Функции и классификация сердечников трансформаторов

1. Функции сердечников трансформаторов

Практические трансформаторы всегда работают в условиях переменного тока (AC). Потери мощности происходят не только в сопротивлении обмоток, но и в сердечнике из-за намагничивания переменным током. Потери мощности внутри сердечника обычно называют «потерями в железе» (или потерями в сердечнике), которые вызваны двумя основными факторами: «потери на гистерезис» и «потери на вихревые токи». Потери на гистерезис — это энергия, рассеиваемая в процессе намагничивания из-за явления гистерезиса. Величина этих потерь пропорциональна площади, ограниченной петлей гистерезиса материала. Поскольку кремниевая сталь имеет узкую петлю гистерезиса, ее использование в качестве материала сердечника значительно снижает потери на гистерезис и существенно сводит к минимуму выделение тепла.

Поскольку кремниевая сталь обладает этими преимуществами, почему сердечник не изготавливается из цельного блока кремнистой стали, а перерабатывается в тонкие листы? Это связано с тем, что ламинированный сердечник снижает другой тип потерь в железе — потери на вихревые токи. Во время работы переменный ток в обмотках создает переменный магнитный поток. Этот изменяющийся магнитный поток индуцирует токи внутри сердечника. Эти индуцированные токи циркулируют в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, и поэтому называются вихревыми токами. Потеря вихревых токов также приводит к нагреву сердечника. Чтобы минимизировать эти потери, сердечник трансформатора состоит из листов кремнистой стали, изолированных друг от друга. Это заставляет вихревые токи протекать через узкие петли с меньшей площадью поперечного сечения, тем самым увеличивая электрическое сопротивление пути вихревых токов. Кроме того, кремний в стали увеличивает удельное электрическое сопротивление материала, что еще больше помогает уменьшить вихревые токи. Для сердечников трансформаторов обычно выбирают холоднокатаные листы кремнистой стали толщиной 0,35 мм. Их разрезают на прямоугольные полосы в соответствии с необходимыми размерами сердцевины, а затем укладывают друг на друга, образуя форму «восьмерки» или прямоугольной рамы. Теоретически, чем тоньше листы кремнистой стали и чем уже полосы, тем лучше эффект снижения вихревых токов. Это не только уменьшает потери на вихревые токи и снижает повышение температуры, но также экономит материал. Однако в реальном производстве эти благоприятные факторы не являются единственными факторами. Если сделать листы слишком тонкими и узкими, это приведет к значительному увеличению рабочего времени и уменьшению эффективной площади поперечного сечения сердцевины. Поэтому при изготовлении сердечников из кремнистой стали необходимо взвесить все «за» и «против», исходя из конкретных обстоятельств, чтобы выбрать оптимальные размеры.

Трансформаторы изготавливаются по принципу электромагнитной индукции. Вокруг замкнутого конечного сердечника намотаны две обмотки: первичная обмотка и вторичная обмотка. Когда на первичную обмотку подается переменное напряжение, через нее течет переменный ток, создавая магнитодвижущую силу (МДС). Под воздействием этого ММП в сердечнике создается переменный основной магнитный поток. Этот основной магнитный поток проходит через первичную и вторичную обмотки и связывает их. За счет электромагнитной индукции в обеих обмотках возникают электродвижущие силы (ЭДС). Причина, по которой он может повышать или понижать напряжение, объясняется законом Ленца: магнитный поток, создаваемый индуцированным током, всегда противодействует изменению исходного магнитного потока. Когда исходный магнитный поток увеличивается, магнитный поток, создаваемый индуцированным током, противодействует ему. Другими словами, индуцированный магнитный поток во вторичной обмотке противоположен основному магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой, что приводит к более низкому уровню переменного напряжения на вторичной обмотке. Таким образом, сердечник служит магнитной цепью трансформатора, а обмотки составляют его электрическую цепь.

2. Классификация конфигураций сердечников трансформаторов.

Ядра оболочечного и сердечникового типа

Часть сердечника, вокруг которой намотаны обмотки, называется «корпусом сердечника», а часть, которая не имеет обмоток, но служит исключительно магнитным путем, называется «ярмом». Конфигурации типа оболочки и ядра имеют свои отличительные характеристики, но производственные процессы, которые они диктуют, существенно различаются. После того как выбрана определенная структура, перейти на другую сложно. В Китае большинство сердечников трансформаторов имеют многослойную конструкцию.

Листы кремниевой стали используются для низкочастотных трансформаторов и бывают различных типов. В зависимости от производственного процесса их можно разделить на:
A: отожженные (черные листы)
N: неотожженные (белые листы)

В зависимости от формы их можно разделить на типы EI, UI, C и квадратные (ротовые).

Листы кремниевой стали квадратного типа обычно используются в мощных трансформаторах. Они обеспечивают превосходные изоляционные характеристики, легкость рассеивания тепла и короткий магнитный путь. В основном их применяют для трансформаторов мощностью более 500–1000 Вт и трансформаторов большой мощности. Набор листов кремнистой стали, состоящий из двух листов C-типа, называется сердечником CD-типа. Для силовых трансформаторов, изготовленных из листов типа КД, при одинаковой площади сечения, чем выше окно, тем больше мощность трансформатора. Поскольку катушки можно устанавливать отдельно с обеих сторон сердечника, количество витков катушки можно распределить по двум катушкам, что приводит к сокращению средней длины витков на катушку и уменьшению потерь в меди. Более того, если две симметричные катушки намотаны на отдельные бобины, можно достичь идеальной симметрии.

Набор листов кремнистой стали, состоящий из четырех листов типа С, называется сердечником типа ED. Трансформаторы с сердечниками типа ЭД имеют плоский широкий профиль. При той же номинальной мощности трансформаторы типа ED короче и шире, чем трансформаторы типа CD. Поскольку катушки установлены в центре листов кремнистой стали с внешним магнитным путем, они обладают низким потоком рассеяния и минимальными помехами для окружающих компонентов. Однако все катушки намотаны на одну толстую бобину, что приводит к увеличению средней длины витка и увеличению потерь в меди.

Сердечники C-типа обеспечивают превосходные характеристики, в результате чего трансформаторы становятся компактными, легкими и высокоэффективными. С точки зрения сборки сердечники C-типа требуют очень мало деталей и обладают высокой универсальностью, что приводит к высокой эффективности производства. Однако процесс обработки листов кремнистой стали типа С сложен и требует специального оборудования, что делает их текущую стоимость относительно высокой.

Листы кремниевой стали E-типа, также известные как листы кожухового типа или восьмерки, имеют основное преимущество: они используют одну бобину как для первичной, так и для вторичной обмотки, что обеспечивает высокий коэффициент пространства окна (коэффициент пространства Km: отношение чистой площади поперечного сечения медного провода к площади окна). Листы кремниевой стали образуют защитную оболочку вокруг обмоток, предотвращая механические повреждения. Они также обеспечивают большую площадь рассеивания тепла и минимизируют дисперсию магнитного поля. Однако они обладают более высокой индуктивностью рассеяния между первичной и вторичной обмотками и большей восприимчивостью к внешним магнитным помехам. Кроме того, из-за большего среднего периметра обмоток трансформаторам типа Е требуется больше медного провода для того же количества витков и площади поперечного сечения сердечника.

Обычная толщина листов кремнистой стали составляет 0,35 мм и 0,5 мм. Существует два метода сборки листов кремнистой стали: чередование и укладка встык. Метод чередования чередует открытые концы листов на противоположных сторонах. Этот метод более утомителен, но приводит к меньшим воздушным зазорам и снижению магнитного сопротивления, что полезно для увеличения магнитного потока; поэтому он широко используется в силовых трансформаторах. Метод стыковой укладки обычно используется в приложениях с постоянным током (DC). Чтобы предотвратить насыщение, вызванное постоянным током, между листами кремнистой стали необходимо оставить воздушный зазор. В этом методе E-листы и I-листы размещаются на противоположных сторонах, а воздушный зазор между ними можно регулировать с помощью бумажных прокладок.

3. Типы сердечников катушек

Они делятся на три типа:
A. ТОРОИДАЛЬНЫЙ СЕРДЕЧНИК: изготавливается путем укладки пластин О-типа или намотки листов кремнистой стали. Намотать провод на сердечник такого типа очень сложно.
B. СТЕРЖНЕВОЕ СЕРДЕЧНИК: железный стержень в форме стержня.
C. СЕРДЕЧНИК БАРАБАНА: Железный сердечник барабанной формы.

4. Классификация материалов сердечника трансформатора.

1. Категория высоких частот: ферритовые сердечники
Ферритовые сердечники используются в высокочастотных трансформаторах. Это керамические магниты с кристаллической структурой шпинели, состоящие из оксида железа и других соединений двухвалентных металлов, таких как kFe₂O₄ (где k означает другие металлы). В настоящее время обычно используемые металлы включают марганец (Mn), цинк (Zn), никель (Ni), магний (Mg) и медь (Cu). Общие комбинации включают серию марганец-цинк (MnZn), серию никель-цинк (NiZn) и серию магний-цинк (MgZn). Эти материалы обладают высокими характеристиками магнитной проницаемости и импеданса, диапазон рабочих частот от 1 кГц до более 200 кГц.
Диапазон частот ферритового сердечника: от 18 кГц до более 1 МГц.

2. Категория низких частот: листы из кремниевой стали и аморфные сплавы.
Диапазон частот сердечника из кремниевой стали: от 5 Гц до 1 кГц.
Трансформаторы из кремнистой стали обычно работают при частоте 50 Гц. Однако с точки зрения эффективности немного более высокая частота может дать лучшие результаты, в зависимости от рейтинга Гаусса листа кремнистой стали. Хотя звуковые частоты могут достигать более 20 кГц, это непрактично. Рекомендуется работать на частоте 50–60 Гц, хотя они могут нормально работать и в диапазоне частот 50–200 Гц.
Диапазон частот аморфного ядра: от 2 кГц до 13 кГц.