چگونه فولاد سیلیسیم از تلفات هسته ترانسفورماتور کاهش می‌دهد؟

چرا از صفحات فولاد سیلیسیم در هسته‌های ترانسفورماتور استفاده می‌شود – کاهش ضرر جریان‌های دوگانه

چرا باید نوع دیگر ضرر آهن—ضرر جریان‌های دوگانه—کاهش یابد؟
هنگامی که یک ترانسفورماتور کار می‌کند، جریان متناوب از طریق پیچه‌های آن می‌گذرد و یک شار مغناطیسی متناوب متناظر با آن ایجاد می‌کند. این شار مغناطیسی متغیر جریان‌هایی را در هسته آهنی القا می‌کند. این جریان‌های القایی در صفحات عمود بر جهت شار مغناطیسی حرکت می‌کنند و حلقه‌های بسته‌ای را تشکیل می‌دهند—به همین خاطر به آن‌ها جریان‌های دوگانه گفته می‌شود. ضرر جریان‌های دوگانه نیز باعث گرم شدن هسته می‌شود.

چرا هسته‌های ترانسفورماتور از صفحات فولاد سیلیسیم ساخته می‌شوند؟

فولاد سیلیسیم—یک آلیاژ فولادی شامل سیلیسیم (که به آن "سیلیسیم" یا "Si" نیز گفته می‌شود) با محتوای سیلیسیم بین 0.8٪ تا 4.8٪—معمولاً برای هسته‌های ترانسفورماتور استفاده می‌شود. دلیل این امر قابلیت نفوذ مغناطیسی قوی فولاد سیلیسیم است. به عنوان یک ماده مغناطیسی بسیار کارآمد، می‌تواند زمانی که انرژی دارد، چگالی شار مغناطیسی بالایی تولید کند و اجازه می‌دهد ترانسفورماتورها فشرده‌تر ساخته شوند.

همانطور که می‌دانیم، ترانسفورماتورهای واقعی تحت شرایط جریان متناوب (AC) کار می‌کنند. ضرر قدرت نه تنها به دلیل مقاومت در پیچه‌ها بلکه به دلیل مغناطیس‌سازی دوره‌ای در هسته آهنی نیز رخ می‌دهد. این ضرر مربوط به هسته به عنوان "ضرر آهن" شناخته می‌شود که شامل دو مؤلفه است:

• ضرر هیسترزیس

• ضرر جریان‌های دوگانه

ضرر هیسترزیس از پدیده هیسترزیس مغناطیسی در طول فرآیند مغناطیس‌سازی هسته ناشی می‌شود. مقدار این ضرر متناسب با مساحت محصور شده توسط حلقه هیسترزیس ماده است. فولاد سیلیسیم حلقه هیسترزیس باریکی دارد که منجر به کاهش ضرر هیسترزیس و کاهش چشمگیر گرم شدن می‌شود.

با توجه به این مزایا، چرا از یک بلاک جامد فولاد سیلیسیم برای هسته استفاده نمی‌شود؟ چرا به جای آن به صفحات رقیق پردازش می‌شود؟

پاسخ برای کاهش مؤلفه دوم ضرر آهن—ضرر جریان‌های دوگانه—است.

همانطور که قبلاً ذکر شد، شار مغناطیسی متناوب جریان‌های دوگانه را در هسته القا می‌کند. برای کمینه کردن این جریان‌ها، هسته‌های ترانسفورماتور از صفحات رقیق فولاد سیلیسیم ساخته می‌شوند که از یکدیگر جدا شده و روی هم تراشیده می‌شوند. این طراحی جریان‌های دوگانه را به مسیرهای باریک و طولانی با مقطع مساحت کوچکتر محدود می‌کند و بنابراین مقاومت الکتریکی در طول مسیرهای جریان آن‌ها را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، افزودن سیلیسیم به آلیاژ مقاومت الکتریکی خود ماده را افزایش می‌دهد و تشکیل جریان‌های دوگانه را بیشتر مهار می‌کند.

معمولاً هسته‌های ترانسفورماتور از صفحات فولاد سیلیسیم ترد شده با ضخامت حدود 0.35 میلی‌متر استفاده می‌کنند. بر اساس ابعاد مورد نیاز هسته، این صفحات به نوارهای طولانی برش داده می‌شوند و سپس به صورت "日" (دو پنجره) یا پنجره تک تراشیده می‌شوند.

در نظریه، هرچه صفحه رقیق‌تر و نوارهای باریک‌تر باشد، ضرر جریان‌های دوگانه کمتر خواهد بود—که منجر به کاهش افزایش دما و کاهش استفاده از ماده می‌شود. اما در تولید واقعی، طراحان فقط بر اساس کمینه کردن جریان‌های دوگانه بهینه‌سازی نمی‌کنند. استفاده از صفحات بسیار رقیق یا نوارهای بسیار باریک زمان و کار تولید را به شدت افزایش می‌دهد و مقطع موثر هسته را کاهش می‌دهد. بنابراین، هنگام ساخت هسته‌های فولاد سیلیسیم، مهندسان باید عملکرد فنی، کارایی تولید و هزینه را دقیقاً متعادل کنند تا ابعاد بهینه را انتخاب کنند.