Jak silikátová ocel snižuje ztráty v jádře transformátoru

Proč se v jádrech transformátorů používají silikátové ocelové plechy – snižování ztrát vířivých proudů

Proč snižovat druhou formu železné ztráty – ztráty vířivých proudů?
Když transformátor funguje, střídavý proud prochází jeho vinutím, což vytváří odpovídající střídavý magnetický tok. Tento měnící se tok indukuje proudy uvnitř železného jádra. Tyto indukované proudy cirkulují v rovinách kolmých na směr magnetického toku, tvoří uzavřené smyčky – proto se nazývají vířivé proudy. Ztráty vířivých proudů také způsobují zahřívání jádra.

Proč jsou jádra transformátorů vyrobena ze silikátových ocelových plechů?

Silikátová ocel – slitina oceli obsahující křemičitan (také známý jako "křemík" nebo "Si") s obsahem křemíku mezi 0,8 % a 4,8 % – se často používá pro jádra transformátorů. Důvodem je silná magnetická průchodnost silikátové oceli. Jako velmi efektivní magnetický materiál může při napájení produkovat vysokou hustotu magnetického toku, což umožňuje vyrábět kompaktnější transformátory.

Jak víme, skutečné transformátory fungují za podmínek střídavého proudu (AC). Ztráty energie se vyskytují nejen kvůli odporu v vinutích, ale také uvnitř železného jádra kvůli cyklickému namagnetování. Tato ztráta energie spojená s jádrem se nazývá "železná ztráta", která se skládá ze dvou složek:

• Ztráta hystereze

• Ztráta vířivých proudů

Ztráta hystereze vzniká z fenoménu magnetické hystereze během procesu namagnetování jádra. Velikost této ztráty je úměrná ploše uzavřené hysterezovou smyčkou materiálu. Silikátová ocel má úzkou hysterezovou smyčku, což vede k nižším ztrátám hystereze a výrazně sníženému zahřívání.

S ohledem na tyto výhody, proč se nepoužívá pevný blok silikátové oceli pro jádro? Proč se místo toho zpracovává do tenkých plechů?

Odpověď je, aby byla snížena druhá složka železné ztráty – ztráta vířivých proudů.

Jak již bylo zmíněno, střídavý magnetický tok indukuje vířivé proudy v jádru. Aby byly tyto proudy minimalizovány, jsou jádra transformátorů vytvářena z tenkých silikátových ocelových plechů, které jsou od sebe izolovány a složeny do hromad. Toto uspořádání omezí vířivé proudy na úzké a dlouhé cesty s menšími průřezy, což zvyšuje elektrický odpor v jejich toku. Kromě toho přidání křemíku do slitiny zvyšuje elektrickou rezistivitu samotného materiálu, což dále potlačuje formování vířivých proudů.

Typicky se pro jádra transformátorů používají hořce valené silikátové ocelové plechy o tloušťce asi 0,35 mm. Na základě požadovaných rozměrů jádra jsou tyto plechy rozřezány na dlouhé pásy a pak složeny do konfigurace "日" (dvojitý okénko) nebo jednooké konfigurace.

Teoreticky, čím tenčí plech a čím úzkéjsí pásy, tím menší ztráta vířivých proudů – což vede ke snížení teplotního nárůstu a snížení spotřeby materiálu. Nicméně, ve skutečném výrobě navrhovatelé neoptimalizují pouze na základě minimalizace vířivých proudů. Použití extrémně tenkých nebo úzkých pásů by výrazně prodloužilo výrobní dobu a práci, zatímco by snížilo efektivní průřez jádra. Proto musí inženýři při výrobě silikátových ocelových jader pečlivě vyvažovat technické výkony, výrobní efektivitu a náklady, aby vybrali optimální rozměry.