คู่มือการสร้างหม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้าประกอบด้วยขดลวดสองชุดที่พันรอบแกนกลาง ทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กที่ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ สนามแม่เหล็กนี้เรียกว่า "แกนหม้อแปลง" ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการถ่ายโอนพลังงานระหว่างขดลวดทั้งสอง ประสิทธิภาพของหม้อแปลงสามารถแตกต่างกันไปตามการออกแบบ โดยเน้นที่การลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มการเชื่อมโยงแม่เหล็กระหว่างขดลวดให้มากที่สุด

การออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าพื้นฐาน

การออกแบบหม้อแปลงไฟฟ้าแบบง่ายๆ มักเกี่ยวข้องกับการจัดวางขดลวดบนแขนของแกนเหล็กอ่อนแยกจากกัน อย่างไรก็ตาม การแยกนี้มักจะลดประสิทธิภาพเนื่องจากการเชื่อมต่อแม่เหล็กที่อ่อนแอและการรั่วไหลของฟลักซ์แม่เหล็ก เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ ขดลวดทั้งสองถูกนำมาวางใกล้กันมากขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มการเชื่อมโยงแม่เหล็ก แต่ก็อาจเพิ่มการสูญเสียแม่เหล็กในแกนได้เช่นกัน

แกนของหม้อแปลงไฟฟ้าถูกออกแบบไม่เพียงเพื่อให้มีเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำสำหรับสนามแม่เหล็กเท่านั้น แต่ยังเพื่อป้องกันการเกิดกระแสหมุนเวียนภายในแกน ซึ่งกระแสหมุนเวียนเหล่านี้เรียกว่า "กระแสไหลวน" ทำให้เกิดความร้อนและการสูญเสียพลังงาน ลดประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้า เพื่อลดการสูญเสียเหล่านี้ แกนมักถูกสร้างจากแผ่นเหล็กบางๆ ที่เคลือบด้วยสารเคลือบเพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงาน

การสร้างแกนหม้อแปลงไฟฟ้า

แกนของหม้อแปลงไฟฟ้ามักทำจากแผ่นเหล็กบางๆ ของเหล็กซิลิกอน ซึ่งถูกประกอบขึ้นเพื่อสร้างเส้นทางแม่เหล็ก แผ่นเหล็กเหล่านี้ถูกหุ้มฉนวนจากกันเพื่อลดการสูญเสียกระแสไหลวน ความหนาของแผ่นเหล็กเหล่านี้มีตั้งแต่ 0.25 มม. ถึง 0.5 มม. และเคลือบด้วยวาร์นิชหรือชั้นออกไซด์เพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงาน

แกนหม้อแปลงไฟฟ้าถูกจัดประเภทตามการจัดเรียงของขดลวดรอบแกน การออกแบบที่พบมากที่สุดสองแบบคือ หม้อแปลงไฟฟ้าแกนปิด (Closed-core Transformer) และ หม้อแปลงไฟฟ้าแกนเชลล์ (Shell-core Transformer) ในการออกแบบแบบแกนปิด ขดลวดจะพันรอบแกน ในขณะที่ในการออกแบบแบบแกนเชลล์ แกนจะล้อมรอบขดลวด

ฟลักซ์แม่เหล็กและการรั่วไหล

ในการออกแบบแกนทั้งสองแบบ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เชื่อมโยงขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิจะไหลผ่านแกนทั้งหมดโดยมีการสูญเสียที่น้อยมากผ่านอากาศ ในการสร้างแบบแกน ขดลวดจะถูกจัดเรียงอย่างสม่ำเสมอบนแต่ละขาของแกน ซึ่งช่วยเพิ่มการเชื่อมโยงแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม อาจมีฟลักซ์แม่เหล็กบางส่วนที่ไหลออกนอกแกน ซึ่งเรียกว่า "ฟลักซ์รั่ว"

การออกแบบแกนเชลล์ช่วยลดการรั่วไหลของฟลักซ์โดยการวางขดลวดทั้งสองไว้บนขากลางที่มีพื้นที่หน้าตัดสองเท่าของขาด้านนอก การออกแบบนี้ช่วยให้ฟลักซ์แม่เหล็กมีเส้นทางปิดสองเส้นรอบขดลวด ลดการสูญเสียในแกนและเพิ่มประสิทธิภาพ

แผ่นเหล็กในหม้อแปลงไฟฟ้า

ในการสร้างหม้อแปลงไฟฟ้า ขดลวดจะถูกพันรอบฟอร์มเมอร์ ซึ่งมีรูปทรงหน้าตัดที่เหมาะสมสำหรับแกน แกนถูกสร้างจากแผ่นเหล็กที่ตัดออกมาเพื่อสร้างรูปทรงต่างๆ เช่น "E", "L", "U" และ "I" แผ่นเหล็กเหล่านี้ถูกเรียงซ้อนกันสลับกันเพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อที่ลดการรั่วไหลของฟลักซ์และการสูญเสียเหล็ก

แผ่นเหล็กเหล่านี้ถูกเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างรูปทรงแกนที่ต้องการ โดยแกน E-I เป็นที่นิยมมากที่สุดในหม้อแปลงที่ใช้ในการแยกขั้นที่สูงขึ้นและลดขั้น การก่อสร้างนี้ช่วยลดความต้านทานในช่องว่างอากาศ ผลิตฟลักซ์แม่เหล็กที่มีความเข้มข้นสูง

การจัดเรียงขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้า

ขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งเป็นตัวนำกระแสหลัก จะถูกพันรอบแกนลามิเนต ขดลวดปฐมภูมิเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟแรงดันไฟฟ้า ในขณะที่ขดลวดทุติยภูมิสร้างแรงดันไฟฟ้าผ่านการเหนี่ยวนำกันเอง วัสดุที่ใช้สำหรับขดลวดมักจะเป็นทองแดงหรืออลูมิเนียม โดยทองแดงจะถูกเลือกใช้ในหม้อแปลง kVA ขนาดเล็กเนื่องจากมีความแข็งแรงทางกลสูงกว่า

ขดลวดสามารถจัดเรียงเป็นขดลวดที่มีศูนย์กลางหรือขดลวดแบบแซนด์วิช ในการสร้างแบบแกน ขดลวดจะถูกจัดเรียงเป็นวงกลม โดยขดลวดปฐมภูมิอยู่เหนือขดลวดทุติยภูมิ ในการสร้างแบบแกนเชลล์ ขดลวดแบบแซนด์วิชจะถูกใช้ โดยที่ตัวนำแบบแบนจะถูกพันในรูปแบบก้นหอยและซ้อนกัน พร้อมกับแยกกันด้วยวัสดุฉนวน

ขดลวดแบบเกลียว ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าขดลวดเกลียว จะพบได้ทั่วไปในหม้อแปลงแรงดันต่ำและกระแสสูง ขดลวดเหล่านี้ใช้ตัวนำรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาดใหญ่ที่พันขนานกับความยาวของกระบอกสูบ และใส่ตัวแยกระหว่างแต่ละรอบเพื่อให้กระแสหมุนเวียนลดลง

การฉนวนและการระบายความร้อน

ขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้าถูกหุ้มฉนวนเพื่อป้องกันการลัดวงจร ในหม้อแปลงที่ระบายความร้อนด้วยอากาศ จะใช้ชั้นบางๆ ของวาร์นิชหรือเคลือบฟัน ในหม้อแปลงขนาดใหญ่ ตัวนำจะถูกหุ้มฉนวนด้วยกระดาษหรือผ้าที่อิ่มตัวด้วยน้ำมัน และทั้งชุดจะถูกจุ่มในน้ำมันหม้อแปลง ซึ่งทำหน้าที่เป็นทั้งฉนวนและสารระบายความร้อน

ทิศทางและขั้วของขดลวด

ขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้ามีการจัดทิศทางเฉพาะ ซึ่งจะกำหนดความสัมพันธ์เฟสระหว่างแรงดันไฟฟ้าปฐมภูมิและทุติยภูมิ "การกำหนดทิศทางของจุด" ถูกใช้เพื่อระบุการจัดแนวขดลวด ซึ่งบ่งชี้ว่าแรงดันไฟฟ้าอยู่ในเฟสเดียวกันหรือออกจากเฟส

การปรับแรงดันไฟฟ้าของหม้อแปลง

หม้อแปลงมักจะมีขั้วต่อขดลวดปฐมภูมิที่อนุญาตให้ปรับแรงดันไฟฟ้าได้โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนรอบลวด ซึ่งมักทำในฝั่งแรงดันไฟฟ้าสูงที่มีแรงดันไฟฟ้าต่อรอบต่ำ การปรับอัตราส่วนรอบลวดช่วยชดเชยการเปลี่ยนแปลงในแรงดันไฟฟ้าหรือเงื่อนไขโหลด

การสูญเสียในแกนหม้อแปลงไฟฟ้า

แกนหม้อแปลงไฟฟ้าถูกสร้างจากเหล็กคาร์บอนต่ำที่มีความสามารถในการนำแม่เหล็กสูง ช่วยให้ฟลักซ์แม่เหล็กไหลได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม มีการสูญเสียสองประเภทที่เกิดขึ้น: การสูญเสียฮิสเทรีซิส ซึ่งเกิดจากแรงเสียดทานโมเลกุลเมื่อเส้นแรงแม่เหล็กเปลี่ยนทิศทาง และการสูญเสียกระแสไหลวน ซึ่งเกิดจากกระแสไหลเวียนภายในแกน

การสูญเสียฮิสเทรีซิสเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่ของแหล่งจ่ายลดลง ทำให้อุณหภูมิในแกนสูงขึ้น การสูญเสียกระแสไหลวนลดลงด้วยการใช้แผ่นเหล็กบางๆ ที่หุ้มฉนวน ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานของแกนต่อกระแสเหล่านี้

การสูญเสียในทองแดง

การสูญเสียในทองแดงเกิดจากความต้านทานของขดลวดหม้อแปลง การสูญเสียเหล่านี้แตกต่างกันไปตามกระแสโหลด โดยจะมีค่าน้อยที่สุดที่ไม่มีโหลดและสูงสุดที่โหลดเต็มที่ การออกแบบหม้อแปลงสามารถลดการสูญเสียเหล่านี้ได้โดยใช้ตัวนำขนาดใหญ่ขึ้นและปรับปรุงวิธีการระบายความร้อน ซึ่งช่วยเพิ่มค่า VA ของหม้อแปลง

ในหม้อแปลงอุดมคติ จะไม่มีการสูญเสียฮิสเทรีซิส การสูญเสียกระแสไหลวน หรือการสูญเสียในทองแดง แต่ในความเป็นจริง การสูญเสียเหล่านี้เกิดขึ้นและมีผลต่อประสิทธิภาพของหม้อแปลง