Funkcje i klasyfikacja rdzeni transformatorowych

1. Funkcje rdzeni transformatorowych

Praktyczne transformatory zawsze działają w warunkach prądu przemiennego (AC). Straty mocy występują nie tylko w rezystancji uzwojeń, ale także w rdzeniu w wyniku namagnesowania prądu przemiennego. Strata mocy w rdzeniu jest powszechnie określana jako „strata żelaza” (lub utrata rdzenia), która jest spowodowana dwoma głównymi czynnikami: „stratą histerezy” i „stratą prądu wirowego”. Strata histerezy to energia rozproszona podczas procesu magnesowania w wyniku zjawiska histerezy. Wielkość tej straty jest proporcjonalna do obszaru zamkniętego przez pętlę histerezy materiału. Ponieważ stal krzemowa ma wąską pętlę histerezy, zastosowanie jej jako materiału rdzenia znacznie zmniejsza straty histerezy i znacznie minimalizuje wytwarzanie ciepła.

Skoro stal krzemowa ma te zalety, dlaczego rdzeń nie jest wykonany z litego bloku stali krzemowej, ale zamiast tego przetworzony na cienkie arkusze? Dzieje się tak, ponieważ laminowany rdzeń zmniejsza inny rodzaj strat żelaza – utratę prądu wirowego. Podczas pracy prąd przemienny w uzwojeniach generuje zmienny strumień magnetyczny. Ten zmieniający się strumień magnetyczny indukuje prądy w rdzeniu. Te indukowane prądy krążą w płaszczyznach prostopadłych do kierunku strumienia magnetycznego i dlatego nazywane są prądami wirowymi. Utrata prądu wirowego powoduje również nagrzewanie się rdzenia. Aby zminimalizować te straty, rdzeń transformatora jest skonstruowany poprzez ułożenie izolowanych od siebie arkuszy stali krzemowej. Wymusza to przepływ prądów wirowych przez wąskie pętle o mniejszym przekroju poprzecznym, zwiększając w ten sposób opór elektryczny ścieżki prądu wirowego. Dodatkowo krzem zawarty w stali zwiększa oporność elektryczną materiału, co dodatkowo pomaga zredukować prądy wirowe. Na rdzenie transformatorów wybiera się zazwyczaj blachy ze stali krzemowej walcowanej na zimno o grubości 0,35 mm. Są one cięte na prostokątne paski zgodnie z wymaganymi wymiarami rdzenia, a następnie układane w stosy, tworząc kształt „ósemki” lub prostokątnej ramy. Teoretycznie im cieńsze blachy ze stali krzemowej i im węższe paski, tym lepszy efekt redukcji prądów wirowych. To nie tylko zmniejsza straty prądu wirowego i obniża wzrost temperatury, ale także oszczędza materiał. Jednak w rzeczywistej produkcji te korzystne czynniki nie są jedynymi czynnikami, które należy wziąć pod uwagę. Wykonanie blach zbyt cienkich i wąskich znacznie wydłużyłoby godziny pracy i zmniejszyło efektywne pole przekroju poprzecznego rdzenia. Dlatego też przy produkcji rdzeni ze stali krzemowej należy rozważyć zalety i wady w oparciu o konkretne okoliczności, aby wybrać optymalne wymiary.

Transformatory produkowane są w oparciu o zasadę indukcji elektromagnetycznej. Wokół zamkniętego ramienia rdzenia nawinięte są dwa uzwojenia: uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne. Kiedy do uzwojenia pierwotnego przyłożone jest napięcie prądu przemiennego, przepływa przez nie prąd przemienny, tworząc siłę magnetomotoryczną (MMF). Pod wpływem tego MMF w rdzeniu generowany jest przemienny główny strumień magnetyczny. Ten główny strumień magnetyczny przechodzi i łączy uzwojenie pierwotne i wtórne. W wyniku indukcji elektromagnetycznej w obu uzwojeniach powstają siły elektromotoryczne (EMF). Powód, dla którego może on zwiększać lub zmniejszać napięcie, wyjaśnia prawo Lenza: strumień magnetyczny generowany przez indukowany prąd zawsze przeciwstawia się zmianie pierwotnego strumienia magnetycznego. Kiedy pierwotny strumień magnetyczny wzrasta, strumień magnetyczny wytwarzany przez indukowany prąd przeciwdziała mu. Innymi słowy, indukowany strumień magnetyczny w uzwojeniu wtórnym jest przeciwny do głównego strumienia magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie pierwotne, co skutkuje niższym napięciem przemiennym na uzwojeniu wtórnym. Zatem rdzeń pełni rolę obwodu magnetycznego transformatora, natomiast uzwojenia stanowią jego obwód elektryczny.

2. Klasyfikacja konfiguracji rdzeni transformatorów

Rdzenie skorupowe i rdzeniowe

Część rdzenia, wokół której nawinięte są uzwojenia, nazywana jest „odnogą rdzenia”, natomiast część, która nie ma uzwojeń, ale służy wyłącznie jako ścieżka magnetyczna, nazywana jest „jarzmem”. Rdzeń określa się jako „typ powłoki”, gdy rdzeń otacza uzwojenia, oraz „typ rdzenia”, gdy uzwojenia otaczają ramię rdzenia. Konfiguracje typu skorupowego i rdzeniowego mają swoją odrębną charakterystykę, ale dyktowane przez nie procesy produkcyjne znacznie się różnią. Po wybraniu konkretnej struktury trudno jest przejść na inną. W Chinach większość rdzeni transformatorów wykorzystuje konstrukcję z rdzeniem ułożonym warstwowo.

Blachy ze stali krzemowej są stosowane w transformatorach niskiej częstotliwości i są dostępne w różnych typach. W oparciu o proces produkcyjny można je podzielić na:
A: Wyżarzone (czarne blachy)
N: Niewyżarzone (białe blachy)

Ze względu na kształt można je podzielić na: typu EI, typu UI, typu C i typu kwadratowego (usta).

Kwadratowe blachy ze stali krzemowej są powszechnie stosowane w transformatorach dużej mocy. Oferują doskonałe właściwości izolacyjne, łatwość odprowadzania ciepła i krótką ścieżkę magnetyczną. Stosowane są przede wszystkim do transformatorów o mocach powyżej 500–1000 W i transformatorów dużej mocy. Zestaw arkuszy stali krzemowej składający się z dwóch arkuszy typu C nazywany jest rdzeniem typu CD. Dla transformatorów mocy wykonanych z blach typu CD, o tej samej powierzchni przekroju, im wyższe okno, tym większa moc transformatora. Ponieważ cewki można instalować oddzielnie po obu stronach rdzenia, liczbę zwojów cewki można rozłożyć na dwie szpule, co skutkuje krótszą średnią długością zwoju na szpulę i zmniejszonymi stratami miedzi. Ponadto, jeśli dwie symetryczne cewki zostaną nawinięte na oddzielne szpulki, można uzyskać idealną symetrię.

Zestaw arkuszy stali krzemowej składający się z czterech arkuszy typu C nazywany jest rdzeniem typu ED. Transformatory wykonane na rdzeniach typu ED mają płaski, szeroki profil. Przy tej samej mocy znamionowej transformatory typu ED są krótsze i szersze niż transformatory typu CD. Ponieważ cewki są instalowane pośrodku arkuszy stali krzemowej z zewnętrzną ścieżką magnetyczną, wykazują niski strumień upływu i minimalne zakłócenia w stosunku do otaczających elementów. Jednakże wszystkie cewki są nawinięte na pojedynczą grubą szpulę, co skutkuje dłuższą średnią długością zwoju i większymi stratami miedzi.

Rdzenie typu C zapewniają doskonałą wydajność, dzięki czemu transformatory są kompaktowe, lekkie i bardzo wydajne. Z punktu widzenia montażu rdzenie typu C wymagają bardzo niewielu części i charakteryzują się dużą wszechstronnością, co prowadzi do wysokiej wydajności produkcji. Jednakże proces obróbki blach ze stali krzemowej typu C jest złożony i wymaga specjalistycznego sprzętu, co powoduje, że ich obecny koszt jest stosunkowo wysoki.

Arkusze ze stali krzemowej typu E, znane również jako blachy skorupowe lub ósemkowe, mają główną zaletę polegającą na tym, że dzielą jedną szpulę zarówno dla uzwojenia pierwotnego, jak i wtórnego, co zapewnia wysoki współczynnik przestrzenny okna (współczynnik przestrzenny Km: stosunek pola przekroju poprzecznego netto drutu miedzianego do pola powierzchni okna). Blachy ze stali krzemowej tworzą powłokę ochronną wokół uzwojeń, zapobiegając uszkodzeniom mechanicznym. Zapewniają również dużą powierzchnię rozpraszania ciepła i minimalizują dyspersję pola magnetycznego. Wykazują jednak wyższą indukcyjność rozproszenia pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym oraz większą podatność na zewnętrzne zakłócenia magnetyczne. Dodatkowo, ze względu na większy średni obwód uzwojeń, transformatory typu E wymagają większej ilości drutu miedzianego przy tej samej liczbie zwojów i polu przekroju poprzecznego rdzenia.

Typowe grubości blach ze stali krzemowej wynoszą 0,35 mm i 0,5 mm. Istnieją dwie metody montażu blach ze stali krzemowej: przeplatanie i układanie na styk. Metoda przeplatania zamienia otwarte końce arkuszy po przeciwnych stronach. Ta metoda jest bardziej żmudna, ale skutkuje mniejszymi szczelinami powietrznymi i niższą reluktancją magnetyczną, co jest korzystne dla zwiększenia strumienia magnetycznego; dlatego jest szeroko stosowany w transformatorach mocy. Metoda łączenia doczołowego jest powszechnie stosowana w zastosowaniach z prądem stałym (DC). Aby zapobiec nasyceniu spowodowanemu prądem stałym, pomiędzy arkuszami stali krzemowej należy pozostawić szczelinę powietrzną. W tej metodzie arkusze typu E i arkusze I umieszczane są po przeciwnych stronach, a szczelinę powietrzną pomiędzy nimi można regulować za pomocą podkładek papierowych.

3. Typy rdzeni cewki

Dzielą się one na trzy typy:
A. RDZEŃ TOROIDALNY: Wykonany poprzez ułożenie warstw typu O lub nawinięcie arkuszy stali krzemowej. Nawinięcie drutu na tego typu rdzeń jest bardzo trudne.
B. RDZEŃ PRĘTA: Żelazny rdzeń w kształcie pręta.
C. RDZEŃ BĘBNA: Żelazny rdzeń w kształcie bębna.

4. Klasyfikacja materiałów na rdzenie transformatorów

1. Kategoria wysokiej częstotliwości: Rdzenie ferrytowe
Rdzenie ferrytowe są stosowane w transformatorach wysokiej częstotliwości. Są to magnesy ceramiczne o strukturze krystalicznej spinelu, składające się z tlenku żelaza i innych dwuwartościowych związków metali, takich jak kFe₂O₄ (gdzie k oznacza inne metale). Obecnie powszechnie stosowanymi metalami są mangan (Mn), cynk (Zn), nikiel (Ni), magnez (Mg) i miedź (Cu). Typowe kombinacje obejmują serię manganu i cynku (MnZn), serię niklu i cynku (NiZn) oraz serię magnezu i cynku (MgZn). Materiały te charakteryzują się wysoką przepuszczalnością i impedancją, w zakresie częstotliwości roboczej od 1 kHz do ponad 200 kHz.
Zakres częstotliwości rdzenia ferrytowego: 18 kHz do ponad 1 MHz.

2. Kategoria niskich częstotliwości: blachy ze stali krzemowej i stopy amorficzne.
Zakres częstotliwości rdzenia ze stali krzemowej: 5 Hz do 1 kHz.
Transformatory wykorzystujące stal krzemową zazwyczaj pracują przy częstotliwości 50 Hz. Jednak pod względem wydajności nieco wyższa częstotliwość może dać lepsze wyniki, w zależności od wartości Gaussa blachy ze stali krzemowej. Chociaż częstotliwości audio mogą sięgać powyżej 20 kHz, nie jest to praktyczne. Zaleca się pracę przy częstotliwości 50–60 Hz, chociaż mogą one normalnie funkcjonować w zakresie częstotliwości 50–200 Hz.
Zakres częstotliwości rdzenia amorficznego: 2 kHz do 13 kHz.