Zakaj se v jedrih transformatorjev uporabljajo silikatne jeklene ploščice – zmanjšanje izgub zaradi vrtilnih tokov
Zakaj zmanjšati drugi tip železnih izgub—izgube zaradi vrtilnih tokov?
Ko transformator deluje, preko njegovih vijakov teče napravni tok, ki ustvari odgovarjajoče spremenljiv gibanje magnetnega toka. To spremenljivo gibanje inducira tokove znotraj železnega jedra. Ti inducirani toki cirkulirajo v ravninah pravokotno na smer magnetnega toka in oblikujejo zaprti krug—zato se imenujejo vrtilni tokovi. Izgube zaradi vrtilnih tokov tudi povzročajo segrevanje jedra.
Zakaj so jedra transformatorjev izdelana iz silikatnih jeklenih ploščic?
Silikatno jeklo—legiran jekel, ki vsebuje silicij (tudi "silicij" ali "Si") z vsebnostjo med 0,8 % in 4,8 %—se pogosto uporablja za jedra transformatorjev. Razlog leži v močni magnetni prepustnosti silikatnega jekla. Kot zelo učinkovit magnetni material lahko pri podaljšanju ustvari visoko gostoto magnetnega toka, kar omogoča, da se transformatorji naredijo bolj kompaktni.
Kot vemo, realni transformatorji delujejo v pogojih napravnega toka (AC). Izgube moči nastopajo ne le zaradi upora v vijakih, ampak tudi znotraj železnega jedra zaradi ciklične magnetizacije. Ta jedrska izguba moči se imenuje "železna izguba", ki se sestavlja iz dveh komponent:
Izguba zaradi histereze
Izguba zaradi vrtilnih tokov
Izguba zaradi histereze izhaja iz pojavnosti histereze med procesom magnetizacije jedra. Velikost te izgube je sorazmerna s površino, ki jo omejuje histerezna zanka materiala. Silikatno jeklo ima ozko histerezno zanko, kar povzroča nižjo izgubo zaradi histereze in znatno zmanjšano segrevanje.
Zaradi teh prednosti, zakaj se za jedro ne uporablja celotnega bloka silikatnega jekla? Zakaj se namesto tega obdeluje v tanke ploščice?
Odgovor je, da se zmanjša druga komponenta železnih izgub—izgube zaradi vrtilnih tokov.
Kot smo omenili, spremenljivo gibanje magnetnega toka inducira vrtilne tokove v jedru. Za zmanjšanje teh tokov so jedra transformatorjev sestavljena iz tankih silikatnih jeklenih ploščic, ki so med seboj izolirane in postavljene ene na druge. Ta dizajn omejuje vrtilne tokove na užje, dolge poti z manjšimi prečnimi ploskvami, s tem povečuje električni upor v njihovih potekih. Dodatek silicija v legiro poveča še električni upornost samega materiala, kar dodatno utisuje nastanek vrtilnih tokov.
Običajno se za jedra transformatorjev uporabljajo hladno valjeni silikatni jekleni listi debeli približno 0,35 mm. Glede na zahtevane dimenzije jedra se ti listi režejo v dolge trake in nato postavljajo v konfiguraciji "日" (dvojni okvir) ali enojnega okvirja.
Teoretično, čim tanklejši list in užje trake, manjše izgube zaradi vrtilnih tokov—kar povzroča nižjo temperaturno povečavo in zmanjšano porabo materiala. Vendar pa v dejanski proizvodnji oblikovalci ne optimizirajo le glede na zmanjšanje vrtilnih tokov. Uporaba zelo tankih ali užjih trak bi veliko povečala čas in stroške proizvodnje, medtem ko bi zmanjšali učinkovito prečno ploskev jedra. Zato morajo inženirji, ko izdelujete silikatna jeklena jedra, skrbno uravnovesiti tehnične zmogljivosti, učinkovitost proizvodnje in stroške, da izberete optimalne dimenzije.
