Hvad er fordele og ulemper ved at bruge ferromagnetisk materiale i transformatorer

Fordele

• Høj magnetisk permeabilitet: Ferromagnetiske materialer har høj magnetisk permeabilitet, hvilket betyder, at de kan generere en stor magnetisk induktion under en relativt lille magnetfeltstyrke. I en transformer tillader brugen af ferromagnetiske materialer til kernen, at det meste af det magnetiske felt, der genereres af vindingerne, koncentreres inden i kernen, hvilket forbedrer effekten af magnetfeltkoblingen. Dette forbedrer dermed transformernes elektromagnetiske konverteringseffektivitet, og gør det muligt for dem at overføre og transformere elektrisk energi mere effektivt.

• Lav hystereses tab: Hysteresis refererer til fænomenet, hvor ændringen i magnetisk induktion forsinkes i forhold til ændringen i magnetfeltstyrken i et magnetisk materiale under et alternerende magnetfelt, hvilket resulterer i energitab. Ferromagnetiske materialer som siliciumstålplader har en relativt lille hystereses løkkeareal. Dette indikerer, at i et alternerende magnetfelt er energitabet, der skyldes hysteresefænomenet, relativt lavt, hvilket hjælper med at forbedre effektiviteten af transformeren og reducere energispild.

• Lav virvelstrømstab: Når en transformer er i drift, inducerer det alternerende magnetfelt en elektrisk strøm, kendt som en virvelstrøm, i kernen. Virvelstrømmer får kernen til at opvarme og resulterer i energitab. Ved at bruge ferromagnetiske materialer med høj resistivitet og lave kernen til tynde plader (som siliciumstålplader), der er isoleret fra hinanden, kan stien for virvelstrømmen effektivt reduceres, hvilket nedbringer virvelstrømstab og forbedrer ydeevnen og pålideligheden af transformeren.

• God satureringsegenskaber: Ferromagnetiske materialer kan opretholde gode lineære magnetiske egenskaber inden for en bestemt område af magnetfeltstyrken og går kun i saturerings tilstand, når magnetfeltstyrken når en bestemt værdi. Denne egenskab gør det muligt for transformeren at stabil overføre elektrisk energi under normal drift. Desuden, i ualmindelige situationer som overbelastning, kan kernens satureringsegenskab begrænse yderligere stigning i transformercurrenten, og give en vis grad af beskyttelse.

Ulemper

• Hystereses og virvelstrømstab: Selvom hystereses og virvelstrømstab af ferromagnetiske materialer er relativt lav, genererer disse tab varme under den langsigtede drift af transformeren, hvilket fører til, at temperaturen i transformeren stiger. For at sikre normal drift af transformeren, skal effektive varmeafgivelsesforanstaltninger træffes, hvilket øger design- og produktionssomkostningerne for transformeren.

• Tung vægt: Ferromagnetiske materialer har en relativt høj densitet. Brug af ferromagnetiske materialer til at producere kernen i transformeren øger den samlede vægt af transformeren. Dette skaber ikke kun vanskeligheder i transport og installation af transformeren, men kan også kræve en mere robust understøttelsesstruktur, hvilket yderligere øger kostningerne.

• Betydelig temperaturindflydelse: De magnetiske egenskaber af ferromagnetiske materialer påvirkes af temperatur. Når driftstemperaturen for transformeren stiger, falder magnetisk permeabilitet af ferromagnetisk materiale, og hystereses og virvelstrømstab stiger, hvilket påvirker ydeevnen og effektiviteten af transformeren. Derfor skal, når man designer en transformer, indflydelsen af temperatur på egenskaberne af ferromagnetiske materialer tages i betragtning, og tilsvarende temperaturkompensationsforanstaltninger skal træffes.

• Mulig støjgenerering: Under drift af transformeren, pga. magnetostriktions effekten af kernen, vibrerer ferromagnetisk materiale mekanisk, hvilket genererer støj. Denne støj påvirker ikke bare omgivelserne, men kan også påvirke servicelevetiden og pålideligheden af transformeren. For at reducere støj, skal specielle design- og produktionsprocesser, såsom brug af lav-støj kernematerialer og optimering af kernen, anvendes.