Zašto se silicijske čelikove ploče koriste u jezgrima transformatora – Smanjenje gubitaka struja vrtloga
Zašto smanjiti drugi tip gubitaka željeza—gubitke struja vrtloga?
Kada transformator radi, nizosmerna struja teče kroz njegove zavojnice, proizvodeći odgovarajuće nizosmerno magnetno fluks. Ova promenljiva fluks indukuje struje unutar željeznog jezgra. Ove indukovane struje cirkulišu u ravnima okomite na pravac magnetnog fluksa, formirajući zatvorene petlje—zbog čega se nazivaju strujama vrtloga. Gubitci struja vrtloga takođe dovode do zagrevanja jezgra.
Zašto su jezgra transformatora izrađena od silicijskih čelikovih ploča?
Silicijski čelik—legura čelika koja sadrži silicij (poznat i kao "silicij" ili "Si") sa sadržajem silicija između 0.8% i 4.8%—se često koristi za jezgra transformatora. Razlog leži u jakoj magnetnoj prolaznosti silicijskog čelika. Kao vrlo efikasni magnetni materijal, može proizvesti visoku gustinu magnetnog fluksa kada je pod napajanjem, omogućavajući da se transformatori prave kompaktniji.
Kao što znamo, stvarni transformatori rade pod uslovima nizosmene struje (AC). Gubitci snage se javljaju ne samo zbog otpora u zavojnicama, već i unutar željeznog jezgra zbog ciklične magnetizacije. Ovi gubitci snage vezani za jezgro poznati su kao "gubitci željeza", koji se sastoje od dva komponenta:
Gubitak histerese
Gubitak struja vrtloga
Gubitak histerese nastaje zbog fenomena magnetske histerese tokom procesa magnetizacije jezgra. Veličina ovog gubitka je proporcionalna površini okruženoj histeresnim ciklusom materijala. Silicijski čelik ima uski histeresni ciklus, što dovodi do nižih gubitaka histerese i značajno smanjenog zagrevanja.
Uz ove prednosti, zašto se ne koristi čvrsta blok silicijskog čelika za jezgro? Zašto se umesto toga obrađuje u tanke ploče?
Odgovor je da se smanji drugi komponent gubitaka željeza—gubitak struja vrtloga.
Kao što je prethodno spomenuto, nizosmerni magnetni fluks indukuje struje vrtloga u jezgru. Da bi se ove struje smanjile, jezgra transformatora su konstruisana od tankih silicijskih čelikovih ploča koje su izolovane jedna od druge i složene zajedno. Ovaj dizajn ograničava struje vrtloga na uske, duge puteve sa manjim poprečnim presjecima, time povećavajući električni otpor duž njihovih putova. Dodatno, dodatak silicija u leguru povećava električnu rezistivnost materijala samog, dalje suzbijajući formiranje struja vrtloga.
Obično, jezgra transformatora koriste hladno valjane silicijske čelikove ploče debljine oko 0.35 mm. Na osnovu potrebnih dimenzija jezgra, ove ploče se režu na dugačke trake i zatim se slože u "日" (dvostrukoprolazni) ili jednoprolazni konfiguracije.
Teoretski, što je tankija ploča i uža traka, manji su gubitci struja vrtloga—što dovodi do nižeg porasta temperature i smanjenog korišćenja materijala. Međutim, u stvarnoj proizvodnji, dizajneri ne optimizuju isključivo na osnovu smanjenja struja vrtloga. Koriscenje ekstremno tankih ili užih traka bi značajno povećalo vreme proizvodnje i rad, smanjujući efektivnu poprečnu površinu jezgra. Stoga, kada se izrađuju silicijska čelika jezgra, inženjeri moraju pažljivo ravnotežiti tehničke performanse, efikasnost proizvodnje i troškove kako bi odabrali optimalne dimenzije.
