Функції та класифікація сердечників трансформаторів

1. Функції сердечників трансформаторів

Практичні трансформатори завжди працюють в умовах змінного струму (AC). Втрати потужності відбуваються не тільки в опорі обмоток, але і в осерді через змінну намагніченість. Втрату потужності в осерді зазвичай називають 'втратою заліза' (або втратою в осерді), яка спричинена двома основними факторами: 'втратою на гістерезис' і 'втратою на вихровий струм'. Втрата на гістерезис — це енергія, що розсіюється під час процесу намагнічування через явище гістерезису. Величина цієї втрати пропорційна площі, охопленій петлею гістерезису матеріалу. Оскільки кремнієва сталь має вузьку петлю гістерезису, використання її як основного матеріалу значно зменшує втрати на гістерезис і суттєво мінімізує виділення тепла.

Оскільки кремнієва сталь має ці переваги, чому сердечник не виготовлений із суцільного блоку кремнієвої сталі, а натомість перероблений у тонкі листи? Це пояснюється тим, що ламінований сердечник зменшує інший тип втрат заліза — втрати на вихрові струми. Під час роботи змінний струм в обмотках створює змінний магнітний потік. Цей мінливий магнітний потік індукує струми всередині сердечника. Ці індукційні струми циркулюють у площинах, перпендикулярних до напрямку магнітного потоку, і тому називаються вихровими струмами. Втрати на вихровий струм також спричиняють нагрівання сердечника. Щоб звести до мінімуму ці втрати, сердечник трансформатора виготовлено шляхом укладання листів кремнієвої сталі, ізольованих один від одного. Це змушує вихрові струми протікати через вузькі петлі з меншою площею поперечного перерізу, тим самим збільшуючи електричний опір шляху вихрового струму. Крім того, кремній у сталі збільшує питомий електричний опір матеріалу, що додатково допомагає зменшити вихрові струми. Для сердечників трансформаторів зазвичай вибирають холоднокатані листи кремнієвої сталі товщиною 0,35 мм. Їх нарізають на прямокутні смуги відповідно до необхідних розмірів серцевини, а потім складають у вигляді «вісімки» або прямокутної рамки. Теоретично, чим тонші листи кремнієвої сталі і чим вужчі смуги, тим кращий ефект у зменшенні вихрових струмів. Це не тільки зменшує втрати на вихрові струми та знижує підвищення температури, але й економить матеріал. Однак у реальному виробництві ці сприятливі фактори не єдині міркування. Якщо зробити листи занадто тонкими та вузькими, це значно збільшить кількість робочих годин і зменшить ефективну площу поперечного перерізу серцевини. Тому при виготовленні сердечників з кремнієвої сталі необхідно зважити всі за і проти на основі конкретних обставин, щоб вибрати оптимальні розміри.

Трансформатори виготовляються за принципом електромагнітної індукції. Дві обмотки намотані навколо замкнутого сердечника: первинна обмотка та вторинна обмотка. Коли на первинну обмотку подається змінна напруга, через неї протікає змінний струм, який створює магніторушійну силу (МРС). Під дією цього ММП в осерді створюється змінний головний магнітний потік. Цей основний магнітний потік проходить через первинну та вторинну обмотки та з’єднує їх. Внаслідок електромагнітної індукції в обох обмотках виникають електрорушійні сили (ЕРС). Причина, по якій він може підвищувати або знижувати напругу, пояснюється законом Ленца: магнітний потік, створений індукованим струмом, завжди протидіє зміні вихідного магнітного потоку. Коли початковий магнітний потік збільшується, йому протистоїть магнітний потік, створений індукованим струмом. Іншими словами, індукований магнітний потік у вторинній обмотці протилежний основному магнітному потоку, створюваному первинною обмоткою, що призводить до нижчого рівня змінної напруги на вторинній обмотці. Таким чином, сердечник служить магнітопроводом трансформатора, а обмотки складають його електричне коло.

2. Класифікація конфігурацій сердечника трансформатора

Сердечники оболонкового та сердечникового типу

Частина осердя, навколо якої намотуються обмотки, називається 'стрижнем', тоді як частина, яка не має обмоток, а служить виключно як магнітний шлях, називається 'ярмом'. Сердечник називається 'оболонковим', коли сердечник оточує обмотки, і 'серцевим', коли обмотки оточують кінцівку сердечника. Кожна конфігурація оболонки та типу сердечника має свої відмінні характеристики, але виробничі процеси, які вони визначають, значно відрізняються. Вибравши конкретну структуру, важко переключитися на іншу. У Китаї більшість сердечників трансформаторів використовують конструкцію багатошарового сердечника.

Листи кремнієвої сталі використовуються для низькочастотних трансформаторів і бувають різних типів. Залежно від процесу виробництва їх можна розділити на:
A: відпалені (чорні аркуші)
N: невідпалені (білі аркуші)

За формою їх можна класифікувати на: EI-тип, UI-тип, C-тип і квадратний (ротовий) тип.

Листи кремнієвої сталі квадратного типу зазвичай використовуються в потужних трансформаторах. Вони забезпечують чудову ізоляцію, легкість розсіювання тепла та короткий магнітний шлях. Вони використовуються в основному для трансформаторів потужністю понад 500-1000 Вт і трансформаторів великої потужності. Набір листів кремнієвої сталі, що складається з двох листів типу С, називається сердечником типу CD. Для силових трансформаторів, виготовлених із листів типу CD, при однаковій площі поперечного перерізу, чим вище вікно, тим більша потужність трансформатора. Оскільки котушки можна встановлювати окремо з обох сторін сердечника, кількість витків котушки можна розподілити між двома бобінами, що призводить до меншої середньої довжини витка на бобіну та зменшення втрат міді. Крім того, якщо дві симетричні котушки намотати на окремі бобіни, можна досягти ідеальної симетрії.

Набір листів кремнієвої сталі, що складається з чотирьох листів типу С, називається сердечником типу ED. Трансформатори з сердечниками типу ED мають плоский широкий профіль. При однаковій потужності трансформатори типу ED коротші та ширші, ніж трансформатори типу CD. Оскільки котушки встановлені в центрі листів кремнієвої сталі із зовнішнім магнітним шляхом, вони демонструють низький потік витоку та мінімальні перешкоди для оточуючих компонентів. Однак усі котушки намотуються на одній товстій бобіні, що призводить до довшої середньої довжини витка та більших втрат міді.

Сердечники С-типу забезпечують чудову продуктивність, завдяки чому трансформатори є компактними, легкими та високоефективними. З точки зору складання, сердечники типу C потребують дуже мало деталей і мають високу універсальність, що забезпечує високу ефективність виробництва. Однак процес обробки листів кремнієвої сталі С-типу складний і вимагає спеціального обладнання, що робить їх поточну вартість відносно високою.

Листи кремнієвої сталі Е-типу, також відомі як оболонкові листи або листи у вигляді вісімки, мають головну перевагу спільного використання однієї бобіни для первинної та вторинної обмоток, що забезпечує високий коефіцієнт простору вікна (Коефіцієнт простору Км: відношення чистої площі поперечного перерізу мідного дроту до площі вікна). Листи кремнієвої сталі утворюють захисну оболонку навколо обмоток, запобігаючи механічним пошкодженням. Вони також забезпечують велику площу розсіювання тепла та мінімізують розсіювання магнітного поля. Однак вони демонструють вищу індуктивність розсіювання між первинною та вторинною обмотками та більшу чутливість до зовнішніх магнітних перешкод. Крім того, завдяки довшому середньому периметру обмоток трансформатори Е-типу потребують більше мідного дроту для тієї ж кількості витків і площі поперечного перерізу сердечника.

Загальна товщина листів із кремнієвої сталі становить 0,35 мм і 0,5 мм. Існує два способи складання листів силіконової сталі: перемежування та стикування. Метод прокладки чергує відкриті кінці аркушів на протилежних сторонах. Цей метод більш виснажливий, але призводить до менших повітряних проміжків і меншого магнітного опору, що є корисним для збільшення магнітного потоку; тому він широко використовується в силових трансформаторах. Метод укладання встик зазвичай використовується в додатках з постійним струмом (DC). Щоб запобігти насиченню, спричиненому постійним струмом, між листами кремнієвої сталі необхідно залишити повітряний зазор. У цьому методі аркуші E та I-листи розміщуються на протилежних сторонах, а повітряний зазор між ними можна регулювати за допомогою паперових прокладок.

3. Типи сердечників котушок

Вони поділяються на три типи:
A. ТОРОЇДАЛЬНИЙ СЕРДЕЧНИК: виготовлений шляхом укладання шарів O-типу або намотування листів кремнієвої сталі. Намотувати дріт на такий тип жил дуже складно.
B. СТЕРЖЕНЬ: залізний сердечник у формі стрижня.
C. DRUM CORE: залізний сердечник у формі барабана.

4. Класифікація матеріалів сердечника трансформатора

1. Високочастотна категорія: феритові сердечники
Феритові сердечники використовуються у високочастотних трансформаторах. Це керамічні магніти з кристалічною структурою шпінелі, що складаються з оксиду заліза та інших двовалентних металевих сполук, таких як kFe₂O₄ (де k означає інші метали). Зараз широко використовувані метали включають марганець (Mn), цинк (Zn), нікель (Ni), магній (Mg) і мідь (Cu). Поширені комбінації включають серію марганець-цинк (MnZn), серію нікель-цинк (NiZn) і серію магній-цинк (MgZn). Ці матеріали мають високі характеристики проникності та імпедансу з робочим діапазоном частот від 1 кГц до понад 200 кГц.
Діапазон частот феритового сердечника: від 18 кГц до понад 1 МГц.

2. Низькочастотна категорія: листи з кремнієвої сталі та аморфні сплави
Діапазон частот сердечника з кремнієвої сталі: від 5 Гц до 1 кГц.
Трансформатори, що використовують кремнієву сталь, зазвичай працюють на частоті 50 Гц. Однак, з точки зору ефективності, трохи вища частота може дати кращі результати, залежно від рейтингу Гаусса листової кремнієвої сталі. Хоча звукові частоти можуть перевищувати 20 кГц, це не практично. Рекомендується працювати на частоті 50–60 Гц, хоча вони можуть нормально працювати в діапазоні частот 50–200 Гц.
Діапазон частот аморфного ядра: від 2 кГц до 13 кГц.