Funkcie a klasifikácia jadier transformátorov

1. Funkcie jadier transformátorov

Praktické transformátory vždy pracujú v podmienkach striedavého prúdu (AC). Straty výkonu sa vyskytujú nielen v odpore vinutí, ale aj v jadre v dôsledku magnetizácie striedavého prúdu. Strata výkonu v jadre sa bežne označuje ako 'strata železa' (alebo strata jadra), ktorá je spôsobená dvoma hlavnými faktormi: 'strata hysterézou' a 'strata vírivým prúdom'.' Strata hysterézy je energia rozptýlená počas procesu magnetizácie v dôsledku javu hysterézie. Veľkosť tejto straty je úmerná ploche uzavretej hysteréznou slučkou materiálu. Pretože kremíková oceľ má úzku hysteréznu slučku, jej použitie ako materiálu jadra výrazne znižuje hysteréznu stratu a podstatne minimalizuje tvorbu tepla.

Keďže kremíková oceľ má tieto výhody, prečo nie je jadro vyrobené z pevného bloku kremíkovej ocele, ale spracované do tenkých plechov? Je to preto, že laminované jadro znižuje ďalší typ straty železa - straty vírivým prúdom. Počas prevádzky striedavý prúd vo vinutí vytvára striedavý magnetický tok. Tento meniaci sa magnetický tok indukuje prúdy v jadre. Tieto indukované prúdy cirkulujú v rovinách kolmých na smer magnetického toku a preto sa nazývajú vírivé prúdy. Strata vírivých prúdov tiež spôsobuje zahrievanie jadra. Aby sa minimalizovala táto strata, jadro transformátora je konštruované naskladaním plechov z kremíkovej ocele, ktoré sú navzájom izolované. To núti vírivé prúdy prúdiť cez úzke slučky s menším prierezom, čím sa zvyšuje elektrický odpor dráhy vírivých prúdov. Okrem toho kremík v oceli zvyšuje elektrický odpor materiálu, čo ďalej pomáha znižovať vírivé prúdy. Pre jadrá transformátorov sa vo všeobecnosti vyberajú plechy z kremíkovej ocele valcované za studena s hrúbkou 0,35 mm. Sú narezané na pravouhlé pásy podľa požadovaných rozmerov jadra a potom naskladané do tvaru 'osmičky' alebo obdĺžnikového rámu. Teoreticky, čím tenšie sú plechy z kremíkovej ocele a čím užšie sú pásy, tým lepší je účinok pri znižovaní vírivých prúdov. To nielen znižuje straty vírivými prúdmi a znižuje nárast teploty, ale tiež šetrí materiál. V skutočnej výrobe však tieto priaznivé faktory nie sú jediným hľadiskom. Príliš tenké a úzke listy by výrazne zvýšili pracovné hodiny a znížili efektívnu plochu prierezu jadra. Preto pri výrobe jadier z kremíkovej ocele je potrebné zvážiť klady a zápory na základe konkrétnych okolností, aby sa vybrali optimálne rozmery.

Transformátory sú vyrábané na princípe elektromagnetickej indukcie. Dve vinutia sú navinuté okolo ramena uzavretého jadra: primárne vinutie a sekundárne vinutie. Keď je na primárne vinutie privedené striedavé napätie, preteká ním striedavý prúd, ktorý vytvára magnetomotorickú silu (MMF). Pod vplyvom tohto MMF sa v jadre vytvára striedavý hlavný magnetický tok. Tento hlavný magnetický tok prechádza a spája primárne aj sekundárne vinutie. V dôsledku elektromagnetickej indukcie vznikajú v oboch vinutiach elektromotorické sily (EMF). Dôvod, prečo môže zvýšiť alebo znížiť napätie, vysvetľuje Lenzov zákon: magnetický tok generovaný indukovaným prúdom je vždy proti zmene pôvodného magnetického toku. Keď sa pôvodný magnetický tok zvýši, magnetický tok produkovaný indukovaným prúdom mu odporuje. Inými slovami, indukovaný magnetický tok v sekundárnom vinutí je opačný ako hlavný magnetický tok produkovaný primárnym vinutím, čo má za následok nižšie striedavé napätie na sekundárnom vinutí. Jadro teda slúži ako magnetický obvod transformátora, zatiaľ čo vinutia tvoria jeho elektrický obvod.

2. Klasifikácia konfigurácií jadra transformátora

Jadrá typu Shell a Core

Časť jadra, okolo ktorej sú navinuté vinutia, sa nazýva 'jadro' a časť, ktorá nemá vinutia, ale slúži výlučne ako magnetická dráha, sa nazýva 'jarmo'. Jadro sa označuje ako 'škrupinové', keď jadro obklopuje vinutie, a 'typ jadra', keď vinutia obklopujú jadro jadra. Konfigurácie typu škrupiny a typu jadra majú každá svoje odlišné vlastnosti, ale výrobné procesy, ktoré určujú, sú výrazne odlišné. Po výbere konkrétnej štruktúry je ťažké prejsť na inú. V Číne väčšina jadier transformátorov využíva dizajn typu stohovaného jadra.

Plechy z kremíkovej ocele sa používajú pre nízkofrekvenčné transformátory a dodávajú sa v rôznych typoch. Podľa výrobného procesu ich možno rozdeliť na:
A: žíhané (čierne plechy)
N: nežíhané (biele plechy)

Na základe ich tvaru ich možno rozdeliť na: typ EI, typ UI, typ C a štvorcový (ústny) typ.

Plechy z kremíkovej ocele štvorcového typu sa bežne používajú vo vysokovýkonných transformátoroch. Ponúkajú vynikajúci izolačný výkon, ľahký odvod tepla a krátku magnetickú dráhu. Používajú sa predovšetkým pre transformátory s menovitým výkonom nad 500–1000 W a vysokovýkonné transformátory. Sada plechov z kremíkovej ocele zložená z dvoch plechov typu C sa nazýva jadro typu CD. V prípade výkonových transformátorov vyrobených z dosiek typu CD, pod rovnakou plochou prierezu, čím vyššie je okno, tým väčšia je výkonová kapacita transformátora. Pretože cievky môžu byť inštalované oddelene na oboch stranách jadra, počet závitov cievky môže byť rozdelený medzi dve cievky, čo vedie ku kratšej priemernej dĺžke závitu na cievku a zníženiu straty medi. Okrem toho, ak sú dve symetrické cievky navinuté na samostatných cievkach, je možné dosiahnuť dokonalú symetriu.

Sada plechov z kremíkovej ocele zložená zo štyroch plechov typu C sa nazýva jadro typu ED. Transformátory vyrobené s jadrami typu ED majú plochý, široký profil. Pri rovnakom výkone sú transformátory typu ED kratšie a širšie ako transformátory typu CD. Pretože cievky sú inštalované v strede plechov z kremíkovej ocele s vonkajšou magnetickou dráhou, vykazujú nízky únikový tok a minimálne rušenie okolitých komponentov. Všetky cievky sú však navinuté na jedinú hrubú cievku, čo vedie k dlhšej priemernej dĺžke závitu a vyšším stratám medi.

Jadrá typu C ponúkajú vynikajúci výkon, výsledkom čoho sú transformátory, ktoré sú kompaktné, ľahké a vysoko účinné. Z hľadiska montáže si jadrá typu C vyžadujú veľmi málo dielov a majú vysokú všestrannosť, čo vedie k vysokej efektivite výroby. Proces obrábania plechov z kremíkovej ocele typu C je však zložitý a vyžaduje si špecializované vybavenie, vďaka čomu sú ich súčasné náklady relatívne vysoké.

Plechy z kremíkovej ocele typu E, tiež známe ako škrupinové alebo osmičkové plechy, majú primárnu výhodu v tom, že zdieľajú jedinú cievku pre primárne aj sekundárne vinutie, čím sa dosahuje vysoký priestorový faktor okna (Space Factor Km: pomer čistej plochy prierezu medeného drôtu k ploche okna). Plechy z kremíkovej ocele tvoria okolo vinutia ochranný obal, ktorý zabraňuje mechanickému poškodeniu. Poskytujú tiež veľkú plochu rozptylu tepla a minimalizujú rozptyl magnetického poľa. Vykazujú však vyššiu zvodovú indukčnosť medzi primárnym a sekundárnym vinutím a väčšiu náchylnosť na vonkajšie magnetické rušenie. Okrem toho, kvôli dlhšiemu priemernému obvodu vinutia, transformátory typu E vyžadujú viac medeného drôtu pre rovnaký počet závitov a plochu prierezu jadra.

Bežné hrúbky plechov z kremíkovej ocele sú 0,35 mm a 0,5 mm. Existujú dva spôsoby montáže plechov z kremíkovej ocele: prekladanie a stohovanie na tupo. Metóda prekladania strieda otvorené konce listov na opačných stranách. Táto metóda je namáhavejšia, ale vedie k menším vzduchovým medzerám a nižšej magnetickej reluktancii, čo je prospešné pre zvýšenie magnetického toku; preto je široko používaný vo výkonových transformátoroch. Metóda stohovania na tupo sa bežne používa v aplikáciách s jednosmerným prúdom (DC). Aby sa zabránilo nasýteniu spôsobenému jednosmerným prúdom, medzi plechmi z kremíkovej ocele musí byť ponechaná vzduchová medzera. Pri tejto metóde sú E-hárky a I-hárky umiestnené na opačných stranách a vzduchová medzera medzi nimi môže byť nastavená pomocou papierových podložiek.

3. Typy jadra cievky

Delia sa na tri typy:
A. TOROIDÁLNE JADROVÉ: Vyrobené skladaním laminácií typu O alebo navíjaním plechov zo silikónovej ocele. Navíjanie drôtu na tento typ jadra je veľmi ťažké.
B. JADRO TYČE: Železné jadro v tvare tyče.
C. JADRO BUBNA: Železné jadro v tvare bubna.

4. Klasifikácia materiálov jadra transformátora

1. Vysokofrekvenčná kategória: Feritové jadrá
Feritové jadrá sa používajú vo vysokofrekvenčných transformátoroch. Sú to keramické magnety so spinelovou kryštalickou štruktúrou, zložené z oxidu železa a iných dvojmocných kovových zlúčenín, ako je kFe₂O4 (kde k predstavuje iné kovy). V súčasnosti bežne používané kovy zahŕňajú mangán (Mn), zinok (Zn), nikel (Ni), horčík (Mg) a meď (Cu). Medzi bežné kombinácie patrí séria mangán-zinok (MnZn), séria nikel-zinok (NiZn) a séria horčík-zinok (MgZn). Tieto materiály majú vysokú priepustnosť a impedančné charakteristiky s rozsahom prevádzkovej frekvencie od 1 kHz do viac ako 200 kHz.
Frekvenčný rozsah feritového jadra: 18 kHz až viac ako 1 MHz.

2. Nízkofrekvenčná kategória: Plechy z kremíkovej ocele a amorfné zliatiny
Frekvenčný rozsah jadra z kremíkovej ocele: 5 Hz až 1 kHz.
Transformátory využívajúce kremíkovú oceľ zvyčajne pracujú pri 50 Hz. Avšak z hľadiska účinnosti môže mierne vyššia frekvencia priniesť lepšie výsledky v závislosti od Gaussovho hodnotenia kremíkového oceľového plechu. Aj keď zvukové frekvencie môžu dosiahnuť viac ako 20 kHz, nie je to praktické. Odporúča sa pracovať pri frekvencii 50 – 60 Hz, hoci môžu normálne fungovať vo frekvenčnom rozsahu 50 – 200 Hz.
Frekvenčný rozsah amorfného jadra: 2 kHz až 13 kHz.