल होता है। चीन में, अधिकांश ट्रांसफार्मर कोर एक स्टैक्ड कोर-प्रकार के डिज़ाइन का उपयोग करते हैं।

सिलिकॉन स्टील शीट का उपयोग कम आवृत्ति वाले ट्रांसफार्मर के लिए किया जाता है और यह विभिन्न प्रकारों में आती हैं। विनिर्माण प्रक्रिया के आधार पर, उन्हें निम्न में विभाजित किया जा सकता है:
ए: एनील्ड (काली शीट)
एन: नॉन-एनील्ड (सफ़ेद शीट)

उनके आकार के आधार पर, उन्हें वर्गीकृत किया जा सकता है: ईआई-प्रकार, यूआई-प्रकार, सी-प्रकार, और स्क्वायर (मुंह)-प्रकार।

चौकोर प्रकार की सिलिकॉन स्टील शीट का उपयोग आमतौर पर उच्च-शक्ति ट्रांसफार्मर में किया जाता है। वे उत्कृष्ट इन्सुलेशन प्रदर्शन, गर्मी अपव्यय में आसानी और एक छोटा चुंबकीय पथ प्रदान करते हैं। इनका उपयोग मुख्य रूप से 500-1000 W से अधिक पावर रेटिंग वाले ट्रांसफार्मर और उच्च-शक्ति वाले ट्रांसफार्मर के लिए किया जाता है। दो सी-टाइप शीटों से बने सिलिकॉन स्टील शीट के एक सेट को सीडी-टाइप कोर कहा जाता है। सीडी-प्रकार की शीटों से बने बिजली ट्रांसफार्मर के लिए, समान क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र के तहत, खिड़की जितनी ऊंची होगी, ट्रांसफार्मर की बिजली क्षमता उतनी ही अधिक होगी। चूंकि कॉइल को कोर के दोनों किनारों पर अलग-अलग स्थापित किया जा सकता है, कॉइल घुमावों की संख्या को दो बॉबिन में वितरित किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रति बोबिन औसत मोड़ लंबाई कम हो जाती है और तांबे का नुकसान कम हो जाता है। इसके अलावा, यदि दो सममित कुंडलियाँ अलग-अलग बॉबिन पर लपेटी जाती हैं, तो पूर्ण समरूपता प्राप्त की जा सकती है।

चार सी-टाइप शीटों से बनी सिलिकॉन स्टील शीट के एक सेट को ईडी-टाइप कोर कहा जाता है। ईडी-प्रकार के कोर से बने ट्रांसफार्मर में एक सपाट, चौड़ी प्रोफ़ाइल होती है। समान पावर रेटिंग के तहत, ईडी-प्रकार के ट्रांसफार्मर सीडी-प्रकार के ट्रांसफार्मर से छोटे और चौड़े होते हैं। क्योंकि कॉइल बाहरी चुंबकीय पथ के साथ सिलिकॉन स्टील शीट के केंद्र में स्थापित होते हैं, वे कम रिसाव प्रवाह और आसपास के घटकों में न्यूनतम हस्तक्षेप प्रदर्शित करते हैं। हालाँकि, सभी कुंडलियाँ एक ही मोटे बोबिन पर लपेटी जाती हैं, जिसके परिणामस्वरूप औसत घुमाव की लंबाई लंबी होती है और तांबे की हानि अधिक होती है।

सी-टाइप कोर बेहतर प्रदर्शन प्रदान करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप ट्रांसफार्मर कॉम्पैक्ट, हल्के और अत्यधिक कुशल होते हैं। असेंबली परिप्रेक्ष्य से, सी-प्रकार कोर को बहुत कम भागों की आवश्यकता होती है और इसमें उच्च बहुमुखी प्रतिभा होती है, जिससे उच्च उत्पादन दक्षता होती है। हालाँकि, सी-टाइप सिलिकॉन स्टील शीट के लिए मशीनिंग प्रक्रिया जटिल है और इसके लिए विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है, जिससे उनकी वर्तमान लागत अपेक्षाकृत अधिक हो जाती है।

ई-टाइप सिलिकॉन स्टील शीट, जिसे शेल-टाइप या फिगर-आठ शीट के रूप में भी जाना जाता है, में प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग दोनों के लिए एक एकल बोबिन साझा करने का प्राथमिक लाभ होता है, जिससे उच्च विंडो स्पेस फैक्टर (स्पेस फैक्टर किमी: तांबे के तार के शुद्ध क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र और विंडो क्षेत्र का अनुपात) प्राप्त होता है। सिलिकॉन स्टील शीट वाइंडिंग के चारों ओर एक सुरक्षात्मक आवरण बनाती हैं, जो यांत्रिक क्षति को रोकती है। वे एक बड़ा ताप अपव्यय क्षेत्र भी प्रदान करते हैं और चुंबकीय क्षेत्र फैलाव को कम करते हैं। हालाँकि, वे प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग्स के बीच उच्च रिसाव अधिष्ठापन और बाहरी चुंबकीय हस्तक्षेप के प्रति अधिक संवेदनशीलता प्रदर्शित करते हैं। इसके अतिरिक्त, वाइंडिंग की लंबी औसत परिधि के कारण, ई-प्रकार के ट्रांसफार्मर को समान संख्या में घुमावों और कोर क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र के लिए अधिक तांबे के तार की आवश्यकता होती है।

सिलिकॉन स्टील शीट के लिए सामान्य मोटाई 0.35 मिमी और 0.5 मिमी हैं। सिलिकॉन स्टील शीट के लिए दो असेंबली विधियाँ हैं: इंटरलीविंग और बट-स्टैकिंग। इंटरलीविंग विधि शीट के खुले सिरों को विपरीत दिशाओं में वैकल्पिक करती है। यह विधि अधिक कठिन है, लेकिन इसके परिणामस्वरूप छोटे वायु अंतराल और कम चुंबकीय अनिच्छा होती है, जो चुंबकीय प्रवाह को बढ़ाने के लिए फायदेमंद है; इसलिए, इसका व्यापक रूप से बिजली ट्रांसफार्मर में उपयोग किया जाता है। बट-स्टैकिंग विधि का उपयोग आमतौर पर डायरेक्ट करंट (डीसी) वाले अनुप्रयोगों में किया जाता है। डीसी करंट के कारण होने वाली संतृप्ति को रोकने के लिए, सिलिकॉन स्टील शीट के बीच एक हवा का अंतर छोड़ा जाना चाहिए। इस विधि में, ई-शीट और आई-शीट को विपरीत दिशाओं में रखा जाता है, और उनके बीच हवा के अंतर को पेपर शिम का उपयोग करके समायोजित किया जा सकता है।

3. कुंडल कोर प्रकार

इन्हें तीन प्रकारों में विभाजित किया गया है:
A. टोरॉयडल कोर: O-प्रकार के लेमिनेशन को स्टैक करके या सिलिकॉन स्टील शीट को घुमाकर बनाया जाता है। इस प्रकार के कोर पर तार लपेटना बहुत कठिन होता है।
बी रॉड कोर: एक रॉड के आकार का लोहे का कोर।
सी. ड्रम कोर: एक ड्रम के आकार का लोहे का कोर।

4. ट्रांसफार्मर कोर सामग्री का वर्गीकरण

1. उच्च-आवृत्ति श्रेणी: फेराइट कोर
फेराइट कोर का उपयोग उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर में किया जाता है। वे एक स्पिनल क्रिस्टलीय संरचना वाले सिरेमिक चुंबक हैं, जो आयरन ऑक्साइड और अन्य द्विसंयोजक धातु यौगिकों, जैसे कि kFe₂O₄ (जहां k अन्य धातुओं का प्रतिनिधित्व करता है) से बने होते हैं। वर्तमान में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली धातुओं में मैंगनीज (एमएन), जिंक (जेडएन), निकल (नी), मैग्नीशियम (एमजी), और तांबा (सीयू) शामिल हैं। सामान्य संयोजनों में मैंगनीज-जिंक (MnZn) श्रृंखला, निकेल-जिंक (NiZn) श्रृंखला, और मैग्नीशियम-जिंक (MgZn) श्रृंखला शामिल हैं। इन सामग्रियों में उच्च पारगम्यता और प्रतिबाधा विशेषताएँ होती हैं, जिनकी ऑपरेटिंग आवृत्ति रेंज 1 kHz से 200 kHz से अधिक होती है।
फेराइट कोर आवृत्ति रेंज: 18 किलोहर्ट्ज़ से 1 मेगाहर्ट्ज से अधिक।

2. निम्न-आवृत्ति श्रेणी: सिलिकॉन स्टील शीट और अनाकार मिश्र धातु
सिलिकॉन स्टील कोर आवृत्ति रेंज: 5 हर्ट्ज से 1 किलोहर्ट्ज़।
सिलिकॉन स्टील का उपयोग करने वाले ट्रांसफार्मर आमतौर पर 50 हर्ट्ज पर काम करते हैं। हालाँकि, दक्षता के संदर्भ में, सिलिकॉन स्टील शीट की गॉस रेटिंग के आधार पर, थोड़ी अधिक आवृत्ति बेहतर परिणाम दे सकती है। जबकि ऑडियो आवृत्तियाँ 20 किलोहर्ट्ज़ से ऊपर तक पहुँच सकती हैं, यह व्यावहारिक नहीं है। इसे 50-60 हर्ट्ज़ पर संचालित करने की अनुशंसा की जाती है, हालांकि वे 50-200 हर्ट्ज़ की आवृत्ति सीमा के भीतर सामान्य रूप से कार्य कर सकते हैं।
अनाकार कोर आवृत्ति रेंज: 2 kHz से 13 kHz।