1. Podstawowa rola żelaznego rdzenia transformatora
(1)Tworzenie wydajnego obwodu magnetycznego o niskiej-reluktancji:Jest to podstawowa funkcja żelaznego rdzenia. Gdy prąd przemienny przepływa przez uzwojenie pierwotne, wytwarza przemienny strumień magnetyczny. Żelazny rdzeń zapewnia ścieżkę łatwo magnesowalną, znacznie zwiększającą siłę pola magnetycznego i ograniczającą większość strumienia (strumień główny) w obrębie tej ścieżki o wysokiej-przepuszczalności, skutecznie sprzęgając ją z uzwojeniem wtórnym. Bez żelaznego rdzenia duża ilość strumienia wyciekałaby do powietrza (gdzie oporność magnetyczna jest bardzo wysoka), co skutkowałoby bardzo niską efektywnością przenoszenia energii.
(2)Zwiększanie wydajności indukcji elektromagnetycznej:Ze względu na obecność żelaznego rdzenia w uzwojeniu można wytworzyć znacznie silniejsze pole magnetyczne przy tym samym prądzie wzbudzenia (prąd jałowy). Oznacza to, że aby wygenerować strumień wystarczający do przeniesienia energii, wymagana liczba zwojów i prąd wzbudzenia są znacznie zmniejszone, co znacznie poprawia wydajność transformatora oraz zmniejsza zarówno rozmiar, jak i koszty produkcji.
(3)Zapewnienie wsparcia strukturalnego:Żelazny rdzeń pełni rolę mechanicznego szkieletu transformatora, podtrzymując uzwojenia pierwotne i wtórne, utrzymując stabilność ich położenia i wytrzymując siły elektromagnetyczne mogące wystąpić podczas pracy (takie jak ogromne siły elektrodynamiczne podczas zwarcia).
2. Wymagania eksploatacyjne dla materiałów rdzeniowych
(1) Wysoka przepuszczalność magnetyczna: jest to najważniejsza cecha. Wysoka przenikalność magnetyczna oznacza, że materiał można łatwo namagnesować, co pozwala na wygenerowanie silnej indukcji magnetycznej przy bardzo małym natężeniu pola magnetycznego, zmniejszając w ten sposób prąd wzbudzenia i poprawiając wydajność.
(2) Wysoka oporność elektryczna: Gdy rdzeń znajduje się w zmiennym polu magnetycznym, wewnątrz indukują się prądy wirowe. Prądy wirowe powodują utratę energii (utratę prądu wirowego) i ogrzewanie. Wysoka oporność elektryczna może skutecznie ograniczyć powstawanie prądów wirowych i zmniejszyć tę część strat.
(3) Niska koercja: Koercja mierzy, jak trudno jest rozmagnesować materiał. Niska koercja oznacza, że pętla histerezy jest wąska i stroma, co ułatwia namagnesowanie i rozmagnesowanie i skutkuje niskimi stratami histerezy. Strata histerezy to kolejny ważny rodzaj utraty energii w rdzeniu.
(4) Indukcja magnetyczna o wysokim nasyceniu: Indukcja magnetyczna o wysokim nasyceniu oznacza, że rdzeń jest mniej podatny na nasycenie pod wpływem silnych pól magnetycznych, co pozwala na projektowanie transformatorów o bardziej zwartej konstrukcji (przenoszenie tej samej mocy przy mniejszym-polu przekroju poprzecznego) lub generowanie większej mocy w ramach tej samej objętości.
3.Wybór materiałów rdzeniowych
(1)Główne materiały: stal krzemowa (stal elektryczna)
Jest to obecnie najszerzej stosowany i dojrzały materiał rdzenia w transformatorach mocy.
Kompozycja:Dodaj 2,5% ~ 4,5% krzemu do czystego żelaza.
Funkcje dodatku krzemu:
- - Znacząco zwiększa rezystywność: dodatek krzemu kilkakrotnie zwiększa rezystywność żelaza, znacznie zmniejszając straty spowodowane prądami wirowymi.- Pomaga zmniejszyć koercję: krzem może tłumić niekorzystne działanie zanieczyszczeń, takich jak węgiel i azot, oczyszczając i powiększając ziarna, zmniejszając w ten sposób utratę histerezy
- - Łagodzi starzenie: krzem spowalnia starzenie się żelaza (pogorszenie właściwości magnetycznych z biegiem czasu).
Formularz procesu:Arkusze stali krzemowej są walcowane w formie laminowanej, z powłoką izolacyjną nakładaną pomiędzy arkuszami. Ta laminowana struktura dodatkowo ogranicza prądy wirowe do każdego cienkiego arkusza, znacznie zwiększając opór wzdłuż ścieżki prądu wirowego, co jest kluczową cechą konstrukcyjną zmniejszającą straty prądu wirowego.
(2)Zaawansowane materiały: Stopy amorficzne
Charakterystyka:Dzięki zastosowaniu technik ultra{0}}szybkiego chłodzenia roztopiony metal jest schładzany tak szybko, że atomy nie mają czasu na ułożenie się w uporządkowaną strukturę krystaliczną, tworząc-szklaną strukturę amorficzną.
Zalety:
- - Niezwykle wysoka rezystywność: około 2-3 razy większa niż w przypadku stali krzemowej, co skutkuje bardzo niskimi stratami w postaci prądów wirowych.
- - Bardzo niska koercja: utrata histerezy jest również minimalna.
Wynik ogólny:Żadne-straty obciążenia (straty w żelazie) transformatorów z rdzeniem ze stopu amorficznego są o 60% - 80% mniejsze niż w przypadku transformatorów ze stali krzemowej o tych samych specyfikacjach, co sprawia, że efekt-oszczędności energii jest niezwykle znaczący.
Wady:
- - Niższa gęstość strumienia magnetycznego nasycenia: około 80% stali krzemowej, co może skutkować nieco większymi rozmiarami i wagą tego samego transformatora mocy.
- - Materiał twardy i kruchy: trudny w obróbce, cięciu i nawijaniu.
- - Wyższy koszt: materiał i proces produkcji są droższe niż stal krzemowa.
Aplikacje:Szczególnie nadaje się do scenariuszy charakteryzujących się długimi okresami przestoju i niskimi obciążeniami, takich jak sieci wiejskie i transformatory dystrybucyjne do rozproszonego wytwarzania energii, gdzie zalety-oszczędności energii mogą zwrócić się początkową inwestycję w całym cyklu życia transformatora.
