Funksionet dhe klasifikimi i bërthamave të transformatorëve

1. Funksionet e bërthamave të transformatorëve

Transformatorët praktikë funksionojnë gjithmonë në kushte të rrymës alternative (AC). Humbjet e fuqisë ndodhin jo vetëm në rezistencën e mbështjelljes, por edhe në bërthamë për shkak të magnetizimit AC. Humbja e fuqisë brenda bërthamës zakonisht quhet 'humbje hekuri' (ose humbja e bërthamës), e cila shkaktohet nga dy faktorë kryesorë: 'humbja e histerezës' dhe 'humbja e rrymës vorbull'. Humbja e histerezës është energjia që shpërndahet gjatë procesit të magnetizimit për shkak të fenomenit të histerezës. Madhësia e kësaj humbjeje është në përpjesëtim me zonën e mbyllur nga laku i histerezës së materialit. Për shkak se çeliku i silikonit ka një lak të ngushtë histereze, përdorimi i tij si material bazë redukton ndjeshëm humbjen e histerezës dhe minimizon ndjeshëm gjenerimin e nxehtësisë.

Meqenëse çeliku i silikonit ka këto avantazhe, pse bërthama nuk është bërë nga një bllok i fortë çeliku silikoni, por në vend të kësaj përpunohet në fletë të holla? Kjo është për shkak se një bërthamë e laminuar redukton një lloj tjetër humbjeje hekuri - humbjen e rrymës vorbull. Gjatë funksionimit, rryma alternative në mbështjellje gjeneron një fluks magnetik të alternuar. Ky ndryshim i fluksit magnetik shkakton rryma brenda bërthamës. Këto rryma të induktuara qarkullojnë në plane pingul me drejtimin e fluksit magnetik dhe për këtë arsye quhen rryma vorbull. Humbja e rrymës vorbull gjithashtu shkakton ngrohjen e bërthamës. Për të minimizuar këtë humbje, bërthama e transformatorit është ndërtuar duke grumbulluar fletë çeliku silikoni që janë të izoluara nga njëra-tjetra. Kjo i detyron rrymat vorbull të rrjedhin nëpër sythe të ngushta me një zonë më të vogël të prerjes tërthore, duke rritur kështu rezistencën elektrike të rrugës së rrymës vorbull. Për më tepër, silikoni në çelik rrit rezistencën elektrike të materialit, gjë që ndihmon më tej në reduktimin e rrymave vorbull. Për bërthamat e transformatorëve, përgjithësisht zgjidhen fletë çeliku silikoni të mbështjellë të ftohtë me trashësi 0,35 mm. Ato priten në shirita drejtkëndëshe sipas dimensioneve të kërkuara të bërthamës dhe më pas grumbullohen për të formuar një formë kornizë 'figura-tetë' ose drejtkëndore. Në teori, sa më të holla të jenë fletët e çelikut të silikonit dhe sa më të ngushta të jenë shiritat, aq më i mirë është efekti në reduktimin e rrymave vorbull. Kjo jo vetëm që redukton humbjen e rrymës vorbull dhe ul rritjen e temperaturës, por gjithashtu kursen materialin. Megjithatë, në prodhimin aktual, këta faktorë favorizues nuk janë konsideratat e vetme. Bërja e fletëve shumë të holla dhe të ngushta do të rriste ndjeshëm orët e punës dhe do të zvogëlonte zonën efektive të prerjes tërthore të bërthamës. Prandaj, kur prodhohen bërthama çeliku silikoni, duhet të peshohen të mirat dhe të këqijat bazuar në rrethana specifike për të zgjedhur dimensionet optimale.

Transformatorët prodhohen në bazë të parimit të induksionit elektromagnetik. Dy mbështjellje janë mbështjellë rreth një gjymtyre me bërthamë të mbyllur: mbështjellja kryesore dhe mbështjellja dytësore. Kur një tension AC aplikohet në mbështjelljen parësore, një rrymë alternative rrjedh nëpër të, duke krijuar një forcë magnetomotore (MMF). Nën ndikimin e këtij MMF, një fluks kryesor magnetik i alternuar gjenerohet në bërthamë. Ky fluks kryesor magnetik kalon dhe lidh të dyja mbështjelljet parësore dhe dytësore. Për shkak të induksionit elektromagnetik, forcat elektromotore (EMF) gjenerohen në të dy mbështjelljet. Arsyeja pse mund të rrisë ose të ulë tensionin shpjegohet me Ligjin e Lenz-it: fluksi magnetik i krijuar nga rryma e induktuar gjithmonë kundërshton ndryshimin në fluksin magnetik origjinal. Kur rritet fluksi magnetik origjinal, fluksi magnetik i prodhuar nga rryma e induktuar e kundërshton atë. Me fjalë të tjera, fluksi magnetik i induktuar në mbështjelljen dytësore është i kundërt me fluksin magnetik kryesor të prodhuar nga mbështjellja parësore, duke rezultuar në një tension alternativ të nivelit më të ulët në mbështjelljen dytësore. Kështu, bërthama shërben si qark magnetik i transformatorit, ndërsa mbështjelljet përbëjnë qarkun elektrik të tij.

2. Klasifikimi i konfigurimeve të bërthamës së transformatorit

Bërthamat e tipit guaskë dhe të tipit bërthamë

Pjesa e bërthamës rreth së cilës janë mbështjellë mbështjelljet quhet 'gjymtyrë bërthamore', ndërsa pjesa që nuk ka mbështjellje, por shërben vetëm si një shteg magnetik quhet 'zgjedha' Një bërthamë quhet 'lloj i guaskës' kur bërthama rrethon mbështjelljet dhe 'lloj i bërthamës' kur mbështjellja e bërthamës. Konfigurimet e tipit guaskë dhe të tipit bërthamë kanë secila karakteristikat e tyre të veçanta, por proceset e prodhimit që ato diktojnë janë dukshëm të ndryshme. Pasi të zgjidhet një strukturë specifike, është e vështirë të kalosh në një tjetër. Në Kinë, shumica e bërthamave të transformatorëve përdorin një dizajn të llojit të bërthamës së grumbulluar.

Fletët e çelikut të silikonit përdoren për transformatorë me frekuencë të ulët dhe vijnë në lloje të ndryshme. Në bazë të procesit të prodhimit, ato mund të ndahen në:
A: Pjekje (fletë të zeza)
N: Jo të pjekura (fletë të bardha)

Në bazë të formës së tyre, ato mund të klasifikohen në: tipi EI, tipi UI, tipi C dhe tipi katror (Gojë).

Fletët e çelikut të silikonit të tipit katror përdoren zakonisht në transformatorët me fuqi të lartë. Ato ofrojnë performancë të shkëlqyer izolimi, lehtësi në shpërndarjen e nxehtësisë dhe një rrugë të shkurtër magnetike. Ato përdoren kryesisht për transformatorë me shkallë të fuqisë mbi 500–1000 W dhe transformatorë me fuqi të lartë. Një grup fletësh çeliku silikoni i përbërë nga dy fletë të tipit C quhet bërthamë e tipit CD. Për transformatorët e fuqisë të bërë me fletë të tipit CD, nën të njëjtën zonë të prerjes tërthore, sa më e lartë të jetë dritarja, aq më i madh është kapaciteti i fuqisë së transformatorit. Meqenëse mbështjelljet mund të instalohen veçmas në të dy anët e bërthamës, numri i rrotullimeve të spirales mund të shpërndahet në dy bobina, duke rezultuar në një gjatësi mesatare rrotullimi më të shkurtër për bobin dhe humbje të reduktuar të bakrit. Për më tepër, nëse dy mbështjellje simetrike janë mbështjellë në bobina të veçanta, mund të arrihet simetri perfekte.

Një grup fletësh çeliku silikoni i përbërë nga katër fletë të tipit C quhet bërthamë e tipit ED. Transformatorët e bërë me bërthama të tipit ED kanë një profil të sheshtë dhe të gjerë. Sipas të njëjtit vlerësim të fuqisë, transformatorët e tipit ED janë më të shkurtër dhe më të gjerë se transformatorët e tipit CD. Për shkak se bobinat janë instaluar në qendër të fletëve të çelikut të silikonit me një shteg magnetik të jashtëm, ato shfaqin fluks të ulët rrjedhjeje dhe ndërhyrje minimale në komponentët përreth. Megjithatë, të gjitha mbështjelljet mbështillen në një bobin të vetëm të trashë, duke rezultuar në një gjatësi mesatare më të gjatë rrotullimi dhe humbje më të madhe të bakrit.

Bërthamat e tipit C ofrojnë performancë superiore, duke rezultuar në transformatorë që janë kompakt, të lehtë dhe shumë efikas. Nga këndvështrimi i montimit, bërthamat e tipit C kërkojnë shumë pak pjesë dhe kanë shkathtësi të lartë, duke çuar në efikasitet të lartë prodhimi. Megjithatë, procesi i përpunimit të fletëve të çelikut të silikonit të tipit C është kompleks dhe kërkon pajisje të specializuara, duke e bërë koston e tyre aktuale relativisht të lartë.

Fletët e çelikut të silikonit të tipit E, të njohura gjithashtu si fletë të tipit të guaskës ose të figurës tetë, kanë përparësinë kryesore të ndarjes së një bobine të vetme si për mbështjelljet primare ashtu edhe ato dytësore, duke dhënë një faktor të lartë hapësire të dritares (Space Factor Km: raporti i sipërfaqes neto të seksionit kryq të telit të bakrit me zonën e dritares). Fletët e çelikut të silikonit formojnë një guaskë mbrojtëse rreth mbështjelljeve, duke parandaluar dëmtimin mekanik. Ato gjithashtu ofrojnë një zonë të madhe të shpërndarjes së nxehtësisë dhe minimizojnë shpërndarjen e fushës magnetike. Megjithatë, ato shfaqin induktivitet më të lartë të rrjedhjes midis mbështjelljes primare dhe dytësore dhe ndjeshmëri më të madhe ndaj ndërhyrjeve të jashtme magnetike. Për më tepër, për shkak të perimetrit mesatar më të gjatë të mbështjelljes, transformatorët e tipit E kërkojnë më shumë tela bakri për të njëjtin numër kthesash dhe sipërfaqe tërthore të bërthamës.

Trashësia e zakonshme për fletët e çelikut të silikonit është 0,35 mm dhe 0,5 mm. Ekzistojnë dy mënyra montimi për fletët e çelikut të silikonit: ndërthurja dhe grumbullimi i prapanicës. Metoda e ndërthurjes alternon skajet e hapura të fletëve në anët e kundërta. Kjo metodë është më e lodhshme, por rezulton në boshllëqe më të vogla ajri dhe ngurrim më të ulët magnetik, gjë që është e dobishme për rritjen e fluksit magnetik; prandaj përdoret gjerësisht në transformatorët e fuqisë. Metoda e grumbullimit të prapanicës përdoret zakonisht në aplikacionet me rrymë të drejtpërdrejtë (DC). Për të parandaluar ngopjen e shkaktuar nga rryma DC, duhet të lihet një hendek ajri midis fletëve të çelikut të silikonit. Në këtë metodë, fletët E dhe fletët I vendosen në anët e kundërta, dhe hendeku i ajrit ndërmjet tyre mund të rregullohet duke përdorur shirita letre.

3. Llojet e bërthamave të spirales

Këto ndahen në tre lloje:
A. Bërthama TOROIDAL: Bëhet duke grumbulluar petëzime të tipit O ose duke mbështjellë fletë çeliku silikoni. Mbështjellja e telit në këtë lloj bërthame është shumë e vështirë.
B. Bërthama e shufrës: Një bërthamë hekuri në formë shufre.
C. Bërthama e daulles: Një bërthamë hekuri në formë daulle.

4. Klasifikimi i materialeve bërthamore të transformatorëve

1. Kategoria me frekuencë të lartë: Bërthamat e ferritit
Bërthamat e ferritit përdoren në transformatorët me frekuencë të lartë. Ato janë magnete qeramike me strukturë kristalore spineli, të përbërë nga oksid hekuri dhe komponime të tjera metalike dyvalente, si kFe2O4 (ku k përfaqëson metale të tjera). Metalet e përdorura aktualisht përfshijnë manganin (Mn), zinkun (Zn), nikelin (Ni), magnezin (Mg) dhe bakrin (Cu). Kombinimet e zakonshme përfshijnë seritë Mangan-Zinc (MnZn), seritë Nikel-Zink (NiZn) dhe Magnez-Zinc (MgZn). Këto materiale kanë karakteristika të larta të përshkueshmërisë dhe rezistencës së rezistencës, me një gamë frekuence pune nga 1 kHz deri në mbi 200 kHz.
Gama e frekuencës së bërthamës së ferritit: 18 kHz deri në mbi 1 MHz.

2. Kategoria me frekuencë të ulët: Fletët e çelikut të silikonit dhe lidhjet amorfe
Gama e frekuencës së bërthamës së çelikut të silikonit: 5 Hz deri në 1 kHz.
Transformatorët që përdorin çelik silikoni zakonisht funksionojnë në 50 Hz. Megjithatë, për sa i përket efikasitetit, një frekuencë pak më e lartë mund të japë rezultate më të mira, në varësi të vlerësimit Gauss të fletës së çelikut të silikonit. Ndërsa frekuencat audio mund të arrijnë mbi 20 kHz, kjo nuk është praktike. Rekomandohet të funksionojnë në 50–60 Hz, megjithëse ato mund të funksionojnë normalisht brenda një intervali frekuence prej 50–200 Hz.
Gama e frekuencës së bërthamës amorfe: 2 kHz deri në 13 kHz.