Fungsi dan Klasifikasi Teras Transformer

1. Fungsi Teras Transformer

Transformer praktikal sentiasa beroperasi di bawah keadaan arus ulang alik (AC). Kehilangan kuasa berlaku bukan sahaja dalam rintangan belitan tetapi juga dalam teras disebabkan oleh kemagnetan AC. Kehilangan kuasa dalam teras biasanya dirujuk sebagai 'kehilangan besi' (atau kehilangan teras), yang disebabkan oleh dua faktor utama: 'kehilangan histeresis' dan 'kehilangan arus pusar.' Kehilangan histerisis ialah tenaga yang terlesap semasa proses kemagnetan akibat fenomena histeresis. Magnitud kehilangan ini adalah berkadar dengan luas yang dikelilingi oleh gelung histerisis bahan. Kerana keluli silikon mempunyai gelung histerisis yang sempit, menggunakannya sebagai bahan teras dengan ketara mengurangkan kehilangan histerisis dan meminimumkan penjanaan haba dengan ketara.

Memandangkan keluli silikon mempunyai kelebihan ini, mengapa terasnya tidak dibuat daripada blok pepejal keluli silikon, sebaliknya diproses menjadi kepingan nipis? Ini kerana teras berlamina mengurangkan satu lagi jenis kehilangan besi—kehilangan arus pusar. Semasa operasi, arus ulang alik dalam belitan menghasilkan fluks magnet berselang-seli. Fluks magnet yang berubah ini mendorong arus dalam teras. Arus teraruh ini beredar dalam satah berserenjang dengan arah fluks magnet dan oleh itu dipanggil arus pusar. Kehilangan arus pusar juga menyebabkan teras menjadi panas. Untuk meminimumkan kehilangan ini, teras pengubah dibina dengan menyusun kepingan keluli silikon yang terlindung antara satu sama lain. Ini memaksa arus pusar mengalir melalui gelung sempit dengan luas keratan rentas yang lebih kecil, dengan itu meningkatkan rintangan elektrik laluan arus pusar. Selain itu, silikon dalam keluli meningkatkan kerintangan elektrik bahan, yang seterusnya membantu mengurangkan arus pusar. Untuk teras pengubah, kepingan keluli silikon gelek sejuk setebal 0.35 mm biasanya dipilih. Ia dipotong menjadi jalur segi empat tepat mengikut dimensi teras yang diperlukan dan kemudian disusun untuk membentuk 'angka-lapan' atau bentuk bingkai segi empat tepat. Secara teori, lebih nipis kepingan keluli silikon dan lebih sempit jalur, lebih baik kesannya dalam mengurangkan arus pusar. Ini bukan sahaja mengurangkan kehilangan arus pusar dan menurunkan kenaikan suhu tetapi juga menjimatkan bahan. Walau bagaimanapun, dalam pembuatan sebenar, faktor-faktor yang menggalakkan ini bukanlah satu-satunya pertimbangan. Membuat helaian terlalu nipis dan sempit akan meningkatkan jam buruh dengan ketara dan mengurangkan luas keratan rentas berkesan teras. Oleh itu, apabila membuat teras keluli silikon, seseorang mesti menimbang kebaikan dan keburukan berdasarkan keadaan tertentu untuk memilih dimensi yang optimum.

Transformer dihasilkan berdasarkan prinsip aruhan elektromagnet. Dua belitan dililitkan di sekeliling anggota teras tertutup: belitan primer dan belitan sekunder. Apabila voltan AC dikenakan pada belitan primer, arus ulang alik mengalir melaluinya, mewujudkan daya magnetomotif (MMF). Di bawah pengaruh MMF ini, fluks magnet utama berselang-seli dijana dalam teras. Fluks magnet utama ini melalui dan menghubungkan kedua-dua belitan primer dan sekunder. Disebabkan oleh aruhan elektromagnet, daya gerak elektrik (EMF) dijana dalam kedua-dua belitan. Sebab ia boleh menaikkan atau menurunkan voltan dijelaskan oleh Hukum Lenz: fluks magnet yang dihasilkan oleh arus teraruh sentiasa menentang perubahan dalam fluks magnet asal. Apabila fluks magnet asal meningkat, fluks magnet yang dihasilkan oleh arus teraruh menentangnya. Dalam erti kata lain, fluks magnet teraruh dalam belitan sekunder adalah bertentangan dengan fluks magnet utama yang dihasilkan oleh belitan primer, menghasilkan voltan ulang-alik peringkat rendah merentasi belitan sekunder. Oleh itu, teras berfungsi sebagai litar magnet pengubah, manakala belitan membentuk litar elektriknya.

2. Klasifikasi Konfigurasi Teras Transformer

Teras Jenis Shell dan Teras Jenis

Bahagian teras di sekeliling belitan itu dililit dipanggil 'anggota teras,' manakala bahagian yang tidak mempunyai belitan tetapi berfungsi semata-mata sebagai laluan magnet dipanggil 'kuk.' Teras dirujuk sebagai 'jenis cangkang' apabila teras mengelilingi belitan, dan 'jenis teras' apabila belitan mengelilingi anggota teras. Konfigurasi jenis cangkerang dan jenis teras masing-masing mempunyai ciri tersendiri, tetapi proses pembuatan yang ditentukannya adalah berbeza dengan ketara. Sebaik sahaja struktur tertentu dipilih, sukar untuk beralih kepada yang lain. Di China, kebanyakan teras pengubah menggunakan reka bentuk jenis teras bertindan.

Lembaran keluli silikon digunakan untuk pengubah frekuensi rendah dan terdapat dalam pelbagai jenis. Berdasarkan proses pembuatan, ia boleh dibahagikan kepada:
A: Anil (lembaran hitam)
N: Bukan anil (lembaran putih)

Berdasarkan bentuknya, ia boleh dikelaskan kepada: EI-type, UI-type, C-type, dan Square (Mouth)-type.

Kepingan keluli silikon jenis persegi biasanya digunakan dalam pengubah kuasa tinggi. Mereka menawarkan prestasi penebat yang sangat baik, kemudahan pelesapan haba, dan laluan magnet yang pendek. Ia digunakan terutamanya untuk pengubah dengan penarafan kuasa melebihi 500–1000 W dan pengubah kuasa tinggi. Satu set kepingan keluli silikon yang terdiri daripada dua kepingan jenis C dipanggil teras jenis CD. Untuk pengubah kuasa yang dibuat dengan kepingan jenis CD, di bawah luas keratan rentas yang sama, semakin tinggi tingkap, semakin besar kapasiti kuasa pengubah. Memandangkan gegelung boleh dipasang secara berasingan pada kedua-dua belah teras, bilangan lilitan gegelung boleh diagihkan merentasi dua gelendong, menghasilkan purata panjang pusingan bagi setiap gelendong dan mengurangkan kehilangan kuprum. Tambahan pula, jika dua gegelung simetri dililit pada gelendong berasingan, simetri sempurna boleh dicapai.

Satu set kepingan keluli silikon yang terdiri daripada empat kepingan jenis C dipanggil teras jenis ED. Transformer yang dibuat dengan teras jenis ED mempunyai profil yang rata dan lebar. Di bawah penarafan kuasa yang sama, pengubah jenis ED adalah lebih pendek dan lebih lebar daripada pengubah jenis CD. Oleh kerana gegelung dipasang di tengah kepingan keluli silikon dengan laluan magnet luaran, ia mempamerkan fluks kebocoran yang rendah dan gangguan minimum kepada komponen sekeliling. Walau bagaimanapun, semua gegelung dililit pada satu gelendong tebal, menghasilkan purata panjang pusingan yang lebih panjang dan kehilangan kuprum yang lebih tinggi.

Teras jenis C menawarkan prestasi unggul, menghasilkan transformer yang padat, ringan dan sangat cekap. Dari perspektif pemasangan, teras jenis C memerlukan sangat sedikit bahagian dan mempunyai serba boleh yang tinggi, yang membawa kepada kecekapan pengeluaran yang tinggi. Walau bagaimanapun, proses pemesinan untuk kepingan keluli silikon jenis C adalah rumit dan memerlukan peralatan khusus, menjadikan kos semasanya agak tinggi.

Kepingan keluli silikon jenis E, juga dikenali sebagai kepingan jenis cangkerang atau angka lapan, mempunyai kelebihan utama berkongsi satu gelendong untuk kedua-dua belitan primer dan sekunder, menghasilkan faktor ruang tingkap yang tinggi (Faktor Ruang Km: nisbah luas keratan rentas bersih wayar tembaga kepada luas tingkap). Kepingan keluli silikon membentuk cangkerang pelindung di sekeliling belitan, menghalang kerosakan mekanikal. Mereka juga menyediakan kawasan pelesapan haba yang besar dan meminimumkan penyebaran medan magnet. Walau bagaimanapun, ia mempamerkan kearuhan kebocoran yang lebih tinggi antara belitan primer dan sekunder dan lebih mudah terdedah kepada gangguan magnet luar. Selain itu, disebabkan oleh purata perimeter belitan yang lebih panjang, pengubah jenis E memerlukan lebih banyak wayar kuprum untuk bilangan lilitan dan luas keratan rentas teras yang sama.

Ketebalan biasa untuk kepingan keluli silikon ialah 0.35 mm dan 0.5 mm. Terdapat dua kaedah pemasangan untuk kepingan keluli silikon: interleaving dan butt-stacking. Kaedah interleaving menggantikan hujung terbuka helaian pada sisi bertentangan. Kaedah ini lebih membosankan tetapi menghasilkan jurang udara yang lebih kecil dan keengganan magnet yang lebih rendah, yang bermanfaat untuk meningkatkan fluks magnet; oleh itu, ia digunakan secara meluas dalam pengubah kuasa. Kaedah tindanan punggung biasanya digunakan dalam aplikasi dengan arus terus (DC). Untuk mengelakkan ketepuan yang disebabkan oleh arus DC, jurang udara mesti ditinggalkan di antara kepingan keluli silikon. Dalam kaedah ini, lembaran-E dan lembaran-I diletakkan pada sisi bertentangan, dan jurang udara di antaranya boleh dilaraskan menggunakan shim kertas.

3. Jenis Teras Gegelung

Ini dibahagikan kepada tiga jenis:
A. TERAS TOROIDAL: Dibuat dengan menyusun laminasi jenis O atau dengan menggulung kepingan keluli silikon. Wayar penggulungan pada teras jenis ini sangat sukar.
B. TERAS ROD: Teras besi berbentuk rod.
C. TERAS DRAM: Teras besi berbentuk dram.

4. Pengelasan Bahan Teras Pengubah

1. Kategori Frekuensi Tinggi:
Teras Ferit Teras ferit digunakan dalam pengubah frekuensi tinggi. Ia adalah magnet seramik dengan struktur kristal spinel, terdiri daripada oksida besi dan sebatian logam divalen lain, seperti kFe₂O₄ (di mana k mewakili logam lain). Pada masa ini logam yang biasa digunakan termasuk mangan (Mn), zink (Zn), nikel (Ni), magnesium (Mg), dan kuprum (Cu). Gabungan biasa termasuk siri Mangan-Zink (MnZn), siri Nickel-Zinc (NiZn) dan siri Magnesium-Zinc (MgZn). Bahan ini mempunyai ciri kebolehtelapan dan impedans yang tinggi, dengan julat frekuensi operasi dari 1 kHz hingga lebih 200 kHz.
Julat frekuensi teras ferit: 18 kHz hingga lebih 1 MHz.

2. Kategori Frekuensi Rendah: Lembaran Keluli Silikon dan Aloi Amorf Julat
kekerapan teras keluli silikon: 5 Hz hingga 1 kHz.
Transformer menggunakan keluli silikon biasanya beroperasi pada 50 Hz. Walau bagaimanapun, dari segi kecekapan, frekuensi yang lebih tinggi sedikit mungkin menghasilkan hasil yang lebih baik, bergantung pada penarafan Gauss bagi kepingan keluli silikon. Walaupun frekuensi audio boleh mencapai melebihi 20 kHz, ini tidak praktikal. Adalah disyorkan untuk beroperasi pada 50–60 Hz, walaupun ia boleh berfungsi secara normal dalam julat frekuensi 50–200 Hz.
Julat frekuensi teras amorfus: 2 kHz hingga 13 kHz.