Functies en classificatie van transformatorkernen

1. Functies van transformatorkernen

Praktische transformatoren werken altijd onder wisselstroomomstandigheden. Vermogensverliezen treden niet alleen op in de weerstand van de wikkelingen, maar ook in de kern als gevolg van AC-magnetisatie. Het vermogensverlies binnen de kern wordt gewoonlijk 'ijzerverlies' (of kernverlies) genoemd, wat wordt veroorzaakt door twee hoofdfactoren: 'hysteresisverlies' en 'wervelstroomverlies'. Hysteresisverlies is de energie die tijdens het magnetisatieproces wordt gedissipeerd als gevolg van het hysteresefenomeen. De omvang van dit verlies is evenredig met het gebied dat wordt omsloten door de hysteresislus van het materiaal. Omdat siliciumstaal een smalle hysteresislus heeft, vermindert het gebruik ervan als kernmateriaal het hysteresisverlies aanzienlijk en minimaliseert de warmteontwikkeling aanzienlijk.

Omdat siliciumstaal deze voordelen heeft, waarom wordt de kern dan niet gemaakt uit een massief blok siliciumstaal, maar in plaats daarvan verwerkt tot dunne platen? Dit komt omdat een gelamineerde kern een ander type ijzerverlies vermindert: wervelstroomverlies. Tijdens bedrijf genereert de wisselstroom in de wikkelingen een wisselende magnetische flux. Deze veranderende magnetische flux induceert stromen in de kern. Deze geïnduceerde stromen circuleren in vlakken loodrecht op de richting van de magnetische flux en worden daarom wervelstromen genoemd. Wervelstroomverlies zorgt er ook voor dat de kern opwarmt. Om dit verlies te minimaliseren, is de transformatorkern geconstrueerd door siliciumstaalplaten te stapelen die van elkaar zijn geïsoleerd. Dit dwingt de wervelstromen om door smalle lussen met een kleiner dwarsdoorsnedeoppervlak te stromen, waardoor de elektrische weerstand van het wervelstroompad toeneemt. Bovendien verhoogt het silicium in het staal de elektrische weerstand van het materiaal, wat verder helpt om wervelstromen te verminderen. Voor transformatorkernen worden doorgaans koudgewalste siliciumstaalplaten met een dikte van 0,35 mm gekozen. Ze worden in rechthoekige stroken gesneden volgens de vereiste kernafmetingen en vervolgens gestapeld tot een 'achtcijfer' of rechthoekige framevorm. In theorie geldt dat hoe dunner de siliciumstaalplaten en hoe smaller de strips, hoe beter het effect bij het verminderen van wervelstromen. Dit vermindert niet alleen het wervelstroomverlies en de temperatuurstijging, maar bespaart ook materiaal. Bij de feitelijke productie zijn deze gunstige factoren echter niet de enige overwegingen. Het te dun en smal maken van de platen zou de arbeidsuren aanzienlijk vergroten en het effectieve dwarsdoorsnedeoppervlak van de kern verkleinen. Daarom moet men bij het vervaardigen van kernen van siliciumstaal de voor- en nadelen afwegen op basis van specifieke omstandigheden om de optimale afmetingen te selecteren.

Transformatoren worden vervaardigd op basis van het principe van elektromagnetische inductie. Rond een gesloten kernlid zijn twee wikkelingen gewikkeld: de primaire wikkeling en de secundaire wikkeling. Wanneer een wisselspanning wordt aangelegd op de primaire wikkeling, stroomt er een wisselstroom doorheen, waardoor een magnetomotorische kracht (MMF) ontstaat. Onder invloed van dit MMF wordt in de kern een wisselende magnetische hoofdflux gegenereerd. Deze magnetische hoofdflux passeert en verbindt zowel de primaire als de secundaire wikkelingen. Door elektromagnetische inductie worden in beide wikkelingen elektromotorische krachten (EMF) gegenereerd. De reden dat het de spanning kan verhogen of verlagen wordt verklaard door de wet van Lenz: de magnetische flux die wordt gegenereerd door de geïnduceerde stroom is altijd tegengesteld aan de verandering in de oorspronkelijke magnetische flux. Wanneer de oorspronkelijke magnetische flux toeneemt, is de magnetische flux die door de geïnduceerde stroom wordt geproduceerd, hiertegen strijdig. Met andere woorden, de geïnduceerde magnetische flux in de secundaire wikkeling is tegengesteld aan de magnetische hoofdflux die door de primaire wikkeling wordt geproduceerd, wat resulteert in een wisselspanning op een lager niveau over de secundaire wikkeling. De kern dient dus als het magnetische circuit van de transformator, terwijl de wikkelingen het elektrische circuit vormen.

2. Classificatie van Transformer Core-configuraties

Shell-type en kern-type kernen

Het deel van de kern waaromheen de wikkelingen zijn gewikkeld, wordt het 'kernlid' genoemd, terwijl het deel dat geen wikkelingen heeft maar uitsluitend als magnetisch pad dient het 'juk' wordt genoemd. Een kern wordt 'shell-type' genoemd als de kern de wikkelingen omringt, en 'kerntype' als de wikkelingen het kernlid omringen. Configuraties van het schaal- en kerntype hebben elk hun eigen kenmerken, maar de productieprocessen die ze voorschrijven zijn aanzienlijk verschillend. Als eenmaal een specifieke structuur is geselecteerd, is het moeilijk om naar een andere over te schakelen. In China maken de meeste transformatorkernen gebruik van een gestapeld kerntype ontwerp.

Siliciumstaalplaten worden gebruikt voor laagfrequente transformatoren en zijn er in verschillende soorten. Op basis van het productieproces kunnen ze worden onderverdeeld in:
A: gegloeid (zwarte platen)
N: niet-gegloeid (witte platen)

Op basis van hun vorm kunnen ze worden ingedeeld in: EI-type, UI-type, C-type en Square (Mond)-type.

Siliciumstaalplaten van het vierkante type worden vaak gebruikt in transformatoren met hoog vermogen. Ze bieden uitstekende isolatieprestaties, gemakkelijke warmteafvoer en een kort magnetisch pad. Ze worden voornamelijk gebruikt voor transformatoren met een vermogen van meer dan 500–1000 W en transformatoren met hoog vermogen. Een set siliciumstaalplaten bestaande uit twee C-type platen wordt een CD-type kern genoemd. Voor stroomtransformatoren gemaakt met platen van het CD-type, geldt bij hetzelfde dwarsdoorsnedeoppervlak: hoe hoger het venster, hoe groter de vermogenscapaciteit van de transformator. Omdat spoelen aan beide zijden van de kern afzonderlijk kunnen worden geïnstalleerd, kan het aantal spoelwindingen over twee spoelen worden verdeeld, wat resulteert in een kortere gemiddelde windinglengte per spoel en minder koperverlies. Bovendien kan een perfecte symmetrie worden bereikt als twee symmetrische spoelen op afzonderlijke spoelen worden gewikkeld.

Een set siliciumstaalplaten bestaande uit vier C-type platen wordt een ED-type kern genoemd. Transformatoren gemaakt met kernen van het ED-type hebben een vlak, breed profiel. Bij hetzelfde vermogen zijn transformatoren van het ED-type korter en breder dan transformatoren van het CD-type. Omdat de spoelen in het midden van de siliciumstaalplaten zijn geïnstalleerd met een extern magnetisch pad, vertonen ze een lage lekflux en minimale interferentie met omliggende componenten. Alle spoelen zijn echter op één dikke spoel gewikkeld, wat resulteert in een langere gemiddelde draailengte en een hoger koperverlies.

C-type kernen bieden superieure prestaties, wat resulteert in transformatoren die compact, lichtgewicht en zeer efficiënt zijn. Vanuit assemblageperspectief hebben C-type kernen zeer weinig onderdelen nodig en zijn ze zeer veelzijdig, wat leidt tot een hoge productie-efficiëntie. Het bewerkingsproces voor siliciumstaalplaten van het C-type is echter complex en vereist gespecialiseerde apparatuur, waardoor de huidige kosten relatief hoog zijn.

E-type siliciumstaalplaten, ook bekend als shell-type of achtvormige platen, hebben het belangrijkste voordeel dat ze een enkele spoel delen voor zowel de primaire als de secundaire wikkelingen, wat een hoge raamruimtefactor oplevert (Space Factor Km: de verhouding van de netto dwarsdoorsnede van de koperdraad tot het raamoppervlak). De siliciumstaalplaten vormen een beschermend omhulsel rond de wikkelingen, waardoor mechanische schade wordt voorkomen. Ze bieden ook een groot warmtedissipatiegebied en minimaliseren de verspreiding van het magnetische veld. Ze vertonen echter een hogere lekinductie tussen de primaire en secundaire wikkelingen en een grotere gevoeligheid voor externe magnetische interferentie. Bovendien hebben E-type transformatoren, vanwege de langere gemiddelde omtrek van de wikkelingen, meer koperdraad nodig voor hetzelfde aantal windingen en hetzelfde kerndoorsnede-oppervlak.

Gangbare diktes voor siliciumstaalplaten zijn 0,35 mm en 0,5 mm. Er zijn twee montagemethoden voor siliciumstaalplaten: interleaving en butt-stacking. Bij de interleaving-methode worden de open uiteinden van de vellen aan weerszijden afgewisseld. Deze methode is omslachtiger maar resulteert in kleinere luchtspleten en een lagere magnetische weerstand, wat gunstig is voor het vergroten van de magnetische flux; daarom wordt het veel gebruikt in stroomtransformatoren. De butt-stacking-methode wordt vaak gebruikt in toepassingen met gelijkstroom (DC). Om verzadiging veroorzaakt door gelijkstroom te voorkomen, moet er een luchtspleet tussen de siliciumstaalplaten worden gelaten. Bij deze methode worden E-vellen en I-vellen aan weerszijden geplaatst en kan de luchtspleet ertussen worden aangepast met behulp van papieren vulplaatjes.

3. Typen spoelkernen

Deze zijn onderverdeeld in drie typen:
A. TOROIDALE KERN: Gemaakt door het stapelen van O-type laminaten of door het wikkelen van siliciumstaalplaten. Het wikkelen van draad op dit type kern is erg moeilijk.
B. STAAFKERN: Een staafvormige ijzeren kern.
C. TROMMELKERN: Een trommelvormige ijzeren kern.

4. Classificatie van transformatorkernmaterialen

1. Hoogfrequente categorie: ferrietkernen
Ferrietkernen worden gebruikt in hoogfrequente transformatoren. Het zijn keramische magneten met een spinel-kristallijne structuur, samengesteld uit ijzeroxide en andere tweewaardige metaalverbindingen, zoals kFe₂O₄ (waarbij k andere metalen voorstelt). Momenteel algemeen gebruikte metalen zijn mangaan (Mn), zink (Zn), nikkel (Ni), magnesium (Mg) en koper (Cu). Veel voorkomende combinaties zijn de mangaan-zink (MnZn)-serie, nikkel-zink (NiZn)-serie en magnesium-zink (MgZn)-serie. Deze materialen beschikken over hoge permeabiliteits- en impedantiekarakteristieken, met een werkfrequentiebereik van 1 kHz tot meer dan 200 kHz.
Frequentiebereik ferrietkern: 18 kHz tot ruim 1 MHz.

2. Laagfrequente categorie: siliciumstaalplaten en amorfe legeringen.
Frequentiebereik van siliciumstaalkern: 5 Hz tot 1 kHz.
Transformatoren die siliciumstaal gebruiken, werken doorgaans op 50 Hz. In termen van efficiëntie kan een iets hogere frequentie echter betere resultaten opleveren, afhankelijk van de Gauss-waarde van de siliciumstaalplaat. Hoewel audiofrequenties boven de 20 kHz kunnen reiken, is dit niet praktisch. Het wordt aanbevolen om te werken op 50–60 Hz, hoewel ze normaal kunnen functioneren binnen een frequentiebereik van 50–200 Hz.
Frequentiebereik amorfe kern: 2 kHz tot 13 kHz.