Rozszyfrowanie tematu TRANSFORMATORY FOLIOWE związane jest z technologią wykonywania uzwojeń transformatora.
Większość specjalistów przyzwyczaiła się, że uzwojenia urządzeń indukcyjnych mają postać drutów nawojowych, o grubościach dostosowanych do wartości prądu. Z takiego podejścia wynikają dobrze znane i rozumiane pojęcia, np.: „liczba zwojów w jednej warstwie”, „liczba warstw”, „napięcie między warstwami” itp. A gdyby tak uzwojenie transformatora było zrolowaną blachą o pełnej szerokości kolumny rdzenia transformatora?
Nadal będziemy mieli do czynienia z podstawowym pojęciem jakim jest „liczba zwojów”. Inne definicje zmieniają się, bo np. w takiej postaci każdy zwój jest jakby nową warstwą. Czy taka zmiana przyniesie ze sobą jakieś korzyści? Czy ma przydatność technologiczną, a zarazem walor ekonomiczny?
Czy poszerza granice budowy systemów zasilających?
W krótkim opisie postaramy się odpowiedzieć na postawione pytania, a także przybliżyć wiedzę o tej technologii.
Zacznijmy więc od niefortunnie brzmiącej nazwy „folia”. Otóż folia jako materiał uzwojeń, choć kojarzy się z czymś wyjątkowo cienkim i delikatnym, w rzeczy samej jest oczywiście blachą o określonej grubości. Gdyby stworzyć nazwę „transformatory blaszane”, brzmiałoby to znacznie gorzej, a do tego posługując się językiem specjalistów, słowo blacha raczej bliższe jest materiałowi rdzenia (który zwykle składa się właśnie z izolowanych blach). Dlatego słowo „folia” najlepiej odzwierciedla konstrukcję, szczególnie, jeśli dokonamy porównania z tradycyjnie wykonanym uzwojeniem z tzw. profili nawojowych.
Otóż dla „małych” prądów (do 25A) można jeszcze stosować druty nawojowe, które mają przekrój okrągły. Będzie to drut o średnicy około 4,5 mm2. Jeśli potrzebujemy uzwojenia o większym prądzie, a byśmy stosowali druty okrągłe, zaczęły by pojawiać się problemy z ich zaginaniem wokół karkasu uzwojenia, a oprócz tego między przylegającymi do siebie okrągłymi zwojami zostawałoby mnóstwo niewykorzystanego miejsca. Dlatego, zwiększając prąd, przechodzi się z drutów na tzw. profile, gdzie przekrojem nie jest koło, a prostokąt np. 3,5×8 mm. W ten sposób zaginanie cieńszego boku jest nadal w miarę łatwe (3,5 mm), a między zwojami nie marnuje się miejsce.
Zaginanie profili w coraz większych rozmiarach znów staje się trudne, więc jeśli potrzebujemy „dużego” prądu, można stosować tzw. bifilarne nawijanie, a więc nawijanie uzwojeń z dwóch, trzech, czterech i więcej profili jednocześnie. Taka technologia także w pewnym momencie osiąga granice użyteczności. Koszt i trudności technologiczne w łączeniu równoległym profili – np. 8 sztuk, w zależności od jeszcze kilku innych aspektów, ustanawiają granice prądowe w okolicach 150A.
Co zrobić, jeśli potrzebny jest większy prąd?
Można znacznie powiększyć rozmiar rdzenia, po to, żeby promienie gięcia, przy nawijaniu profili były tak duże, by nie stwarzały technologicznego ograniczenia, ale wtedy izolację takiego profilu trzeba wykonać dodatkowo. W rezultacie uzyskamy niepotrzebnie duże wymiary i ciężar rdzenia, duże wymiary całego urządzenia i poświęcimy mnóstwo czasu (koszty) na wykonanie izolacji. Z pomocą przychodzi tu technologia uzwojeń z „folii”.
Dla porównania: uzwojenie dla prądu około 80A będzie składało się z trzech bifilarnie nawiniętych profili 3×8 mm (tak jakby był to prostokąt 9×8 mm), a więc nie jest to łatwe w zaginaniu, natomiast grubość użytej folii wyniesie zaledwie 0,5 mm. Teraz łatwo sobie wyobrazić jakiej siły wymaga zagięcie pręta o grubości 9 mm w porównaniu z blachą 0,5 mm.
Podsumowując – dzięki technologii foliowej możemy sięgnąć po konstrukcje transformatorów czy dławików, gdy potrzebujemy nawet bardzo dużych prądów rzędu 1000, 2000 czy nawet 3000A, przy czym wymiary i waga pozostaną nadal optymalne.
Ciekawym aspektem jest tu także sposób wyprowadzenia przyłączy. W tradycyjnym transformatorze wydaje się to być naturalne. Po prostu koniec drutu nawojowego lub profili doprowadza się do złącza śrubowego. A jak zakończyć folię? Na końcu owija się folią (blachą) płaskownik, tak aby odbierał prąd z całej szerokości folii. Płaskownik ten jest dłuższy niż szerokość folii, a więc wystaje ponad uzwojenie. Na końcu wykonuje się otwory pod śruby w celu przymocowania przyłącza np. oczkowego. Ważna w tym miejscu jest technologia łączenia folii z płaskownikiem. Są różne metody, na przykład zgrzewanie i spawanie, jednak najlepszą metodą jest tzw. cold press.
Co to jest cold press?
Jest to wielopunktowe ściśnięcie materiału, pod tak dużym ciśnieniem, że następuje realne przenikanie na poziomie struktury atomowej. Tego typu połączenie jest czyste. Nie zawiera tlenków czy innych związków, jakie powstają przy technikach używających ciepła (spawanie, zgrzewanie). Dlatego cold press jest bardziej trwały i ma mniejszą rezystancję. Co ciekawe, cold press ma również lepsze parametry dynamiczne, czyli odporność na udary elektrodynamiczne wynikające ze stanów nieustalonych. Przykładem stanu nieustalonego jest np. zwykłe załączenie transformatora do sieci. W momencie tym każdy transformator przechodzi przez szereg zjawisk związanych z porządkowaniem domen magnetycznych. Odbywa się to przy udziale dużego udaru prądowego, a co za tym idzie potężnego wstrząsu mechanicznego.
Technologia foliowa stwarza również okazję do użycia innego niż miedź materiału uzwojeń. Oczywiście zwykle chodzi o aluminium. Prawie każdy wie, że aluminium ma większą rezystywność niż miedź, więc od razu materiał taki interpretuje jako gorszy, sądząc, że wykonany transformator też będzie gorszy, ale w rzeczywistości wcale tak nie jest. Stosunek rezystywności aluminium do miedzi wynosi 1,64. Wystarczy zmienić folię 0,5 mm na folię 0,8 mm i już mamy analogiczne parametry. Taka zmiana wiąże się z dodatkową korzyścią, czyli dwukrotnie zmniejszy wagę uzwojenia.
A jak zmieni się cena samego uzwojenia?
Dla przykładu cena samego uzwojenia z aluminium będzie ponad sześciokrotnie mniejsza!
Nie dziwi więc fakt, że im większa moc, tym częściej spotykamy urządzenia wykonane z uzwojeniem aluminiowym. Zatwardziali przeciwnicy takich pomysłów zapewne natychmiast poruszą sprawę późniejszego łączenia wyprowadzeń aluminiowych z dalszym przewodem lub kablem, który zapewne będzie z miedzi, że to elektrochemiczne ogniwo, że będzie się grzało itd. Na szczęście to już nie te czasy.
Dzisiaj, jako materiał wyprowadzeń stosuje się tzw. CUPAL – jest to aluminium galwanicznie pokryte miedzią. Oczywiście temperatura złącza nadal się wydziela, ale tak się składa, że akurat poprzeczny przekrój połączenia dopasowany do wielkości prądu, jednocześnie jest aż nadto wystarczający do odprowadzenia ciepła, więc sprawa ciepła jest załatwiona automatycznie. Jeśli chodzi zaś o utlenianie połączenia Cu-Al. – nie występuje, bo przecież w galwanicznym połączeniu dwóch metali nie ma potem dostępu tlenu.
Technologię wykonywania transformatorów z uzwojeniami z folii (miedzianej lub aluminiowej) oraz technologię cold press stosuje firma Breve, oferując dzięki temu wykonania uzwojeń nawet do kilku tysięcy amperów.
 T3M |
Polecamy film o produkcji tego typu transformatora, jaki powstał w BREVE w 2020 roku. Można go znaleźć na naszym kanale Youtube!
mgr inż. Krzysztof Majewski
Kierownik Działu Handlowego
Breve-Tufvassons
