Функции и классификация сердечников трансформаторов

1. Функции сердечников трансформаторов

Практические трансформаторы всегда работают в условиях переменного тока (AC). Потери мощности происходят не только в сопротивлении обмоток, но и внутри железного сердечника, поскольку он намагничивается переменным током. Эти потери мощности в железном сердечнике обычно называют «потерями в сердечнике», и они вызваны двумя факторами: потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи. Потеря гистерезиса происходит в процессе намагничивания из-за магнитного гистерезиса, и ее величина пропорциональна площади, заключенной в петле гистерезиса материала. Кремниевая сталь имеет узкую петлю гистерезиса; поэтому его использование для сердечников трансформаторов приводит к снижению потерь на гистерезис, что значительно снижает выделение тепла.

Учитывая эти преимущества кремнистой стали, почему ее перерабатывают в пластины, а не используют в виде цельного блока? Это связано с тем, что ламинированные сердечники помогают минимизировать другой тип потерь в сердечнике: потери на вихревые токи. Во время работы переменный ток в обмотках генерирует переменный магнитный поток, который индуцирует токи внутри железного сердечника. Эти индуцированные токи циркулируют в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, и поэтому называются вихревыми токами. Потери вихревых токов также приводят к нагреву сердечника. Для уменьшения этих потерь сердечник трансформатора собирают из взаимно изолированных листов кремнистой стали. Это заставляет вихревые токи течь через узкие вытянутые петли с меньшей площадью поперечного сечения, тем самым увеличивая электрическое сопротивление на их пути. Кроме того, содержание кремния в стали увеличивает удельное электрическое сопротивление материала, еще больше уменьшая вихревые токи.

Для сердечников трансформаторов обычно выбирают холоднокатаные листы кремнистой стали толщиной 0,35 мм. В зависимости от требуемых размеров сердцевин их нарезают прямоугольными полосками и укладывают в стопки в форме «EI» или квадрата («□»). Теоретически, чтобы минимизировать вихревые токи, более тонкие листы и более узкие полоски дают лучшие результаты. Это не только снижает потери на вихревые токи и повышение температуры, но также экономит материалы из кремнистой стали. Однако в практическом производстве необходимо учитывать и другие факторы. Использование слишком тонких или узких листов резко увеличит трудозатраты и уменьшит эффективное поперечное сечение сердцевины. Поэтому при изготовлении сердечников трансформаторов из кремнистой стали инженеры должны взвесить все за и против, исходя из конкретных условий, чтобы выбрать оптимальные размеры.

Трансформаторы построены на принципе электромагнитной индукции. Две обмотки — первичная и вторичная — намотаны вокруг замкнутых ветвей железного сердечника. Когда на первичную обмотку подается переменное напряжение, течет переменный ток, создавая магнитодвижущую силу (МДС). Под воздействием этого ММП внутри сердечника создается переменный основной магнитный поток. Этот основной поток одновременно проходит как через первичную, так и через вторичную обмотки. За счет электромагнитной индукции в обеих обмотках возникают электродвижущие силы (ЭДС). Механизм повышения или понижения напряжения можно объяснить законом Ленца: магнитный поток, создаваемый индуцированным током, всегда противодействует изменению исходного магнитного потока. Когда исходный поток увеличивается, индуцированный поток действует в противоположном направлении. Это означает, что индуцированный магнитный поток во вторичной обмотке противодействует основному потоку, создаваемому первичной обмоткой, что приводит к преобразованию переменного напряжения на вторичной обмотке. Таким образом, железный сердечник служит магнитной цепью трансформатора, а обмотки образуют его электрическую цепь.

2. Классификация сердечников трансформаторов.

Железные сердечники оболочечного и сердечникового типа.
Часть железного сердечника, в которой размещены обмотки, называется «отделом сердечника», а часть, которая не содержит обмоток и служит исключительно магнитным путем, называется «ярмом». Если железный сердечник окружает обмотки, его называют сердечником оболочечного типа; если обмотки охватывают плечи сердечника, это называется сердечником сердечника. Хотя оба имеют разные характеристики, производственные процессы, продиктованные их структурными конструкциями, существенно различаются, что затрудняет переключение между ними после выбора. В Китае большинство сердечников трансформаторов имеют многослойную структуру.

Кремниевая сталь обычно используется для низкочастотных трансформаторов. В зависимости от производственного процесса их подразделяют на:
A. Отожженные (черные листы)
N. Неотожженные (белые листы)

В зависимости от формы они делятся на типы EI, UI, C и квадратные (□).

• Квадратный (□) тип: часто используются в мощных трансформаторах, обеспечивают отличную изоляцию, легкий отвод тепла и короткий магнитный путь. В основном они используются для трансформаторов мощностью более 500–1000 Вт.

• Тип CD: Состоит из двух листов кремниевой стали C-типа. Для трансформаторов типа CD с одинаковой площадью поперечного сечения большая высота окна соответствует большей мощности. Поскольку катушки можно устанавливать с обеих сторон сердечника, общее количество витков можно распределить по двум бобинам. Это уменьшает среднюю длину витка на бобину, снижая потери в меди. Кроме того, размещение симметричных катушек на отдельных бобинах обеспечивает идеальную симметрию.

• Тип ED: Трансформаторы типа ED состоят из четырех листов кремниевой стали C-типа и имеют плоский широкий профиль. При той же мощности они короче, но шире, чем модели CD. Поскольку катушки установлены в центре кремнистой стали с внешним магнитным путем, поток рассеяния и общие помехи минимальны. Однако, поскольку все катушки намотаны на одну толстую бобину, средняя длина витка больше, что приводит к более высоким потерям в меди.

• Тип C: Трансформаторы, изготовленные из сердечников типа C, компактны, легки и высокоэффективны. С точки зрения сборки компоненты C-типа немногочисленны и очень универсальны, что обеспечивает высокую эффективность производства. Однако обработка кремнистой стали C-типа включает в себя множество сложных этапов и требует специального оборудования, что в настоящее время делает их более дорогими.

• Тип E (тип Shell / тип EI): его основное преимущество заключается в том, что первичная и вторичная катушки имеют общую бобину, что обеспечивает высокий коэффициент площади окна (отношение чистой площади поперечного сечения медного провода к площади окна). Кремниевая сталь образует защитную оболочку вокруг обмоток, предотвращая механические повреждения. Он также предлагает большую площадь рассеивания тепла и низкие рассеянные магнитные поля. Однако он страдает от более высокой индуктивности рассеяния и большей восприимчивости к внешним магнитным помехам. Кроме того, из-за большего среднего периметра обмоток трансформаторам типа EI требуется больше медного провода для того же количества витков и сечения сердечника.

Толщина и методы укладки:
Обычная толщина кремнистой стали составляет 0,35 мм и 0,5 мм. Методы сборки включают чередующуюся укладку и укладку встык. При чередующейся укладке чередуются открытые концы листов на противоположных сторонах. Хотя это и утомительно, это сводит к минимуму воздушные зазоры и магнитное сопротивление, максимизируя магнитный поток, что делает его идеальным для силовых трансформаторов. При укладке встык E-листы и I-листы располагаются на противоположных сторонах, оставляя воздушный зазор (регулируемый с помощью бумажных вставок) для предотвращения насыщения, вызванного постоянным током (DC).

3. Типы катушек
Катушки/сердечники делятся на три категории:
A. Тороидальный сердечник: Собран из О-образных пластин или намотан из полос кремнистой стали. Намотка для этого типа является довольно сложной задачей.
Б. Род Кор.
C. Сердцевина барабана.

3. Классификация материалов сердечника трансформатора.

1. Категория высоких частот: сердечники из железного порошка и ферритовые сердечники
Ферритовые сердечники используются в высокочастотных трансформаторах. Это керамические материалы с кристаллической структурой шпинели, состоящие из оксида железа и других соединений двухвалентных металлов (например, kFe₂O₄, где «k» обозначает такие металлы, как марганец (Mn), цинк (Zn), никель (Ni), магний (Mg) или медь (Cu)).
Общие комбинации включают серии MnZn, NiZn и MgZn. Эти материалы обладают высокой проницаемостью и импедансом, эффективно работая в диапазоне от 1 кГц до более 200 кГц.

• Диапазон частот ферритового сердечника: 18 кГц ~ 1 МГц и выше.

2. Категория низкочастотных частот: кремниевая сталь и аморфные сплавы.

• Частотный диапазон кремниевого стального сердечника: 5 Гц ~ 1 кГц. Стандартные трансформаторы из кремниевой стали обычно работают на частоте 50 Гц. Хотя более высокие частоты могут повысить эффективность в зависимости от номинала кремниевой стали по Гауссу, аудиоприложения с частотой выше 20 кГц непрактичны. Рекомендуемый диапазон составляет 50–60 Гц, хотя они могут нормально работать в диапазоне 50–200 Гц.

• Диапазон частот аморфного ядра: 2 кГц ~ 13 кГц.