Функције и класификација језгара трансформатора

1. Функције језгара трансформатора

Практични трансформатори увек раде у условима наизменичне струје (АЦ). Губици снаге се јављају не само у отпору намотаја већ и у језгру због магнетизације наизменичном струјом. Губитак снаге унутар језгра се обично назива „губитак гвожђа“ (или губитак језгра), што је узроковано два главна фактора: „губитак хистерезе“ и „губитак вртложне струје“. Величина овог губитка је пропорционална површини која је затворена петљом хистерезе материјала. Пошто силицијумски челик има уску хистерезисну петљу, коришћењем њега као материјала језгра значајно се смањује губитак хистерезе и значајно се минимизира стварање топлоте.

Пошто силицијум челик има ове предности, зашто језгро није направљено од чврстог блока силицијум челика, већ се уместо тога обрађује у танке лимове? То је зато што ламинирано језгро смањује другу врсту губитка гвожђа - губитак на вртложне струје. Током рада, наизменична струја у намотајима генерише наизменични магнетни флукс. Овај променљиви магнетни флукс индукује струје унутар језгра. Ове индуковане струје круже у равнима окомитим на смер магнетног флукса и стога се називају вртложним струјама. Губитак вртложне струје такође узрокује загревање језгра. Да би се минимизирао овај губитак, језгро трансформатора је конструисано слагањем силиконских челичних лимова који су изоловани један од другог. Ово присиљава вртложне струје да теку кроз уске петље са мањом површином попречног пресека, чиме се повећава електрични отпор путање вртложне струје. Поред тога, силицијум у челику повећава електричну отпорност материјала, што додатно помаже у смањењу вртложних струја. За језгра трансформатора углавном се бирају хладно ваљани силиконски челични лимови дебљине 0,35 мм. Режу се на правоугаоне траке према потребним димензијама језгра, а затим се слажу да би се формирао облик „осмица“ или правоугаони оквир. У теорији, што су тањи челични лимови од силикона и што су траке уже, то је бољи ефекат у смањењу вртложних струја. Ово не само да смањује губитак вртложна струја и снижава пораст температуре, већ и штеди материјал. Међутим, у стварној производњи, ови повољни фактори нису једини фактори. Превише танки и уски листови би значајно повећали радно време и смањили ефективну површину попречног пресека језгра. Стога, када се производи језгра од силицијумског челика, мора се одмерити предности и недостаци на основу специфичних околности како би се одабрале оптималне димензије.

Трансформатори се производе на принципу електромагнетне индукције. Два намотаја су намотана око затвореног крака језгра: примарни намотај и секундарни намотај. Када се наизменични напон примени на примарни намотај, кроз њега тече наизменична струја, стварајући магнетомоторну силу (ММФ). Под утицајем овог ММФ-а, у језгру се генерише наизменични главни магнетни флукс. Овај главни магнетни ток пролази и повезује примарни и секундарни намотај. Због електромагнетне индукције, у оба намотаја настају електромоторне силе (ЕМФ). Разлог због којег може повећати или смањити напон објашњава Лензов закон: магнетни флукс који генерише индукована струја увек се супротставља промени првобитног магнетног флукса. Када се првобитни магнетни флукс повећа, магнетни флукс који производи индукована струја му се супротставља. Другим речима, индуковани магнетни флукс у секундарном намотају је супротан главном магнетном флуксу који производи примарни намотај, што резултира наизменичним напоном нижег нивоа у секундарном намотају. Дакле, језгро служи као магнетно коло трансформатора, док намотаји чине његово електрично коло.

2. Класификација конфигурација језгра трансформатора

Језгра типа шкољке и језгра

Део језгра око којег су намотаји намотани назива се „крак језгра“, док део који нема намотаје већ служи искључиво као магнетна путања назива се „јарам“. Језгро се назива „љускасти тип“ када језгро окружује намотаје, а „тип језгра“ када га окружују намотаји језгра. Конфигурације типа шкољке и конфигурације типа језгра имају своје посебне карактеристике, али производни процеси које они диктирају значајно се разликују. Када се одабере одређена структура, тешко је прећи на другу. У Кини, већина трансформаторских језгара користи наслагани дизајн језгра.

Силицијумски челични лимови се користе за нискофреквентне трансформаторе и долазе у различитим типовима. На основу процеса производње, могу се поделити на:
А: жарене (црни листови)
Н: нежарене (бели листови)

На основу свог облика, могу се класификовати на: ЕИ-тип, УИ-тип, Ц-тип и квадратни (уста)-тип.

Силиконски челични лимови квадратног типа се обично користе у трансформаторима велике снаге. Они нуде одличне перформансе изолације, лако одвођење топлоте и кратак магнетни пут. Првенствено се користе за трансформаторе са називном снагом изнад 500–1000 В и трансформаторе велике снаге. Скуп силиконских челичних лимова састављен од два листа типа Ц назива се језгро типа ЦД. За енергетске трансформаторе направљене од плоча типа ЦД, под истом површином попречног пресека, што је већи прозор, то је већи капацитет снаге трансформатора. Пошто се калемови могу инсталирати одвојено на обе стране језгра, број завоја калема се може распоредити на две бобине, што резултира краћом просечном дужином завоја по бобини и смањеним губитком бакра. Штавише, ако се два симетрична намотаја намотају на одвојене бобине, може се постићи савршена симетрија.

Скуп силиконских челичних лимова састављен од четири лима Ц типа назива се језгро типа ЕД. Трансформатори направљени са језгрима типа ЕД имају раван, широк профил. Под истом називном снагом, трансформатори типа ЕД су краћи и шири од трансформатора типа ЦД. Пошто су калемови уграђени у центар силиконских челичних лимова са спољном магнетном путањом, они показују низак флукс цурења и минималне сметње у околним компонентама. Међутим, сви калемови су намотани на једну дебелу бобину, што резултира дужом просечном дужином окрета и већим губитком бакра.

Језгра типа Ц нуде супериорне перформансе, што резултира трансформаторима који су компактни, лагани и високо ефикасни. Из перспективе монтаже, језгра типа Ц захтевају врло мало делова и имају велику свестраност, што доводи до високе ефикасности производње. Међутим, процес обраде силиконских челичних лимова Ц-типа је сложен и захтева специјализовану опрему, што њихов тренутни трошак чини релативно високим.

Силиконски челични лимови типа Е, такође познати као лимови типа шкољке или лимови са осмом, имају примарну предност што деле једну бобину за примарни и секундарни намотај, дајући висок фактор простора прозора (фактор простора Км: однос нето површине попречног пресека бакарне жице и површине прозора). Силиконски челични лимови формирају заштитну шкољку око намотаја, спречавајући механичка оштећења. Они такође обезбеђују велику површину за дисипацију топлоте и минимизирају дисперзију магнетног поља. Међутим, они показују већу индуктивност цурења између примарног и секундарног намотаја и већу подложност спољним магнетним сметњама. Додатно, због дужег просечног периметра намотаја, трансформатори типа Е захтевају више бакарне жице за исти број завоја и површину попречног пресека језгра.

Уобичајене дебљине за лимове од силицијумског челика су 0,35 мм и 0,5 мм. Постоје две методе монтаже лимова од силицијумског челика: преплитање и слагање. Метода преплитања мења отворене крајеве листова на супротним странама. Овај метод је заморнији, али резултира мањим ваздушним празнинама и нижом магнетном релуктанцијом, што је корисно за повећање магнетног флукса; стога се широко користи у енергетским трансформаторима. Метода слагања на чело се обично користи у апликацијама са једносмерном струјом (ДЦ). Да би се спречило засићење изазвано једносмерном струјом, између лимова од силицијумског челика мора се оставити ваздушни размак. У овој методи, Е-листови и И-листови се постављају на супротне стране, а ваздушни размак између њих може се подесити помоћу папирних подметача.

3. Типови језгра намотаја

Оне су подељене у три типа:
А. ТОРОИДНО ЈЕЗГРО: Израђује се слагањем О-типа ламинација или намотавањем челичних лимова од силикона. Намотавање жице на овој врсти језгра је веома тешко.
Б. ЈЕЗГРО ШТАПЕ: Гвоздено језгро у облику шипке.
Ц. ЈЕЗГРО БУБЊА: Гвоздено језгро у облику бубња.

4. Класификација материјала језгра трансформатора

1. Високофреквентна категорија: Феритна језгра
Феритна језгра се користе у високофреквентним трансформаторима. Они су керамички магнети са спинелном кристалном структуром, састављени од оксида гвожђа и других двовалентних металних једињења, као што је кФе₂О₄ (где к представља друге метале). Тренутно коришћени метали укључују манган (Мн), цинк (Зн), никл (Ни), магнезијум (Мг) и бакар (Цу). Уобичајене комбинације укључују серију манган-цинк (МнЗн), серију никл-цинк (НиЗн) и серију магнезијум-цинк (МгЗн). Ови материјали поседују високе карактеристике пермеабилности и импедансе, са опсегом радне фреквенције од 1 кХз до преко 200 кХз.
Фреквенцијски опсег феритног језгра: 18 кХз до преко 1 МХз.

2. Категорија ниске фреквенције: лимови од силицијумског челика и аморфне легуре
Опсег фреквенције језгра од силицијумског челика: 5 Хз до 1 кХз.
Трансформатори који користе силиконски челик обично раде на 50 Хз. Међутим, у погледу ефикасности, нешто виша фреквенција може дати боље резултате, у зависности од Гауссове оцене силиконског челичног лима. Иако аудио фреквенције могу достићи и изнад 20 кХз, ово није практично. Препоручује се рад на 50–60 Хз, иако могу нормално функционисати у опсегу фреквенција од 50–200 Хз.
Фреквенцијски опсег аморфног језгра: 2 кХз до 13 кХз.