Защо се използват силиконови стоманени плочки в ядрата на трансформаторите – намаляване на загубите от завихряващи се токове
Защо да се намали другият тип железен загуба – загубата от завихряващи се токове?
Когато трансформаторът работи, променлив ток протича през неговите обмотки, произвеждайки съответно променлив магнитен поток. Този променлив поток индуцира токове във железното ядро. Тези индуцирани токове циркулират в равнини, перпендикулярни на посоката на магнитния поток, формирайки затворени петли – затова се наричат завихряващи се токове. Загубите от завихряващи се токове също причиняват разгрев на ядрото.
Защо ядрата на трансформаторите се правят от силиконови стоманени плочки?
Силиконовата стомана – стоманен сплав, съдържаща силикон (също известен като "силикон" или "Si") със съдържание между 0,8% и 4,8% – често се използва за ядра на трансформатори. Причината е в силната магнитна проникнатост на силиконовата стомана. Като високо ефективен магнитен материал, тя може да произведе висока густина на магнитния поток, когато е под напрежение, позволявайки трансформаторите да бъдат направени по-компактни.
Както знаем, реалните трансформатори работят при условията на променлив ток (AC). Енергийните загуби се появяват не само поради съпротивлението в обмотките, но и в железното ядро поради циклична намагничиваност. Тази свързана с ядрото енергийна загуба се нарича "железна загуба", която се състои от две компоненти:
Загуба от хистерезис
Загуба от завихряващи се токове
Загубата от хистерезис произтича от феномена на магнитен хистерезис по време на процеса на намагничаване на ядрото. Големината на тази загуба е пропорционална на площта, обградена от хистерезисната петля на материала. Силиконовата стомана има тясна хистерезисна петля, което води до по-ниска загуба от хистерезис и значително намалено разгреване.
При дадените предимства, защо не се използва твърдо блокче от силиконова стомана за ядрото? Защо вместо това се обработва в тънки плочки?
Отговорът е да се намали втората компонента на железната загуба – загубата от завихряващи се токове.
Както беше споменато, променливият магнитен поток индуцира завихряващи се токове в ядрото. За да се минимизират тези токове, ядрата на трансформаторите се конструират от тънки силиконови стоманени плочки, които са изолирани един от друг и стопани заедно. Този дизайн ограничава завихряващите се токове до тесни, удължени пътища с по-малки поперечни сечения, увеличавайки електрическото съпротивление по техните пътища. Освен това добавянето на силикон в сплавта увеличава електрическата резистивност на самия материал, допълнително поддавайки формирането на завихряващи се токове.
Обикновено, ядрата на трансформаторите използват студено валчести силиконови стоманени плочки с дебелина около 0,35 мм. В зависимост от необходимите размери на ядрото, тези плочки се режат на дълги ленти и след това се стопяват в "日" (двупролезната) или еднопролезната конфигурация.
В теория, колкото по-тънка е плочката и колкото по-тесни са лентите, толкова по-малка е загубата от завихряващи се токове – което води до по-ниско температурно повишаване и намалено използване на материал. Обаче, в действителното производство, дизайнерите не оптимизират единствено на основата на минимизиране на завихряващите се токове. Използването на изключително тънки или тесни ленти би увеличило значително времето за производство и труд, а също така би намалило ефективното поперечно сечение на ядрото. Поради това, при изработка на силиконови стоманени ядра, инженерите трябва внимателно да балансират техническата ефективност, производствената ефективност и цената, за да изберат оптималните размери.
