Funkcije i klasifikacija jezgri transformatora

1. Funkcije jezgri transformatora

Praktični transformatori uvijek rade pod uvjetima izmjenične struje (AC). Gubici snage nastaju ne samo u otporu namota nego iu jezgri zbog izmjenične magnetizacije. Gubitak snage unutar jezgre obično se naziva 'gubitak željeza' (ili gubitak jezgre), što je uzrokovano dvama glavnim čimbenicima: 'gubitkom histereze' i 'gubitkom vrtložne struje'. Gubitak histerezom je energija koja se rasipa tijekom procesa magnetizacije zbog fenomena histereze. Veličina ovog gubitka proporcionalna je površini koju okružuje petlja histereze materijala. Budući da silikonski čelik ima usku petlju histereze, njegova uporaba kao materijala jezgre značajno smanjuje gubitak histereze i značajno smanjuje stvaranje topline.

Budući da silikonski čelik ima te prednosti, zašto jezgra nije izrađena od čvrstog bloka silikonskog čelika, nego je umjesto toga obrađena u tanke ploče? To je zato što laminirana jezgra smanjuje drugu vrstu gubitka željeza—gubitak vrtložnom strujom. Tijekom rada izmjenična struja u namotima stvara izmjenični magnetski tok. Ovaj promjenjivi magnetski tok inducira struje unutar jezgre. Te inducirane struje cirkuliraju u ravninama okomitim na smjer magnetskog toka i stoga se nazivaju vrtložne struje. Gubitak vrtložne struje također uzrokuje zagrijavanje jezgre. Kako bi se ovaj gubitak sveo na najmanju moguću mjeru, jezgra transformatora izrađena je slaganjem silicijskih čeličnih ploča koje su međusobno izolirane. To prisiljava vrtložne struje da teku kroz uske petlje s manjim područjem poprečnog presjeka, čime se povećava električni otpor putanje vrtložnih struja. Osim toga, silicij u čeliku povećava električni otpor materijala, što dodatno pomaže u smanjenju vrtložnih struja. Za transformatorske jezgre općenito se odabiru hladno valjani limovi od silikonskog čelika debljine 0,35 mm. Režu se na pravokutne trake prema potrebnim dimenzijama jezgre, a zatim se slažu u obliku 'osmice' ili pravokutnog okvira. U teoriji, što su limovi od silikonskog čelika tanji i trake uže, to je bolji učinak u smanjenju vrtložnih struja. Ovo ne samo da smanjuje gubitak vrtložne struje i smanjuje porast temperature, već također štedi materijal. Međutim, u stvarnoj proizvodnji ovi povoljni čimbenici nisu jedina razmatranja. Izrada limova pretankim i preuskim značajno bi povećala radne sate i smanjila efektivnu površinu poprečnog presjeka jezgre. Stoga, pri proizvodnji jezgri od silikonskog čelika, potrebno je odvagnuti prednosti i nedostatke na temelju specifičnih okolnosti kako bi se odabrale optimalne dimenzije.

Transformatori se proizvode na principu elektromagnetske indukcije. Dva namota su namotana oko zatvorenog kraka jezgre: primarni namot i sekundarni namot. Kada se izmjenični napon primijeni na primarni namot, kroz njega teče izmjenična struja, uspostavljajući magnetomotornu silu (MMS). Pod utjecajem ovog MMF-a u jezgri se stvara izmjenični glavni magnetski tok. Ovaj glavni magnetski tok prolazi kroz i povezuje primarni i sekundarni namot. Zbog elektromagnetske indukcije u oba namota nastaju elektromotorne sile (EMS). Razlog zašto može povećati ili smanjiti napon objašnjen je Lenzovim zakonom: magnetski tok generiran induciranom strujom uvijek se suprotstavlja promjeni izvornog magnetskog toka. Kada se izvorni magnetski tok poveća, magnetski tok koji proizvodi inducirana struja mu se suprotstavlja. Drugim riječima, inducirani magnetski tok u sekundarnom namotu suprotan je glavnom magnetskom toku koji proizvodi primarni namot, što rezultira nižim izmjeničnim naponom na sekundarnom namotu. Dakle, jezgra služi kao magnetski krug transformatora, dok namoti čine njegov električni krug.

2. Klasifikacija konfiguracija jezgri transformatora

Shell-Type i Core-Type Cores

Dio jezgre oko kojeg su namotani namoti naziva se 'krak jezgre', dok se dio koji nema namotaje, već služi isključivo kao magnetski put naziva 'jaram'. Jezgra se naziva 'ljuskasta' kada jezgra okružuje namote, a 'tip jezgre' kada namoti okružuju krak jezgre. Svaka od konfiguracija tipa školjke i tipa jezgre ima svoje različite karakteristike, ali proizvodni procesi koje diktiraju značajno su različiti. Nakon što se odabere određena struktura, teško je prijeći na drugu. U Kini, većina transformatorskih jezgri koristi dizajn složene jezgre.

Silicijski čelični limovi koriste se za niskofrekventne transformatore i dolaze u različitim vrstama. Na temelju procesa proizvodnje mogu se podijeliti na:
A: žarene (crne ploče)
N: nežarene (bijele ploče)

Na temelju oblika mogu se klasificirati na: EI-tip, UI-tip, C-tip i Square (Mouth)-tip.

Kvadratni limovi od silikonskog čelika obično se koriste u transformatorima velike snage. Nude izvrsnu izolacijsku izvedbu, jednostavno odvođenje topline i kratak magnetski put. Prvenstveno se koriste za transformatore snage iznad 500-1000 W i transformatore velike snage. Skup silicijskih čeličnih limova sastavljen od dva C-tipa lima naziva se CD-tip jezgre. Za energetske transformatore izrađene od ploča tipa CD, pod istom površinom poprečnog presjeka, što je veći prozor, to je veći kapacitet snage transformatora. Budući da se zavojnice mogu postaviti zasebno na obje strane jezgre, broj zavoja zavojnice može se rasporediti na dvije bobine, što rezultira kraćom prosječnom duljinom zavoja po bobini i smanjenim gubitkom bakra. Nadalje, ako se dvije simetrične zavojnice namotaju na zasebne bobine, može se postići savršena simetrija.

Skup silicijskih čeličnih ploča sastavljen od četiri ploče C-tipa naziva se jezgra ED-tipa. Transformatori napravljeni s jezgrama tipa ED imaju ravan, širok profil. Pod istom nazivnom snagom, transformatori tipa ED su kraći i širi od transformatora tipa CD. Budući da su zavojnice ugrađene u središte silikonskih čeličnih limova s ​​vanjskim magnetskim putem, pokazuju nizak tok curenja i minimalne smetnje okolnim komponentama. Međutim, sve zavojnice namotane su na jednu deblju špulicu, što rezultira dužom prosječnom duljinom zavoja i većim gubitkom bakra.

Jezgre tipa C nude vrhunske performanse, što rezultira transformatorima koji su kompaktni, lagani i vrlo učinkoviti. Iz perspektive sastavljanja, jezgre tipa C zahtijevaju vrlo malo dijelova i imaju veliku svestranost, što dovodi do visoke učinkovitosti proizvodnje. Međutim, proces strojne obrade silicijskih čeličnih limova C-tipa složen je i zahtijeva specijaliziranu opremu, zbog čega su njihovi trenutni troškovi relativno visoki.

Limovi od silikonskog čelika E-tipa, također poznati kao limovi u obliku ljuske ili osmice, imaju primarnu prednost dijeljenja jedne bobine za primarni i sekundarni namot, čime se postiže visok faktor prostora prozora (Faktor prostora Km: omjer neto površine poprečnog presjeka bakrene žice i površine prozora). Silicijski čelični limovi čine zaštitni omotač oko namota, sprječavajući mehanička oštećenja. Oni također pružaju veliko područje rasipanja topline i minimiziraju disperziju magnetskog polja. Međutim, oni pokazuju veći induktivitet propuštanja između primarnog i sekundarnog namota i veću osjetljivost na vanjske magnetske smetnje. Dodatno, zbog dužeg prosječnog opsega namota, transformatori E-tipa zahtijevaju više bakrene žice za isti broj zavoja i površinu poprečnog presjeka jezgre.

Uobičajene debljine limova od silikonskog čelika su 0,35 mm i 0,5 mm. Postoje dvije metode montaže silikonskih čeličnih limova: preplitanje i sučeljeno slaganje. Metoda preplitanja izmjenjuje otvorene krajeve listova na suprotnim stranama. Ova metoda je zamornija, ali rezultira manjim zračnim rasporima i manjom magnetskom otpornošću, što je korisno za povećanje magnetskog toka; stoga se široko koristi u energetskim transformatorima. Metoda sučeonog slaganja obično se koristi u primjenama s istosmjernom strujom (DC). Kako bi se spriječilo zasićenje uzrokovano istosmjernom strujom, između limova silikonskog čelika mora se ostaviti zračni raspor. U ovoj metodi, E-listovi i I-listovi se postavljaju na suprotne strane, a zračni raspor između njih može se podesiti pomoću podmetača za papir.

3. Vrste jezgri zavojnice

Oni se dijele na tri tipa:
A. TOROIDALNA JEZGRA: Izrađena slaganjem laminata O-tipa ili namotavanjem limova od silikonskog čelika. Namatanje žice na ovoj vrsti jezgre vrlo je teško.
B. ŠTAPNA JEZGRA: željezna jezgra u obliku šipke.
C. JEZGRA BUBNJA: željezna jezgra u obliku bubnja.

4. Klasifikacija materijala jezgri transformatora

1. Visokofrekventna kategorija: Feritne jezgre
Feritne jezgre koriste se u visokofrekventnim transformatorima. Oni su keramički magneti sa spinelnom kristalnom strukturom, sastavljeni od željeznog oksida i drugih dvovalentnih metalnih spojeva, kao što je kFe₂O₄ (gdje k ​​predstavlja druge metale). Metali koji se trenutno često koriste uključuju mangan (Mn), cink (Zn), nikal (Ni), magnezij (Mg) i bakar (Cu). Uobičajene kombinacije uključuju seriju mangan-cink (MnZn), seriju nikal-cink (NiZn) i seriju magnezij-cink (MgZn). Ovi materijali posjeduju karakteristike visoke propusnosti i impedancije, s radnim frekvencijskim rasponom od 1 kHz do preko 200 kHz.
Frekvencijski raspon feritne jezgre: 18 kHz do preko 1 MHz.

2. Niskofrekventna kategorija: Silicijski čelični limovi i amorfne legure
Frekvencijski raspon jezgre od silicijskog čelika: 5 Hz do 1 kHz.
Transformatori koji koriste silicijski čelik obično rade na 50 Hz. Međutim, u pogledu učinkovitosti, nešto viša frekvencija može dati bolje rezultate, ovisno o Gaussovoj vrijednosti silikonskog čeličnog lima. Dok audio frekvencije mogu doseći iznad 20 kHz, to nije praktično. Preporuča se rad na 50–60 Hz, iako mogu normalno funkcionirati unutar frekvencijskog raspona od 50–200 Hz.
Frekvencijski raspon amorfne jezgre: 2 kHz do 13 kHz.