Funkcje i klasyfikacja rdzeni transformatorowych

1. Funkcje rdzeni transformatorowych

Praktyczne transformatory zawsze działają w warunkach prądu przemiennego (AC). Straty mocy występują nie tylko w rezystancji uzwojeń, ale także w żelaznym rdzeniu magnesowanym przez prąd przemienny. Te straty mocy w żelaznym rdzeniu są ogólnie określane jako „straty w rdzeniu” i są spowodowane dwoma czynnikami: utratą histerezy i stratą prądu wirowego. Strata histerezy następuje podczas procesu magnesowania na skutek histerezy magnetycznej, a jej wielkość jest proporcjonalna do obszaru zamkniętego przez pętlę histerezy materiału. Stal krzemowa ma wąską pętlę histerezy; dlatego zastosowanie go na rdzenie transformatorów skutkuje niższymi stratami histerezy, znacznie ograniczając wytwarzanie ciepła.

Biorąc pod uwagę te zalety stali krzemowej, dlaczego jest ona przetwarzana na laminaty, a nie używana jako pełny blok? Dzieje się tak, ponieważ rdzenie laminowane pomagają zminimalizować inny rodzaj strat w rdzeniu: straty w postaci prądów wirowych. Podczas pracy prąd przemienny w uzwojeniach generuje przemienny strumień magnetyczny, który indukuje prądy w żelaznym rdzeniu. Te indukowane prądy krążą w płaszczyznach prostopadłych do kierunku strumienia magnetycznego i dlatego nazywane są prądami wirowymi. Straty wiroprądowe powodują również nagrzewanie się rdzenia. Aby ograniczyć te straty, rdzeń transformatora składa się z wzajemnie izolowanych blach ze stali krzemowej. Wymusza to przepływ prądów wirowych przez wąskie, wydłużone pętle o mniejszych polach przekroju poprzecznego, zwiększając w ten sposób opór elektryczny na ich drodze. Dodatkowo zawartość krzemu w stali zwiększa oporność elektryczną materiału, dodatkowo zmniejszając prądy wirowe.

Do rdzeni transformatorów wybiera się zazwyczaj blachy ze stali krzemowej walcowanej na zimno o grubości 0,35 mm. W zależności od wymaganych wymiarów rdzenia są one cięte na prostokątne paski i układane w kształty „EI” lub kwadratowe („□”). Teoretycznie, aby zminimalizować prądy wirowe, cieńsze arkusze i węższe paski dają lepsze wyniki. To nie tylko zmniejsza straty prądu wirowego i wzrost temperatury, ale także pozwala zaoszczędzić na materiałach ze stali krzemowej. Jednak w praktycznej produkcji należy wziąć pod uwagę inne czynniki. Stosowanie zbyt cienkich lub wąskich arkuszy drastycznie wydłużyłoby godziny pracy i zmniejszyło efektywny przekrój rdzenia. Dlatego też podczas produkcji rdzeni transformatorów ze stali krzemowej inżynierowie muszą rozważyć zalety i wady w oparciu o konkretne warunki, aby wybrać optymalne wymiary.

Transformatory zbudowane są na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Dwa uzwojenia – uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne – są nawinięte wokół zamkniętych ramion żelaznego rdzenia. Kiedy do uzwojenia pierwotnego przyłożone jest napięcie prądu przemiennego, przepływa prąd przemienny, tworząc siłę magnetomotoryczną (MMF). Pod wpływem tego MMF w rdzeniu generowany jest przemienny główny strumień magnetyczny. Ten główny strumień przepływa jednocześnie przez uzwojenie pierwotne i wtórne. W wyniku indukcji elektromagnetycznej w obu uzwojeniach powstają siły elektromotoryczne (EMF). Mechanizm zwiększania lub zmniejszania napięcia można wyjaśnić prawem Lenza: strumień magnetyczny generowany przez indukowany prąd zawsze przeciwstawia się zmianie pierwotnego strumienia magnetycznego. Kiedy pierwotny strumień wzrasta, indukowany strumień działa w przeciwnym kierunku. Oznacza to, że indukowany strumień magnetyczny w uzwojeniu wtórnym przeciwstawia się głównemu strumieniowi wytwarzanemu przez uzwojenie pierwotne, co powoduje przekształcenie napięcia prądu przemiennego na uzwojeniu wtórnym. Zatem żelazny rdzeń służy jako obwód magnetyczny transformatora, podczas gdy uzwojenia tworzą jego obwód elektryczny.

2. Klasyfikacja konstrukcji rdzeni transformatorów

Rdzenie żelazne typu skorupowego i rdzeniowego
Część żelaznego rdzenia, w której znajdują się uzwojenia, nazywana jest „ramięm rdzenia”, natomiast część, która nie zawiera uzwojeń i służy wyłącznie jako ścieżka magnetyczna, nazywana jest „jarzmem”. Jeśli żelazny rdzeń otacza uzwojenia, nazywa się go rdzeniem typu skorupowego; jeśli uzwojenia otaczają ramiona rdzenia, nazywa się to rdzeniem typu rdzeniowego. Chociaż oba mają różne cechy, procesy produkcyjne podyktowane ich projektami konstrukcyjnymi znacznie się różnią, co utrudnia przełączanie się między nimi po wybraniu. W Chinach większość rdzeni transformatorów wykorzystuje konstrukcję z rdzeniem ułożonym warstwowo.

Stal krzemowa jest powszechnie stosowana w transformatorach niskiej częstotliwości. W oparciu o procesy produkcyjne dzieli się je na:
A. Wyżarzane (czarne arkusze)
N. Niewyżarzane (białe arkusze)

W zależności od kształtu są one podzielone na typy EI, UI, C i Square (□).

• Typ kwadratowy (□): Często stosowane w transformatorach dużej mocy, zapewniają doskonałą izolację, łatwe odprowadzanie ciepła i krótką ścieżkę magnetyczną. Stosowane są głównie do transformatorów o mocy powyżej 500 ~ 1000 W.

• Typ CD: Składa się z dwóch arkuszy stali krzemowej typu C. W przypadku transformatorów typu CD o identycznych przekrojach większa wysokość okna oznacza większą moc. Ponieważ cewki można instalować po obu stronach rdzenia, całkowitą liczbę zwojów można rozłożyć na dwie szpule. Zmniejsza to średnią długość zwoju na szpulkę, zmniejszając straty miedzi. Ponadto umieszczenie symetrycznych cewek na oddzielnych szpulach pozwala uzyskać idealną symetrię.

• Typ ED: Złożone z czterech arkuszy stali krzemowej typu C, transformatory typu ED mają płaski, szeroki profil. Przy tej samej mocy znamionowej są krótsze, ale szersze niż typy CD. Ponieważ cewki są zainstalowane pośrodku stali krzemowej z zewnętrzną ścieżką magnetyczną, strumień upływu i ogólne zakłócenia są minimalne. Jednakże, ponieważ wszystkie cewki są nawinięte na pojedynczą grubą szpulę, średnia długość zwoju jest dłuższa, co skutkuje większymi stratami miedzi.

• Typ C: Transformatory wykonane z rdzeni typu C są kompaktowe, lekkie i bardzo wydajne. Z punktu widzenia montażu komponentów typu C jest niewiele i są one bardzo wszechstronne, co prowadzi do wysokiej wydajności produkcji. Jednakże obróbka stali krzemowej typu C wiąże się z wieloma skomplikowanymi etapami i wymaga specjalistycznego sprzętu, co powoduje, że jest ona obecnie droższa.

• Typ E (typ powłoki / typ EI): jego główną zaletą jest to, że cewki pierwotna i wtórna mają wspólną szpulę, co zapewnia wysoki współczynnik przestrzenny okna (stosunek pola przekroju poprzecznego netto drutu miedzianego do powierzchni okna). Stal krzemowa tworzy powłokę ochronną wokół uzwojeń, zapobiegając uszkodzeniom mechanicznym. Oferuje również duży obszar rozpraszania ciepła i niskie pola magnetyczne. Jednakże charakteryzuje się wyższą indukcyjnością rozproszenia i większą podatnością na zewnętrzne zakłócenia magnetyczne. Dodatkowo, ze względu na większy średni obwód uzwojeń, transformatory typu EI wymagają większej ilości drutu miedzianego przy tej samej liczbie zwojów i przekroju rdzenia.

Grubość i metody układania:
Typowe grubości stali krzemowej wynoszą 0,35 mm i 0,5 mm. Metody montażu obejmują układanie z przeplotem i układanie doczołowe. Układanie z przeplotem powoduje naprzemienne układanie otwartych końców arkuszy po przeciwnych stronach. Choć jest to żmudne, minimalizuje szczeliny powietrzne i niechęć magnetyczną, maksymalizując strumień magnetyczny, dzięki czemu idealnie nadaje się do transformatorów mocy. Dzięki układaniu na styk arkusze typu E i I znajdują się po przeciwnych stronach, pozostawiając szczelinę powietrzną (regulowaną za pomocą wkładek papierowych), aby zapobiec nasyceniu spowodowanemu prądem stałym (DC).

3. Typy cewek
Cewki/rdzenie dzielą się na trzy kategorie:
A. Rdzeń toroidalny: Zmontowany z laminatów w kształcie litery O lub nawinięty z pasków stali krzemowej. Nawijanie jest dość trudne dla tego typu.
B. Rdzeń pręta.
C. Rdzeń bębna.

3. Klasyfikacja materiałów na rdzenie transformatorów

1. Kategoria wysokiej częstotliwości: Rdzenie z proszków żelaza i rdzenie ferrytowe
Rdzenie ferrytowe są stosowane w transformatorach wysokiej częstotliwości. Są to materiały ceramiczne o strukturze krystalicznej spinelu, składające się z tlenku żelaza i innych związków metali dwuwartościowych (np. kFe₂O₄, gdzie „k” oznacza metale takie jak mangan (Mn), cynk (Zn), nikiel (Ni), magnez (Mg) lub miedź (Cu)).
Typowe kombinacje obejmują serie MnZn, NiZn i MgZn. Materiały te charakteryzują się wysoką przepuszczalnością i impedancją, skutecznie pracując w zakresie od 1 kHz do ponad 200 kHz.

• Zakres częstotliwości rdzenia ferrytowego: 18 kHz ~ 1 MHz i więcej.

2. Kategoria niskiej częstotliwości: stal krzemowa i stopy amorficzne

• Zakres częstotliwości rdzenia ze stali krzemowej: 5 Hz ~ 1 kHz. Standardowe transformatory ze stali krzemowej zazwyczaj pracują przy częstotliwości 50 Hz. Chociaż wyższe częstotliwości mogą poprawić wydajność w zależności od wartości Gaussa stali krzemowej, zastosowania audio przekraczające 20 kHz są niepraktyczne. Zalecany zakres to 50–60 Hz, choć normalnie mogą pracować w przedziale 50–200 Hz.

• Zakres częstotliwości rdzenia amorficznego: 2 kHz ~ 13 kHz.