Funkcije in klasifikacija transformatorskih jeder

1. Funkcije transformatorskih jeder

Praktični transformatorji vedno delujejo v pogojih izmeničnega toka (AC). Izgube moči se ne pojavljajo samo v uporu navitij, ampak tudi v jedru zaradi AC magnetizacije. Izguba moči v jedru se običajno imenuje 'izguba železa' (ali izguba jedra), ki jo povzročata dva glavna dejavnika: 'izguba zaradi histereze' in 'izguba zaradi vrtinčnega toka'. Izguba zaradi histereze je energija, razpršena med postopkom magnetizacije zaradi pojava histereze. Velikost te izgube je sorazmerna s površino, ki jo obdaja histerezna zanka materiala. Ker ima silicijevo jeklo ozko histerezno zanko, njegova uporaba kot jedrnega materiala bistveno zmanjša histerezno izgubo in znatno zmanjša nastajanje toplote.

Ker ima silicijevo jeklo te prednosti, zakaj ni jedro izdelano iz trdnega bloka silicijevega jekla, temveč je predelano v tanke plošče? To je zato, ker laminirano jedro zmanjša drugo vrsto izgube železa – izgubo zaradi vrtinčnih tokov. Med delovanjem izmenični tok v navitjih ustvarja izmenični magnetni tok. Ta spreminjajoči se magnetni tok inducira tokove v jedru. Ti inducirani tokovi krožijo v ravninah, ki so pravokotne na smer magnetnega pretoka in se zato imenujejo vrtinčni tokovi. Izguba vrtinčnega toka povzroči tudi segrevanje jedra. Da bi zmanjšali to izgubo, je jedro transformatorja zgrajeno z zlaganjem silicijevih jeklenih plošč, ki so izolirane druga od druge. To prisili vrtinčne tokove, da tečejo skozi ozke zanke z manjšim prečnim prerezom, s čimer se poveča električni upor poti vrtinčnih tokov. Poleg tega silicij v jeklu poveča električno upornost materiala, kar dodatno pomaga zmanjšati vrtinčne tokove. Za jedra transformatorjev so običajno izbrane hladno valjane pločevine iz silicijevega jekla debeline 0,35 mm. Razrežemo jih na pravokotne trakove v skladu z zahtevanimi dimenzijami jedra in nato zložimo v obliko 'osmice' ali pravokotnega okvirja. Teoretično velja, da čim tanjše so pločevine iz silicijevega jekla in čim ožji so trakovi, tem boljši je učinek zmanjšanja vrtinčnih tokov. To ne le zmanjša izgube zaradi vrtinčnih tokov in zniža dvig temperature, ampak tudi prihrani material. Vendar pri dejanski proizvodnji ti ugodni dejavniki niso edini premisleki. Če bi plošče naredili pretanke in preozke, bi znatno povečali delovne ure in zmanjšali efektivno površino prečnega prereza jedra. Zato je treba pri izdelavi jeder iz silicijevega jekla pretehtati prednosti in slabosti na podlagi posebnih okoliščin, da bi izbrali optimalne dimenzije.

Transformatorji so izdelani na principu elektromagnetne indukcije. Dva navitja sta navita okoli kraka zaprtega jedra: primarno navitje in sekundarno navitje. Ko je na primarno navitje priključena izmenična napetost, skozenj teče izmenični tok, ki vzpostavi magnetomotorno silo (MMS). Pod vplivom tega MMF se v jedru ustvari izmenični glavni magnetni tok. Ta glavni magnetni tok prehaja skozi primarna in sekundarna navitja in jih povezuje. Zaradi elektromagnetne indukcije nastajajo elektromotorne sile (EMS) v obeh navitjih. Razlog, zakaj lahko zviša ali zniža napetost, je pojasnjen z Lenzovim zakonom: magnetni tok, ki ga ustvari inducirani tok, vedno nasprotuje spremembi prvotnega magnetnega toka. Ko se prvotni magnetni tok poveča, mu nasprotuje magnetni tok, ki ga ustvari inducirani tok. Z drugimi besedami, inducirani magnetni tok v sekundarnem navitju je nasproten glavnemu magnetnemu toku, ki ga proizvaja primarno navitje, kar ima za posledico nižjo izmenično napetost na sekundarnem navitju. Tako jedro služi kot magnetni tokokrog transformatorja, medtem ko navitja sestavljajo njegov električni tokokrog.

2. Razvrstitev konfiguracij transformatorskih jeder

Shell-Type in Core-Type Jedra

Del jedra, okoli katerega so navita navitja, se imenuje 'jedro', medtem ko se del, ki nima navitij, ampak služi izključno kot magnetna pot, imenuje 'jarem'. Jedro se imenuje 'lupinasto', ko jedro obdaja navitja, in 'jedro', ko navitja obdaja jedro. Konfiguracije lupine in jedra imajo vsaka svoje posebne značilnosti, vendar se proizvodni procesi, ki jih narekujejo, bistveno razlikujejo. Ko je izbrana določena struktura, je težko preklopiti na drugo. Na Kitajskem večina jeder transformatorjev uporablja zasnovo z zloženimi jedri.

Pločevine iz silicijevega jekla se uporabljajo za nizkofrekvenčne transformatorje in so na voljo v različnih vrstah. Glede na postopek izdelave jih lahko razdelimo na:
A: žarjene (črne plošče)
N: nežarjene (bele plošče)

Glede na obliko jih lahko razvrstimo v: EI-tip, UI-tip, C-tip in Square (Mouth) tip.

Kvadratne pločevine iz silicijevega jekla se običajno uporabljajo v transformatorjih visoke moči. Ponujajo odlično izolacijo, enostavno odvajanje toplote in kratko magnetno pot. Uporabljajo se predvsem za transformatorje z nazivno močjo nad 500–1000 W in transformatorje velike moči. Niz plošč iz silicijevega jekla, sestavljen iz dveh plošč tipa C, se imenuje jedro tipa CD. Pri močnostnih transformatorjih, izdelanih s ploščami tipa CD, pod isto površino prečnega prereza, višje kot je okno, večja je zmogljivost transformatorja. Ker je tuljave mogoče namestiti ločeno na obeh straneh jedra, je mogoče število ovojev tuljave porazdeliti po dveh bobinah, kar ima za posledico krajšo povprečno dolžino tuljave na tuljavo in zmanjšano izgubo bakra. Nadalje, če sta dve simetrični tuljavi naviti na ločene bobine, je mogoče doseči popolno simetrijo.

Niz plošč iz silicijevega jekla, sestavljen iz štirih plošč tipa C, se imenuje jedro tipa ED. Transformatorji z jedri tipa ED imajo raven širok profil. Pri enaki nazivni moči so transformatorji tipa ED krajši in širši od transformatorjev tipa CD. Ker so tuljave nameščene v središču silicijevih jeklenih plošč z zunanjo magnetno potjo, kažejo nizek tok uhajanja in minimalne motnje okoliških komponent. Vendar so vse tuljave navite na en sam debel bobin, kar ima za posledico daljšo povprečno dolžino zavoja in večjo izgubo bakra.

Jedra tipa C ponujajo vrhunsko zmogljivost, rezultat pa so transformatorji, ki so kompaktni, lahki in zelo učinkoviti. Z vidika montaže jedra tipa C zahtevajo zelo malo delov in imajo visoko vsestranskost, kar vodi do visoke proizvodne učinkovitosti. Vendar pa je postopek strojne obdelave pločevine iz silicijevega jekla tipa C zapleten in zahteva posebno opremo, zaradi česar so njihovi trenutni stroški razmeroma visoki.

Silikonske jeklene plošče tipa E, znane tudi kot lupinaste plošče ali plošče v obliki osmice, imajo primarno prednost, da si delijo en bobin za primarno in sekundarno navitje, kar daje visok faktor prostora okna (faktor prostora Km: razmerje med površino neto prečnega prereza bakrene žice in površino okna). Pločevine iz silikonskega jekla tvorijo zaščitno lupino okoli navitij, ki preprečuje mehanske poškodbe. Zagotavljajo tudi veliko območje odvajanja toplote in zmanjšujejo disperzijo magnetnega polja. Vendar pa imajo večjo induktivnost uhajanja med primarnim in sekundarnim navitjem ter večjo dovzetnost za zunanje magnetne motnje. Poleg tega transformatorji tipa E zaradi daljšega povprečnega oboda navitij potrebujejo več bakrene žice za enako število ovojev in površino prečnega prereza jedra.

Običajne debeline pločevine iz silikonskega jekla so 0,35 mm in 0,5 mm. Obstajata dve metodi montaže za pločevino iz silicijskega jekla: prepletanje in čelno zlaganje. Metoda prepletanja izmenjuje odprte konce listov na nasprotnih straneh. Ta metoda je bolj dolgočasna, vendar ima za posledico manjše zračne reže in manjšo magnetno upornost, kar je koristno za povečanje magnetnega pretoka; zato se pogosto uporablja v močnostnih transformatorjih. Metoda čelnega zlaganja se običajno uporablja v aplikacijah z enosmernim tokom (DC). Da bi preprečili nasičenost, ki jo povzroči enosmerni tok, je treba med pločevinami iz silicijevega jekla pustiti zračno režo. Pri tej metodi so E-listi in I-listi nameščeni na nasprotnih straneh, zračno režo med njimi pa je mogoče prilagoditi s papirnimi podložkami.

3. Vrste jeder tuljav

Razdeljeni so v tri vrste:
A. TOROIDNO JEDRO: Izdelano z zlaganjem laminatov tipa O ali z navijanjem pločevine iz silicijevega jekla. Navijanje žice na to vrsto jedra je zelo težko.
B. JEDRO PALICE: železno jedro v obliki palice.
C. JEDRO BOBNA: Železno jedro v obliki bobna.

4. Razvrstitev materialov jedra transformatorja

1. Visokofrekvenčna kategorija: feritna jedra
Feritna jedra se uporabljajo v visokofrekvenčnih transformatorjih. So keramični magneti s spinelno kristalno strukturo, sestavljeni iz železovega oksida in drugih dvovalentnih kovinskih spojin, kot je kFe₂O₄ (kjer k predstavlja druge kovine). Trenutno pogosto uporabljene kovine vključujejo mangan (Mn), cink (Zn), nikelj (Ni), magnezij (Mg) in baker (Cu). Običajne kombinacije vključujejo serijo mangan-cink (MnZn), serijo nikelj-cink (NiZn) in serijo magnezij-cink (MgZn). Ti materiali imajo visoko prepustnost in impedančne značilnosti, z delovnim frekvenčnim razponom od 1 kHz do več kot 200 kHz.
Frekvenčno območje feritnega jedra: 18 kHz do več kot 1 MHz.

2. Nizkofrekvenčna kategorija: Silicijeva jeklena pločevina in amorfne zlitine
Frekvenčno območje jedra iz silicijevega jekla: 5 Hz do 1 kHz.
Transformatorji, ki uporabljajo silicijevo jeklo, običajno delujejo pri 50 Hz. Vendar pa lahko z vidika učinkovitosti nekoliko višja frekvenca prinese boljše rezultate, odvisno od Gaussove ocene pločevine iz silicijevega jekla. Čeprav lahko zvočne frekvence dosežejo nad 20 kHz, to ni praktično. Priporočljivo je, da delujejo pri 50–60 Hz, čeprav lahko normalno delujejo v frekvenčnem območju 50–200 Hz.
Frekvenčno območje amorfnega jedra: 2 kHz do 13 kHz.