Tại sao sử dụng thép silic trong lõi biến áp – Giảm tổn thất dòng xoáy
Tại sao cần giảm loại tổn thất sắt khác - tổn thất dòng xoáy?
Khi biến áp hoạt động, dòng điện xoay chiều chảy qua cuộn dây của nó, tạo ra từ thông xoay chiều tương ứng. Từ thông thay đổi này gây ra các dòng điện trong lõi sắt. Các dòng điện được cảm ứng này lưu chuyển trong các mặt phẳng vuông góc với hướng của từ thông, hình thành các vòng kín - vì vậy chúng được gọi là dòng xoáy. Tổn thất do dòng xoáy cũng làm lõi nóng lên.
Tại sao lõi biến áp được làm bằng thép silic?
Thép silic - một hợp kim thép chứa silic (còn được gọi là "silic" hoặc "Si") với hàm lượng silic từ 0,8% đến 4,8% - thường được sử dụng cho lõi biến áp. Lý do nằm ở tính thấm từ mạnh của thép silic. Là vật liệu từ tính hiệu quả cao, nó có thể tạo ra mật độ từ thông lớn khi được kích thích, cho phép biến áp được chế tạo nhỏ gọn hơn.
Như chúng ta biết, biến áp thực tế hoạt động dưới điều kiện dòng điện xoay chiều (AC). Tổn thất công suất xảy ra không chỉ do sức cản trong cuộn dây mà còn do từ hóa tuần hoàn trong lõi sắt. Tổn thất công suất liên quan đến lõi này được gọi là "tổn thất sắt", bao gồm hai thành phần:
Tổn thất hysteresis
Tổn thất dòng xoáy
Tổn thất hysteresis xuất phát từ hiện tượng hysteresis từ trong quá trình từ hóa lõi. Độ lớn của tổn thất này tỷ lệ thuận với diện tích bị bao bởi vòng hysteresis của vật liệu. Thép silic có vòng hysteresis hẹp, dẫn đến tổn thất hysteresis thấp và giảm đáng kể nhiệt độ.
Với những ưu điểm này, tại sao không sử dụng khối thép silic rắn cho lõi? Tại sao lại xử lý thành các tấm mỏng?
Câu trả lời là để giảm thành phần thứ hai của tổn thất sắt - tổn thất dòng xoáy.
Như đã đề cập, từ thông xoay chiều gây ra dòng xoáy trong lõi. Để giảm thiểu các dòng này, lõi biến áp được xây dựng từ các tấm thép silic mỏng được cách điện với nhau và xếp chồng lên. Thiết kế này hạn chế dòng xoáy vào các đường đi hẹp và dài, có diện tích cắt ngang nhỏ, do đó tăng sức cản điện dọc theo đường đi của chúng. Ngoài ra, việc thêm silic vào hợp kim tăng cường độ kháng điện của vật liệu, giúp ức chế sự hình thành dòng xoáy.
Thông thường, lõi biến áp sử dụng các tấm thép silic cán nguội dày khoảng 0,35 mm. Dựa trên kích thước lõi yêu cầu, các tấm này được cắt thành các dải dài và sau đó xếp chồng theo cấu hình “日” (hai cửa sổ) hoặc một cửa sổ.
Theo lý thuyết, tấm càng mỏng và dải càng hẹp, tổn thất dòng xoáy càng nhỏ - dẫn đến tăng nhiệt độ thấp hơn và giảm lượng vật liệu sử dụng. Tuy nhiên, trong sản xuất thực tế, các nhà thiết kế không tối ưu hóa duy nhất dựa trên việc giảm thiểu dòng xoáy. Sử dụng các dải cực kỳ mỏng hoặc hẹp sẽ tăng đáng kể thời gian và lao động sản xuất, đồng thời giảm diện tích cắt ngang hiệu quả của lõi. Do đó, khi chế tạo lõi thép silic, kỹ sư phải cân nhắc kỹ giữa hiệu suất kỹ thuật, hiệu quả sản xuất và chi phí để chọn kích thước tối ưu.
