Transformatör Çekirdeklerinin Fonksiyonları ve Sınıflandırılması

1. Trafo Çekirdeklerinin İşlevleri

Pratik transformatörler her zaman alternatif akım (AC) koşullarında çalışır. Güç kayıpları sadece sargıların direncinde değil aynı zamanda AC mıknatıslanmasından dolayı çekirdekte de meydana gelir. Çekirdek içindeki güç kaybına genel olarak 'demir kaybı' (veya çekirdek kaybı) adı verilir ve bu kayıp iki ana faktörden kaynaklanır: 'histerezis kaybı' ve 'girdap akımı kaybı.' Bu kaybın büyüklüğü malzemenin histerezis döngüsü tarafından çevrelenen alanla orantılıdır. Silikon çeliğin dar bir histerezis döngüsüne sahip olması nedeniyle, bunun çekirdek malzemesi olarak kullanılması histerezis kaybını önemli ölçüde azaltır ve ısı oluşumunu önemli ölçüde en aza indirir.

Silikon çeliğin bu avantajları olduğuna göre, neden çekirdek katı bir silikon çelik bloğundan yapılmıyor da bunun yerine ince levhalar halinde işleniyor? Bunun nedeni, lamine çekirdeğin başka bir tür demir kaybını, yani girdap akımı kaybını azaltmasıdır. Çalışma sırasında sargılardaki alternatif akım, alternatif bir manyetik akı üretir. Bu değişen manyetik akı çekirdek içindeki akımları indükler. Bu indüklenen akımlar manyetik akı yönüne dik düzlemlerde dolaşırlar ve bu nedenle girdap akımları olarak adlandırılırlar. Girdap akımı kaybı aynı zamanda çekirdeğin ısınmasına da neden olur. Bu kaybı en aza indirmek için transformatör çekirdeği, birbirinden yalıtılmış silikon çelik levhaların istiflenmesiyle inşa edilir. Bu, girdap akımlarını daha küçük kesit alanına sahip dar döngüler boyunca akmaya zorlar, böylece girdap akımı yolunun elektrik direncini arttırır. Ek olarak çelikteki silikon, malzemenin elektriksel direncini arttırır ve bu da girdap akımlarının azaltılmasına daha da yardımcı olur. Transformatör çekirdekleri için genellikle 0,35 mm kalınlığında soğuk haddelenmiş silikonlu çelik saclar seçilir. Gerekli çekirdek boyutlarına göre dikdörtgen şeritler halinde kesilirler ve daha sonra 'sekiz rakamı' veya dikdörtgen çerçeve şekli oluşturacak şekilde istiflenirler. Teorik olarak, silikon çelik levhalar ne kadar ince ve şeritler ne kadar dar olursa girdap akımlarını azaltma etkisi o kadar iyi olur. Bu sadece girdap akımı kaybını ve sıcaklık artışını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda malzemeden de tasarruf sağlar. Ancak fiili üretimde dikkate alınan tek faktör bu olumlu faktörler değildir. Levhaları çok ince ve dar yapmak, çalışma saatlerini önemli ölçüde artıracak ve çekirdeğin etkin kesit alanını azaltacaktır. Bu nedenle, silikon çelik çekirdekler üretilirken, optimum boyutların seçilebilmesi için belirli koşullara göre artılar ve eksiler tartılmalıdır.

Transformatörler elektromanyetik indüksiyon prensibine göre üretilmektedir. Kapalı bir çekirdek uzvunun etrafına iki sargı sarılır: birincil sargı ve ikincil sargı. Birincil sargıya bir AC voltajı uygulandığında, içinden alternatif bir akım akar ve bir manyetomotor kuvveti (MMF) oluşturulur. Bu MMF'nin etkisi altında çekirdekte alternatif bir ana manyetik akı üretilir. Bu ana manyetik akı hem birincil hem de ikincil sargılardan geçer ve bunları birbirine bağlar. Elektromanyetik indüksiyon nedeniyle her iki sargıda da elektromotor kuvvetler (EMF) üretilir. Gerilimi artırıp azaltabilmesinin nedeni Lenz Yasası ile açıklanmaktadır: İndüklenen akımın ürettiği manyetik akı her zaman orijinal manyetik akıdaki değişime karşı çıkar. Orijinal manyetik akı arttığında, indüklenen akımın ürettiği manyetik akı buna karşı çıkar. Başka bir deyişle, ikincil sargıda indüklenen manyetik akı, birincil sargı tarafından üretilen ana manyetik akıya zıttır ve bu, ikincil sargı boyunca daha düşük seviyeli bir alternatif voltajla sonuçlanır. Böylece çekirdek, transformatörün manyetik devresi görevi görürken, sargılar da elektrik devresini oluşturur.

2. Trafo Çekirdek Konfigürasyonlarının Sınıflandırılması

Kabuk Tipi ve Çekirdek Tipi Çekirdekler

Çekirdeğin etrafına sarımların sarıldığı kısmına 'çekirdek kolu' adı verilirken, sarımları olmayan ancak yalnızca manyetik yol görevi gören kısmına 'boyunduruk' adı verilir. Çekirdek, sarımları çevrelediğinde 'kabuk tipi', sarımlar çekirdek kolunu çevrelediğinde ise 'çekirdek tipi' olarak anılır. Kabuk tipi ve çekirdek tipi konfigürasyonların her birinin kendine özgü özellikleri vardır, ancak dikte ettikleri üretim süreçleri önemli ölçüde farklıdır. Belirli bir yapı seçildikten sonra diğerine geçmek zordur. Çin'de çoğu transformatör çekirdeği istiflenmiş çekirdek tipi tasarım kullanır.

Silikon çelik saclar düşük frekanslı transformatörlerde kullanılır ve çeşitli tiplerde gelir. Üretim prosesine bağlı olarak aşağıdakilere ayrılabilirler:
A: Tavlanmış (siyah sayfalar)
N: Tavlanmamış (beyaz sayfalar)

Şekillerine göre şu şekilde sınıflandırılabilirler: EI tipi, UI tipi, C tipi ve Kare (Ağız) tipi.

Kare tip silikon çelik saclar yüksek güçlü transformatörlerde yaygın olarak kullanılır. Mükemmel yalıtım performansı, ısı dağılımı kolaylığı ve kısa bir manyetik yol sunarlar. Öncelikle 500–1000 W'nin üzerinde güç değerlerine sahip transformatörler ve yüksek güçlü transformatörler için kullanılırlar. İki C tipi levhadan oluşan bir dizi silikon çelik levhaya CD tipi çekirdek adı verilir. Aynı kesit alanı altında CD tipi levhalardan yapılmış güç transformatörleri için pencere ne kadar yüksek olursa transformatörün güç kapasitesi de o kadar büyük olur. Bobinler çekirdeğin her iki tarafına ayrı ayrı monte edilebildiğinden, bobin dönüşlerinin sayısı iki bobine dağıtılabilir, bu da bobin başına ortalama sarım uzunluğunun daha kısa olmasını ve bakır kaybının azalmasını sağlar. Ayrıca iki simetrik bobin ayrı bobinlere sarılırsa mükemmel simetri elde edilebilir.

Dört C tipi levhadan oluşan bir dizi silikon çelik levhaya ED tipi çekirdek adı verilir. ED tipi çekirdeklerle yapılan transformatörler düz ve geniş bir profile sahiptir. Aynı güç değerinde ED tipi transformatörler, CD tipi transformatörlerden daha kısa ve daha geniştir. Bobinler, silikon çelik levhaların merkezine harici bir manyetik yol ile monte edildiklerinden, düşük sızıntı akısı sergilerler ve çevredeki bileşenlere minimum düzeyde müdahale ederler. Bununla birlikte, tüm bobinler tek bir kalın bobin üzerine sarılır, bu da daha uzun bir ortalama dönüş uzunluğuna ve daha yüksek bakır kaybına neden olur.

C tipi çekirdekler üstün performans sunarak kompakt, hafif ve yüksek verimli transformatörler ortaya çıkarır. Montaj açısından bakıldığında, C tipi çekirdekler çok az parça gerektirir ve çok yönlülüğe sahiptir, bu da yüksek üretim verimliliğine yol açar. Bununla birlikte, C tipi silikon çelik sacların işleme prosesi karmaşıktır ve özel ekipman gerektirir, bu da mevcut maliyetlerini nispeten yüksek kılar.

Kabuk tipi veya sekiz şekilli levhalar olarak da bilinen E-tipi silikon çelik levhalar, hem birincil hem de ikincil sargılar için tek bir bobini paylaşmanın birincil avantajına sahiptir ve yüksek bir pencere alanı faktörü sağlar (Uzay Faktörü Km: bakır telin net kesit alanının pencere alanına oranı). Silikon çelik levhalar sarımların etrafında koruyucu bir kabuk oluşturarak mekanik hasarı önler. Ayrıca geniş bir ısı dağıtım alanı sağlarlar ve manyetik alan dağılımını en aza indirirler. Bununla birlikte, birincil ve ikincil sargılar arasında daha yüksek kaçak endüktans ve dış manyetik girişime karşı daha fazla duyarlılık sergilerler. Ek olarak, sargıların ortalama çevresinin daha uzun olması nedeniyle, E-tipi transformatörler aynı sayıda dönüş ve çekirdek kesit alanı için daha fazla bakır tele ihtiyaç duyar.

Silikon çelik saclar için yaygın kalınlıklar 0,35 mm ve 0,5 mm'dir. Silikon çelik levhalar için iki montaj yöntemi vardır: serpiştirme ve uçtan uca istifleme. Serpiştirme yöntemi, levhaların açık uçlarını karşıt taraflarda dönüşümlü olarak kullanır. Bu yöntem daha sıkıcıdır ancak daha küçük hava boşlukları ve daha düşük manyetik isteksizlik ile sonuçlanır, bu da manyetik akıyı arttırmak için faydalıdır; bu nedenle güç transformatörlerinde yaygın olarak kullanılır. Alın istifleme yöntemi, doğru akım (DC) uygulamalarında yaygın olarak kullanılır. DC akımın neden olduğu doymayı önlemek için silikon çelik saclar arasında hava boşluğu bırakılmalıdır. Bu yöntemde E-sheet'ler ve I-sheet'ler karşıt taraflara yerleştirilir ve aralarındaki hava boşluğu kağıt takozlar kullanılarak ayarlanabilir.

3. Bobin Çekirdek Çeşitleri

Bunlar üç tipe ayrılır:
A. TOROİDAL ÇEKİRDEK: O-tipi laminasyonların üst üste dizilmesiyle veya silikon çelik sacların sarılmasıyla yapılır. Bu tip çekirdeklere tel sarmak oldukça zordur.
B. ÇUBUK ÇEKİRDEĞİ: Çubuk şeklinde demir çekirdek.
C. TAMBUR ÇEKİRDEĞİ: Tambur şeklindeki demir çekirdek.

4. Transformatör Çekirdek Malzemelerinin Sınıflandırılması

1. Yüksek Frekans Kategorisi: Ferrit Çekirdekler
Ferrit çekirdekler yüksek frekans transformatörlerinde kullanılır. Bunlar, demir oksit ve kFe₂O₄ (k'nin diğer metalleri temsil ettiği) gibi diğer iki değerlikli metalik bileşiklerden oluşan, spinel kristal yapıya sahip seramik mıknatıslardır. Şu anda yaygın olarak kullanılan metaller arasında manganez (Mn), çinko (Zn), nikel (Ni), magnezyum (Mg) ve bakır (Cu) bulunur. Yaygın kombinasyonlar arasında Manganez-Çinko (MnZn) serisi, Nikel-Çinko (NiZn) serisi ve Magnezyum-Çinko (MgZn) serisi yer alır. Bu malzemeler, 1 kHz'den 200 kHz'in üzerindeki çalışma frekansı aralığıyla yüksek geçirgenlik ve empedans özelliklerine sahiptir.
Ferrit çekirdek frekans aralığı: 18 kHz'den 1 MHz'e kadar.

2. Düşük Frekans Kategorisi: Silikon Çelik Levhalar ve Amorf Alaşımlar
Silikon çelik çekirdek frekans aralığı: 5 Hz ila 1 kHz.
Silikon çelik kullanan transformatörler tipik olarak 50 Hz'de çalışır. Ancak verimlilik açısından biraz daha yüksek bir frekans, silikon çelik levhanın Gauss derecesine bağlı olarak daha iyi sonuçlar verebilir. Ses frekansları 20 kHz'in üzerine çıkabilse de bu pratik değildir. 50–200 Hz frekans aralığında normal şekilde çalışabilmelerine rağmen 50–60 Hz'de çalıştırılması tavsiye edilir.
Amorf çekirdek frekans aralığı: 2 kHz ila 13 kHz.