چرا هسته های ترانسفورماتور به جای جامد روی هم چیده می شوند؟

چرا از فولاد سیلیکون برای هسته های ترانسفورماتور استفاده می شود؟

فولاد سیلیکونی یک ماده مغناطیسی با محتوای سیلیکون در حدود 0.8٪ تا 4.8٪ است. دارای رسانایی مغناطیسی قوی است، بنابراین یک سیم پیچ پرانرژی می تواند چگالی شار مغناطیسی بالایی در هسته ایجاد کند که باعث کاهش اندازه و وزن ترانسفورماتور می شود. علاوه بر این، سیلیکون مقاومت الکتریکی فولاد را افزایش می دهد که به محدود کردن جریان های گردابی کمک می کند.

دو منبع از دست دادن آهن

یک ترانسفورماتور که بر روی جریان متناوب کار می کند، نه تنها در مقاومت سیم پیچ، بلکه در هسته، که به طور مداوم مغناطیسی و مغناطیسی می شود، افت توان را تجربه می کند. این از دست دادن هسته، از دست دادن آهن نامیده می شود و دارای دو جزء است: افت هیسترزیس و افت جریان گردابی.

از دست دادن هیسترزیس

از دست دادن پسماند توسط پدیده هیسترزیس در فرآیند مغناطیسی هسته ایجاد می شود. بزرگی آن متناسب با ناحیه محصور شده توسط حلقه پسماند ماده است. فولاد سیلیکونی دارای یک حلقه پسماند باریک است، بنابراین یک هسته ساخته شده از فولاد سیلیکونی تلفات کمی پسماند دارد و گرمای کمتری تولید می کند.

از دست دادن جریان گردابی

هنگامی که ترانسفورماتور کار می کند، شار متناوب جریان هایی را در هسته القا می کند. این جریان های القایی در صفحات عمود بر جهت شار گردش می کنند و جریان گردابی نامیده می شوند. تلفات جریان گردابی نیز هسته را گرم می کند و باید با طراحی به حداقل برسد.

چرا هسته از ورقه های نازک انباشته شده است

برای کاهش تلفات جریان گردابی، هسته از ورق های فولادی سیلیکونی نازک که از یکدیگر عایق شده اند، انباشته می شود. پوشش عایق مسیر جریان گردابی را به بخش‌های باریک می‌شکند و مقاومت در طول مدار جریان گردابی را افزایش می‌دهد و مقدار جریان را کاهش می‌دهد. محتوای سیلیکون باعث افزایش بیشتر مقاومت ماده می شود. به همین دلیل است که هسته‌های ترانسفورماتور به جای ماشینکاری از فولاد جامد، لایه‌بندی می‌شوند.

ضخامت لمینیت و تجارت عملی-خفیف

برای ترانسفورماتورهای توزیع، معمولاً ورق‌های فولادی سیلیکونی نورد سرد با ضخامت 0.35 میلی‌متر انتخاب می‌شوند، در حالی که طرح‌های با راندمان بالاتر از مواد 0.23، 0.27 یا 0.30 میلی‌متر استفاده می‌کنند. ورق ها با توجه به ابعاد هسته به صورت نوار بریده می شوند و روی هم قرار می گیرند تا هسته را تشکیل دهند. در اصل، ورقه‌های نازک‌تر و نوارهای باریک‌تر، تلفات جریان گردابی را به طور موثرتری کاهش می‌دهند، که باعث کاهش تلفات و افزایش دما می‌شود. با این حال، ورقه‌های بسیار نازک، کار تولید را افزایش می‌دهند و به دلیل سهم بیشتر عایق بین ورق‌ها، سطح مقطع مؤثر- هسته را کاهش می‌دهند. بنابراین طراحان عملکرد از دست دادن، ضریب انباشتگی و هزینه تولید را برای انتخاب اندازه لمینیت بهینه متعادل می کنند.

شکل های هسته و مونتاژ

هسته‌های چند لایه به شکل‌هایی مانند نوع EI برای واحدهای تک فاز و پنجره یا پیکربندی سه پایه برای ترانسفورماتورهای سه فاز مونتاژ می‌شوند. ورقه‌ها در محل اتصالات به هم می‌پیوندند تا عدم تمایل شکاف هوا را کاهش دهند و مدار مغناطیسی را پیوسته نگه دارند.

مشخصات ساخت هسته

جدول زیر مشخصات ساخت هسته معمولی برای هسته‌های چند لایه کوچک را نشان می‌دهد که a ضخامت ساخت، b عرض پنجره، c ارتفاع هسته، d عرض هسته و e طول هسته است.

سوالات متداول

Q1: چرا هسته ترانسفورماتور را از یک تکه فولاد جامد نمی سازیم؟

یک هسته جامد به جریان‌های گردابی بزرگ اجازه می‌دهد تا در فولاد به گردش درآیند و باعث تلفات جریان گردابی و گرمایش بیش از حد شود. لمینت کردن هسته به ورق های عایق نازک مسیرهای جریان گردابی را می شکند و این تلفات را به طور چشمگیری کاهش می دهد.

Q2: تفاوت بین افت هیسترزیس و افت جریان گردابی چیست؟

از دست دادن پسماند از انرژی لازم برای معکوس کردن حوزه های مغناطیسی در هر چرخه AC ناشی می شود و به ناحیه حلقه پسماند بستگی دارد. از دست دادن جریان گردابی ناشی از جریان های القا شده در هسته توسط شار متناوب است و به مقاومت و ضخامت لایه بندی بستگی دارد.

Q3: چرا سیلیکون به فولاد ترانسفورماتور اضافه می شود؟

سیلیکون مقاومت الکتریکی فولاد را افزایش می‌دهد، با باریک کردن حلقه پسماند، افت پسماند را کاهش می‌دهد، و انقباض مغناطیسی را کاهش می‌دهد که همگی بازده ترانسفورماتور را بهبود می‌بخشد.

Q4: چه ضخامت لمینیت برای هسته های ترانسفورماتور معمول است؟

ضخامت‌های معمول برای ترانسفورماتورهای توزیع استاندارد 0.35 میلی‌متر و برای طرح‌های با راندمان بالاتر 0.23، 0.27 میلی‌متر یا 0.30 میلی‌متر است.

Q5: ضریب انباشته شدن یک هسته چند لایه چیست؟

ضریب انباشتگی نسبت مقطع-فولاد واقعی به مقطع هندسی- هسته است که معمولاً 0.95-0.98 است. با پوشش عایق روی هر لمینیت و شکاف هوا بین ورق ها کاهش می یابد.

Q6: آیا لمینیت های نازک تر همیشه عملکرد ترانسفورماتور را بهبود می بخشد؟

لمینیت های نازک تر تلفات جریان گردابی را کاهش می دهند، اما هزینه ساخت را افزایش می دهند و ضریب انباشتگی را کاهش می دهند. ضخامت بهینه کاهش تلفات را در مقابل عملی بودن تولید و هزینه متعادل می کند.