Funcțiile și clasificarea nucleelor ​​transformatoarelor

1. Funcțiile miezurilor transformatoarelor

Transformatoarele practice funcționează întotdeauna în condiții de curent alternativ (AC). Pierderile de putere apar nu numai în rezistența înfășurărilor, ci și în miez datorită magnetizării AC. Pierderea de putere în interiorul miezului este denumită în mod obișnuit „pierderea de fier” (sau pierderea miezului), care este cauzată de doi factori principali: „pierderea de histerezis” și „pierderea de curent turbionar”. Pierderea de histerezis este energia disipată în timpul procesului de magnetizare din cauza fenomenului de histerezis. Mărimea acestei pierderi este proporțională cu suprafața închisă de bucla de histerezis a materialului. Deoarece oțelul siliconic are o buclă de histerezis îngustă, utilizarea acestuia ca material de bază reduce semnificativ pierderile de histerezis și minimizează substanțial generarea de căldură.

Deoarece oțelul siliconic are aceste avantaje, de ce miezul nu este făcut dintr-un bloc solid de oțel siliconic, ci în schimb procesat în foi subțiri? Acest lucru se datorează faptului că un miez laminat reduce un alt tip de pierdere de fier - pierderea curenților turbionari. În timpul funcționării, curentul alternativ din înfășurări generează un flux magnetic alternativ. Acest flux magnetic în schimbare induce curenți în interiorul miezului. Acești curenți induși circulă în planuri perpendiculare pe direcția fluxului magnetic și de aceea se numesc curenți turbionari. Pierderea curenților turbionari determină, de asemenea, încălzirea miezului. Pentru a minimiza această pierdere, miezul transformatorului este construit prin stivuirea foilor de oțel siliconic care sunt izolate una de cealaltă. Acest lucru forțează curenții turbionari să curgă prin bucle înguste cu o zonă de secțiune transversală mai mică, crescând astfel rezistența electrică a căii curenților turbionari. În plus, siliciul din oțel crește rezistivitatea electrică a materialului, ceea ce ajută în continuare la reducerea curenților turbionari. Pentru miezurile transformatoarelor, se selectează în general foi de oțel siliconic laminate la rece cu grosimea de 0,35 mm. Acestea sunt tăiate în fâșii dreptunghiulare în funcție de dimensiunile necesare ale miezului și apoi stivuite pentru a forma o „cifră în opt” sau o formă dreptunghiulară de cadru. În teorie, cu cât foile de oțel siliconic sunt mai subțiri și benzile sunt mai înguste, cu atât efectul de reducere a curenților turbionari este mai bun. Acest lucru nu numai că reduce pierderea curenților turbionari și scade creșterea temperaturii, dar și economisește material. Cu toate acestea, în producția efectivă, acești factori favorabili nu sunt singurele considerații. Făcând foile prea subțiri și înguste, ar crește semnificativ orele de muncă și ar reduce suprafața efectivă a secțiunii transversale a miezului. Prin urmare, atunci când fabricați miezuri din oțel siliconic, trebuie să cântăriți argumentele pro și contra în funcție de circumstanțe specifice pentru a selecta dimensiunile optime.

Transformatoarele sunt fabricate pe baza principiului inducției electromagnetice. Două înfășurări sunt înfășurate în jurul unui miez închis: înfășurarea primară și înfășurarea secundară. Atunci când înfășurării primare este aplicată o tensiune alternativă, un curent alternativ curge prin ea, creând o forță magnetomotoare (MMF). Sub influența acestui MMF, în miez este generat un flux magnetic principal alternativ. Acest flux magnetic principal trece și leagă atât înfășurările primare, cât și cele secundare. Datorită inducției electromagnetice, forțele electromotoare (EMF) sunt generate în ambele înfășurări. Motivul pentru care poate crește sau reduce tensiunea este explicat de Legea lui Lenz: fluxul magnetic generat de curentul indus se opune întotdeauna modificării fluxului magnetic inițial. Când fluxul magnetic inițial crește, fluxul magnetic produs de curentul indus i se opune. Cu alte cuvinte, fluxul magnetic indus în înfășurarea secundară este opus fluxului magnetic principal produs de înfășurarea primară, rezultând o tensiune alternativă de nivel inferior pe înfășurarea secundară. Astfel, miezul servește ca circuit magnetic al transformatorului, în timp ce înfășurările constituie circuitul său electric.

2. Clasificarea configurațiilor miezului transformatorului

Miezuri de tip Shell și Core-Type

Partea miezului în jurul căreia sunt înfășurate înfășurările se numește „limb de miez”, în timp ce partea care nu are înfășurări, dar servește doar ca cale magnetică se numește „jug”. Un miez este denumit „tip coajă” atunci când miezul înconjoară înfășurările și „tip miez” atunci când înfășurarile înconjoară miezul. Configurațiile tip carcasă și tip nucleu au fiecare caracteristicile lor distincte, dar procesele de fabricație pe care le dictează sunt semnificativ diferite. Odată ce o anumită structură este selectată, este dificil să treceți la alta. În China, majoritatea miezurilor transformatoarelor utilizează un design de tip nucleu stivuit.

Foile de oțel siliconic sunt folosite pentru transformatoarele de joasă frecvență și sunt de diferite tipuri. Pe baza procesului de fabricație, acestea pot fi împărțite în:
A: Recoacete (foi negre)
N: Necoacete (foi albe)

Pe baza formei lor, ele pot fi clasificate în: tip EI, tip UI, tip C și tip pătrat (gura).

Foile de oțel cu siliciu de tip pătrat sunt utilizate în mod obișnuit la transformatoarele de mare putere. Ele oferă performanțe excelente de izolare, ușurință în disiparea căldurii și o cale magnetică scurtă. Ele sunt utilizate în principal pentru transformatoare cu puteri de peste 500–1000 W și transformatoare de mare putere. Un set de foi de oțel siliconat compus din două foi de tip C se numește miez de tip CD. Pentru transformatoarele de putere realizate cu foi de tip CD, sub aceeasi zona de sectiune transversala, cu cat fereastra este mai mare, cu atat capacitatea de putere a transformatorului este mai mare. Deoarece bobinele pot fi instalate separat pe ambele părți ale miezului, numărul de spire a bobinei poate fi distribuit pe două bobine, rezultând o lungime medie de spire mai scurtă per bobină și o pierdere redusă de cupru. În plus, dacă două bobine simetrice sunt înfășurate pe bobine separate, se poate obține o simetrie perfectă.

Un set de foi de oțel siliconat compus din patru foi de tip C se numește miez de tip ED. Transformatoarele realizate cu miezuri de tip ED au un profil plat, larg. La aceeași putere nominală, transformatoarele de tip ED sunt mai scurte și mai late decât transformatoarele de tip CD. Deoarece bobinele sunt instalate în centrul foilor de oțel siliconat cu o cale magnetică externă, ele prezintă un flux de scurgere scăzut și interferență minimă cu componentele din jur. Cu toate acestea, toate bobinele sunt înfășurate pe o singură bobină groasă, rezultând o lungime medie mai mare a spirei și pierderi mai mari de cupru.

Miezurile de tip C oferă performanțe superioare, rezultând transformatoare care sunt compacte, ușoare și foarte eficiente. Din perspectiva asamblarii, miezurile de tip C necesită foarte puține piese și au o versatilitate ridicată, ceea ce duce la o eficiență ridicată a producției. Cu toate acestea, procesul de prelucrare a tablelor de oțel silicon de tip C este complex și necesită echipamente specializate, ceea ce face ca costul lor actual să fie relativ ridicat.

Foile de oțel siliciu de tip E, cunoscute și sub denumirea de foi de tip shell sau în formă de opt, au avantajul principal de a partaja o singură bobină atât pentru înfășurarea primară, cât și pentru cea secundară, producând un factor de spațiu al ferestrei mare (factor de spațiu Km: raportul dintre suprafața netă a secțiunii transversale a firului de cupru și zona ferestrei). Foile de oțel siliconic formează o carcasă de protecție în jurul înfășurărilor, prevenind deteriorarea mecanică. De asemenea, oferă o zonă mare de disipare a căldurii și minimizează dispersia câmpului magnetic. Cu toate acestea, ele prezintă o inductanță de scurgere mai mare între înfășurările primare și secundare și o susceptibilitate mai mare la interferențe magnetice externe. În plus, datorită perimetrului mediu mai lung al înfășurărilor, transformatoarele de tip E necesită mai multă sârmă de cupru pentru același număr de spire și zonă de secțiune transversală a miezului.

Grosimile obișnuite pentru foile de oțel siliconic sunt 0,35 mm și 0,5 mm. Există două metode de asamblare pentru foile de oțel siliconic: intercalare și stivuire cap la cap. Metoda de intercalare alternează capetele deschise ale foilor pe părți opuse. Această metodă este mai obositoare, dar are ca rezultat goluri de aer mai mici și o reluctanță magnetică mai mică, ceea ce este benefic pentru creșterea fluxului magnetic; prin urmare, este utilizat pe scară largă în transformatoarele de putere. Metoda de stivuire cap la cap este utilizată în mod obișnuit în aplicații cu curent continuu (DC). Pentru a preveni saturația cauzată de curentul continuu, trebuie lăsat un spațiu de aer între foile de oțel siliconic. În această metodă, foile E și foile I sunt așezate pe părți opuse, iar spațiul de aer dintre ele poate fi ajustat folosind suporturi de hârtie.

3. Tipuri de miez de bobină

Acestea sunt împărțite în trei tipuri:
A. MIIZ TOROIDAL: Realizat prin stivuirea laminațiilor de tip O sau prin înfășurarea tablelor de oțel siliconic. Înfășurarea firului pe acest tip de miez este foarte dificilă.
B. MIEZ DE TIJĂ: Un miez de fier în formă de tijă.
C. MIEZUL TUBULUI: Un miez de fier în formă de tobă.

4. Clasificarea materialelor miezului transformatorului

1. Categoria de înaltă frecvență: Miezuri de ferită
Miezurile de ferită sunt utilizate în transformatoarele de înaltă frecvență. Sunt magneți ceramici cu o structură cristalină spinel, alcătuită din oxid de fier și alți compuși metalici divalenți, precum kFe₂O₄ (unde k reprezintă alte metale). Metalele utilizate în mod curent includ mangan (Mn), zinc (Zn), nichel (Ni), magneziu (Mg) și cupru (Cu). Combinațiile comune includ seria Mangan-Zinc (MnZn), seria Nichel-Zinc (NiZn) și seria Magneziu-Zinc (MgZn). Aceste materiale posedă caracteristici de permeabilitate și impedanță ridicate, cu un interval de frecvență de operare de la 1 kHz la peste 200 kHz.
Interval de frecvență miez de ferită: 18 kHz până la peste 1 MHz.

2. Categoria de frecvență joasă: table de oțel siliconic și aliaje amorfe
Gama de frecvență a miezului de oțel siliconic: 5 Hz până la 1 kHz.
Transformatoarele care utilizează oțel siliconic funcționează de obicei la 50 Hz. Cu toate acestea, în ceea ce privește eficiența, o frecvență puțin mai mare poate da rezultate mai bune, în funcție de ratingul Gauss al tablei de oțel siliconic. În timp ce frecvențele audio pot atinge peste 20 kHz, acest lucru nu este practic. Se recomandă să funcționeze la 50–60 Hz, deși pot funcționa normal într-un interval de frecvență de 50–200 Hz.
Gama de frecvență a miezului amorf: 2 kHz până la 13 kHz.