چرا یک ترانسفورماتور می تواند ناگهان جریان عظیمی بکشد: درک اشباع هسته

ترانسفورماتور اغلب به عنوان یک دستگاه ساده توصیف می شود که ولتاژ را با استفاده از دو سیم پیچی که یک هسته آهنی (یا فریتی) مشترک دارند، افزایش یا کاهش می دهد. اما یک محدودیت نامرئی وجود دارد که هر ترانسفورماتور با آن زندگی می کند: هسته آن فقط می تواند میدان مغناطیسی زیادی را در خود نگه دارد . از این حد عبور کنید و دستگاه مانند یک ترانسفورماتور عمل نمی کند - جریان بالا می رود و سیم پیچ می تواند بیش از حد گرم شود یا بسوزد. این پدیده اشباع هسته نامیده می شود و درک آن تفاوت بین یک منبع تغذیه قابل اعتماد و یک ترانزیستور سوئیچینگ سرخ شده است.

هسته را به عنوان یک اسفنج برای میدان مغناطیسی در نظر بگیرید. در ابتدا، اضافه کردن "فشار مغناطیسی" (ولتاژ) بیشتر در میدان بیشتر به آرامی خیس می شود. اما هنگامی که اسفنج پر شد، دیگر نمی تواند جذب شود - میدان از بالا رفتن متوقف می شود، و در حالی که چیزی برای مخالفت با ولتاژ اعمال شده باقی نمی ماند، جریان تقریباً کنترل نشده اجرا می شود.

اصل

ارتباط بین ولتاژ و میدان مغناطیسی مستقیماً از قانون فارادی می آید. برای ورودی موج سینوسی پیک چگالی شار برابر است با:

B_max = V_rms / (4.44 · f · N · A_e)

که در آن f فرکانس، N پیچ های اولیه، و A_e مقطع موثر هسته است. با تنظیم مجدد، محصول مجاز ولت-ثانیه V·t توسط هسته و چرخش ثابت می شود: یک ترانسفورماتور معین فقط می تواند در هر نیم چرخه یک ناحیه محدود را در زیر شکل موج ولتاژ پشتیبانی کند.

هر ماده هسته ای دارای چگالی شار اشباع B_sat است. با توجه به داده های مغناطیسی معمولی:

• فریت MnZn (SMPS): ~0.30-0.40 T (به ~0.39 T در 100 درجه سانتیگراد کاهش می یابد)

• لمینیت های فولادی سیلیکونی (50/60 هرتز): ~ 1.5 T

• آمورف / نانو کریستالی: ~ 1.2-1.6 T

• پودر آهن: ~ 0.8-1.4 T

طراحی خوب عملکرد B را تقریباً در 0.7 × B_sat حفظ می کند - و برای SMPS فریت، اغلب ≤ 0.25-0.30 T برای باقی گذاشتن حاشیه برای گذرا.

هنگامی که B به B_sat می رسد، نفوذپذیری از بین می رود، اندوکتانس مغناطیسی به سمت صفر می رسد و جریان مغناطیسی به طور چشمگیری افزایش می یابد. همانطور که یکی از راهنمای طراحی الکترونیک قدرت بیان می کند، اشباع "قاتل خاموش" مغناطیسی است: می تواند یک ترانزیستور سوئیچینگ را قبل از واکنش حفاظت جریان بیش از حد از بین ببرد.

مثال کاربردی

خرابی میدان کلاسیک: یک ترانسفورماتور با فرکانس 60 هرتز به منبع تغذیه 50 هرتز متصل است. از آنجایی که N و A_e ثابت هستند، شار متناسب با V/f است - کاهش فرکانس به میزان 17 درصد، شار را به همان میزان افزایش می‌دهد و هسته را به سمت اشباع سوق می‌دهد. همین اتفاق می افتد اگر ولتاژ ورودی بیش از حد بالا باشد، یا اگر یک بایاس DC به سیم پیچ AC اضافه شود.

تصور اشتباه رایج / واقعیت جالب

بسیاری از مبتدیان بر این باورند که رتبه VA (ولت آمپر) ترانسفورماتور به تنهایی جریانی را که می کشد محدود می کند. در واقع جریان مغناطیسی - که توسط هسته تنظیم می شود، نه بار - می تواند در لحظه اشباع شدن هسته بسیار زیاد شود. همچنین به همین دلیل است که یک ترانسفورماتور اغلب در لحظه روشن شدن، جریان هجومی کوتاهی را چندین برابر مقدار جاری خود می کشد. بنابراین سوال مطمئن هرگز این نیست که "چند آمپر؟" اما "آیا هسته در بودجه ولت ثانیه ای خود باقی می ماند؟"

استانداردها

از آنجایی که اشباع جریان را مجبور می‌کند تا سیم‌پیچ را افزایش دهد و گرم کند، استانداردهای ایمنی به ترانسفورماتورها نیاز دارند تا در شرایط عادی و غیرعادی بدون گرم شدن بیش از حد یا آتش‌گرفتن زنده بمانند. IEC 61558-1:2017 (ایمنی ترانسفورماتورها، راکتورها، واحدهای منبع تغذیه - الزامات و آزمایش‌های عمومی) چارچوب کلی را با تست‌های گرمایش و اتصال کوتاه/اضافه بار در بندهای 14-15 تنظیم می‌کند. به طور خاص برای ترانسفورماتورهای منبع تغذیه حالت سوئیچ، IEC 61558-2-16 اعمال می شود. طرحی که در طول استفاده مورد نظر اشباع شود، در این آزمایش ها شکست خواهد خورد.