توابع و طبقه بندی هسته های ترانسفورماتور

1. توابع هسته های ترانسفورماتور

ترانسفورماتورهای عملی همیشه تحت شرایط جریان متناوب (AC) کار می کنند. تلفات توان نه تنها در مقاومت سیم‌پیچ‌ها بلکه در داخل هسته آهنی نیز رخ می‌دهد، زیرا توسط جریان متناوب مغناطیسی می‌شود. این تلفات توان در هسته آهنی به طور کلی به عنوان 'تلفات هسته' نامیده می شود که توسط دو عامل ایجاد می شود: افت هیسترزیس و افت جریان گردابی. از دست دادن هیسترزیس در طول فرآیند مغناطیسی به دلیل پسماند مغناطیسی رخ می دهد و بزرگی آن متناسب با ناحیه ای است که توسط حلقه پسماند ماده محصور شده است. فولاد سیلیکونی دارای یک حلقه هیسترزیس باریک است. بنابراین، استفاده از آن برای هسته‌های ترانسفورماتور منجر به تلفات هیسترزیس کمتری می‌شود که به طور قابل توجهی تولید گرما را کاهش می‌دهد.

با توجه به این مزیت های فولاد سیلیکونی، چرا به جای استفاده به عنوان یک بلوک جامد، به لایه های لایه ای تبدیل می شود؟ این به این دلیل است که هسته‌های چند لایه کمک می‌کنند نوع دیگری از تلفات هسته را به حداقل برسانند: تلفات جریان گردابی. در حین کار، جریان متناوب در سیم‌پیچ‌ها شار مغناطیسی متناوب ایجاد می‌کند که جریان‌هایی را در هسته آهنی القا می‌کند. این جریان های القایی در صفحات عمود بر جهت شار مغناطیسی گردش می کنند و بنابراین جریان گردابی نامیده می شوند. تلفات جریان گردابی نیز باعث گرم شدن هسته می شود. برای کاهش این تلفات، هسته ترانسفورماتور از ورق های فولادی سیلیکونی عایق بندی شده دو طرفه مونتاژ می شود. این جریان‌های گردابی را مجبور می‌کند تا از طریق حلقه‌های باریک و کشیده با سطح مقطع کوچک‌تر عبور کنند و در نتیجه مقاومت الکتریکی در طول مسیرشان افزایش یابد. علاوه بر این، محتوای سیلیکون در فولاد، مقاومت الکتریکی ماده را افزایش می‌دهد و جریان گردابی را کاهش می‌دهد.

برای هسته های ترانسفورماتور، معمولاً ورق های فولادی سیلیکونی نورد سرد با ضخامت 0.35 میلی متر انتخاب می شوند. بر اساس ابعاد هسته مورد نیاز، آنها را به نوارهای مستطیلی برش داده و به شکل 'EI' یا مربع ('□') روی هم چیده می شوند. در تئوری، برای به حداقل رساندن جریان های گردابی، ورق های نازک تر و نوارهای باریک تر نتایج بهتری را به همراه دارند. این نه تنها تلفات جریان گردابی و افزایش دما را کاهش می دهد، بلکه باعث صرفه جویی در مصرف مواد فولادی سیلیکونی می شود. با این حال، در ساخت عملی، عوامل دیگری باید در نظر گرفته شود. استفاده از ورق های بسیار نازک یا باریک باعث افزایش شدید ساعات کار و کاهش سطح مقطع موثر هسته می شود. بنابراین، هنگام ساخت هسته های ترانسفورماتور از فولاد سیلیکونی، مهندسان باید مزایا و معایب را بر اساس شرایط خاص برای انتخاب ابعاد بهینه وزن کنند.

ترانسفورماتورها بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی ساخته شده اند. دو سیم پیچ - یک سیم پیچ اولیه و یک سیم پیچ ثانویه - در اطراف اندام های بسته هسته آهنی پیچیده می شوند. هنگامی که یک ولتاژ AC به سیم پیچ اولیه اعمال می شود، یک جریان متناوب جریان می یابد و یک نیروی مغناطیسی (MMF) ایجاد می کند. تحت تأثیر این MMF، یک شار مغناطیسی اصلی متناوب در هسته ایجاد می شود. این شار اصلی به طور همزمان از هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه عبور می کند. به دلیل القای الکترومغناطیسی، نیروهای الکتروموتور (EMF) در هر دو سیم پیچ ایجاد می شود. مکانیسم افزایش یا کاهش ولتاژ را می توان با قانون لنز توضیح داد: شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان القایی همیشه با تغییر در شار مغناطیسی اصلی مخالف است. هنگامی که شار اصلی افزایش می یابد، شار القایی در جهت مخالف عمل می کند. این بدان معناست که شار مغناطیسی القایی در سیم‌پیچ ثانویه با شار اصلی تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه مخالفت می‌کند و در نتیجه یک ولتاژ AC تغییر یافته در سیم‌پیچ ثانویه ایجاد می‌شود. بنابراین، هسته آهنی به عنوان مدار مغناطیسی ترانسفورماتور عمل می کند، در حالی که سیم پیچ ها مدار الکتریکی آن را تشکیل می دهند.

2. طبقه بندی سازه های هسته ترانسفورماتور

هسته‌های آهنی نوع پوسته و هسته‌ای
بخشی از هسته آهنی که سیم‌پیچ‌ها را در خود جای می‌دهد «اندام هسته» نامیده می‌شود، در حالی که بخشی که سیم‌پیچ‌ها را در خود جای نمی‌دهد و صرفاً به عنوان یک مسیر مغناطیسی عمل می‌کند، «یوغ» نامیده می‌شود. اگر سیم‌پیچ‌ها اندام‌های هسته را محصور کنند، به آن هسته از نوع هسته می‌گویند. در حالی که هر دو ویژگی‌های متمایز دارند، فرآیندهای تولیدی که توسط طرح‌های ساختاری آن‌ها دیکته می‌شود، به‌طور قابل‌توجهی متفاوت است، و تغییر بین آنها پس از انتخاب دشوار است. در چین، اکثر هسته‌های ترانسفورماتور از ساختار نوع هسته انباشته استفاده می‌کنند.

فولاد سیلیکونی معمولاً برای ترانسفورماتورهای فرکانس پایین استفاده می شود. بر اساس فرآیندهای ساخت، آنها به دو دسته تقسیم می شوند:
الف. آنیل شده (ورق های سیاه)
و غیر آنیل شده (ورق های سفید)

بر اساس شکل، آنها به انواع EI-type، UI-type، C-type و Square (□) دسته بندی می شوند.

• نوع مربعی (□): اغلب در ترانسفورماتورهای پرقدرت استفاده می شود، آنها عایق عالی، اتلاف گرما آسان و یک مسیر مغناطیسی کوتاه را ارائه می دهند. آنها عمدتاً برای ترانسفورماتورهای دارای توان بالای 500 تا 1000 وات استفاده می شوند.

• نوع CD: از دو ورق فولادی سیلیکونی نوع C تشکیل شده است. برای ترانسفورماتورهای نوع CD با سطح مقطع یکسان، ارتفاع پنجره بلندتر معادل ظرفیت توان بیشتر است. از آنجایی که سیم‌پیچ‌ها را می‌توان در هر دو طرف هسته نصب کرد، تعداد کل چرخش‌ها را می‌توان در دو بوبین توزیع کرد. این امر میانگین طول چرخش در هر بوبین را کاهش می دهد و تلفات مس را کاهش می دهد. علاوه بر این، قرار دادن سیم پیچ های متقارن بر روی بوبین های جداگانه، تقارن کامل را به دست می آورد.

• نوع ED: متشکل از چهار ورق فولادی سیلیکونی نوع C، ترانسفورماتورهای نوع ED دارای مشخصات صاف و گسترده هستند. با قدرت یکسان، آنها کوتاهتر اما گسترده تر از انواع CD هستند. از آنجا که سیم پیچ ها در مرکز فولاد سیلیکونی با یک مسیر مغناطیسی خارجی نصب می شوند، شار نشتی و تداخل کلی حداقل هستند. با این حال، از آنجایی که همه سیم پیچ ها روی یک بوبین ضخیم پیچیده می شوند، میانگین طول چرخش طولانی تر است و در نتیجه تلفات مس بیشتر می شود.

• C-Type: ترانسفورماتورهای ساخته شده از هسته های نوع C فشرده، سبک وزن و بسیار کارآمد هستند. از منظر مونتاژ، اجزای نوع C کم و بسیار متنوع هستند که منجر به راندمان تولید بالا می شود. با این حال، پردازش فولاد سیلیکونی نوع C شامل مراحل پیچیده متعددی است و به تجهیزات تخصصی نیاز دارد که در حال حاضر آنها را گران تر می کند.

• نوع E (نوع پوسته / نوع EI): مزیت اصلی آن این است که سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه دارای یک بوبین مشترک هستند که ضریب فضای پنجره بالایی را ایجاد می‌کند (نسبت سطح مقطع خالص سیم مسی به سطح پنجره). فولاد سیلیکونی یک پوسته محافظ در اطراف سیم پیچ ها تشکیل می دهد و از آسیب مکانیکی جلوگیری می کند. همچنین یک منطقه اتلاف گرما بزرگ و میدان های مغناطیسی سرگردان کم را ارائه می دهد. با این حال، از اندوکتانس نشتی بالاتر و حساسیت بیشتری نسبت به تداخل مغناطیسی خارجی رنج می برد. علاوه بر این، به دلیل میانگین طولانی‌تر محیط سیم‌پیچ‌ها، ترانسفورماتورهای نوع EI به سیم مسی بیشتری برای همان تعداد دور و مقطع هسته نیاز دارند.

ضخامت و روش های انباشتگی:
ضخامت های متداول فولاد سیلیکونی 0.35 میلی متر و 0.5 میلی متر است. روش های مونتاژ عبارتند از انباشته شدن بهم و پشته زدن. انباشته شدن بهم پیوسته انتهای باز ورق ها را در طرف مقابل تغییر می دهد. اگرچه خسته کننده است، اما شکاف های هوا و عدم تمایل مغناطیسی را به حداقل می رساند، شار مغناطیسی را به حداکثر می رساند و آن را برای ترانسفورماتورهای قدرت ایده آل می کند. انباشتن لب به لب، ورق های E و I-ورق ها را در طرفین مقابل قرار می دهد و یک شکاف هوا (که از طریق درج کاغذ تنظیم می شود) برای جلوگیری از اشباع ناشی از جریان مستقیم (DC) باقی می گذارد.

3. انواع کویل
کویل ها/هسته ها به سه دسته تقسیم می شوند:
الف. هسته حلقوی: مونتاژ شده از ورقه های O شکل یا زخمی از نوارهای فولادی سیلیکونی. سیم پیچی برای این نوع کاملاً چالش برانگیز است.
ب. راد کور.
C. هسته درام.

3. طبقه بندی مواد هسته ترانسفورماتور

1. دسته فرکانس بالا: هسته های پودر آهن و هسته های فریت
هسته های فریت در ترانسفورماتورهای فرکانس بالا استفاده می شوند. آنها مواد سرامیکی با ساختار کریستالی اسپینل هستند که از اکسید آهن و سایر ترکیبات فلزی دو ظرفیتی (به عنوان مثال، kFe2O4، که در آن k نشان دهنده فلزاتی مانند منگنز (Mn)، روی (Zn)، نیکل (Ni)، منیزیم (Mg) یا مس (Cu)) است.
ترکیبات رایج شامل سری های MnZn، NiZn و MgZn است. این مواد دارای نفوذپذیری و امپدانس بالایی هستند و به طور موثر از 1 کیلوهرتز تا بیش از 200 کیلوهرتز کار می کنند.

• محدوده فرکانس هسته فریت: 18 کیلوهرتز ~ 1 مگاهرتز و بالاتر.

2. رده فرکانس پایین: فولاد سیلیکونی و آلیاژهای آمورف

• محدوده فرکانس هسته فولادی سیلیکونی: 5 هرتز ~ 1 کیلوهرتز. ترانسفورماتورهای استاندارد فولاد سیلیکونی معمولاً در فرکانس 50 هرتز کار می کنند. در حالی که فرکانس‌های بالاتر بسته به رتبه گاوس فولاد سیلیکونی می‌توانند کارایی را بهبود بخشند، برنامه‌های صوتی بیش از 20 کیلوهرتز غیرعملی هستند. محدوده توصیه شده 50-60 هرتز است، اگرچه آنها می توانند به طور معمول بین 50-200 هرتز کار کنند.

• محدوده فرکانس هسته آمورف: 2 کیلوهرتز تا 13 کیلوهرتز.