Impacte de l'acer orientat en la eficiència i soroll del transformador

1. Tendències de desenvolupament de la tecnologia de fabricació de transformadors elèctrics a la Xina

Els transformadors elèctrics es desenvolupen principalment en dues direccions:

Primer, cap a transformadors ultra-alta tensió extra-grans, amb nivells de tensió que avancen des de 220 kV, 330 kV i 500 kV cap a 750 kV i 1000 kV.

Segon, cap a tipus d'alta eficiència energètica, miniaturitzats, de baix soroll, d’alta impedància i resistents a explosions. Aquests productes són principalment transformadors de mida petita i mitjana, com els nous transformadors de distribució S13 i S15 actualment recomanats per a les actualitzacions de xarxes elèctriques urbanes i rurals.

La direcció futura del desenvolupament de transformadors a la Xina seguirà centrant-se en tipus d’alta eficiència energètica, de baix soroll, resistents al foc i a explosions, i d’alta fiabilitat.

2. Influència del material d’acer silici orientat sobre el rendiment dels transformadors elèctrics

Als països industrials desenvolupats, l’energia elèctrica consumida deguda a les pèrdues de ferro en l’acer silici orientat dels transformadors representa aproximadament el 4% de la generació total d’electricitat. Per tant, reduir les pèrdues de ferro de l’acer silici orientat sempre ha estat un tema de recerca important per a les empreses d’acer silici arreu del món. Les pèrdues de ferro es poden descompondre en pèrdues per corrents paràsits i pèrdues per histèresi.

Pel que fa al material d’acer silici, els principals mètodes per reduir les pèrdues de ferro en acer silici orientat són augmentar el contingut de silici, reduir el gruix de la làmina i aplicar tecnologia de refinament de dominis magnètics.

(1) Augment del contingut de silici

Actualment, l’acer silici produït industrialment conté més del 3,0% de silici en massa. Un cop augmentat fins al 6,5%, les pèrdues d’acer silici disminueixen significativament, convertint-lo en el material òptim per utilitzar en el rang de freqüència de 400 Hz a 10 kHz.

(2) Reducció del gruix de la làmina

L’acer silici orientat actualment utilitzat és cada vegada més prim. El gruix de 0,35 mm ja s’ha deixat d’utilitzar, sent ara habituals gruixos de 0,3 mm, 0,27 mm, 0,23 mm i 0,18 mm, fet que permet reduir les pèrdues per corrents paràsits en l’acer silici orientat.

• La banda prima d’acer silici orientat de 0,20 mm pot utilitzar-se a 400 Hz o menys, amb una densitat de flux magnètic que arriba a 1,5 T i pèrdues de ferro relativament baixes.

• La banda prima d’acer silici orientat de 0,15 mm, quan funciona a una freqüència de 1 kHz amb una densitat de flux magnètic de 1,0 T, té un valor de pèrdues de ferro inferior a 30 W/kg. Per tant, aquesta especificació de banda prima és adequada per utilitzar-se a 1 kHz o menys.

• Les bandes primes d’acer silici orientat de 0,10 mm i 0,08 mm són més idònies per utilitzar-se a freqüències inferiors a 3 kHz. A 3 kHz, la banda prima d’acer silici orientat de 0,10 mm s’utilitza amb una densitat de flux magnètic d’aproximadament 0,50 T. En les mateixes condicions, l’especificació de 0,08 mm pot utilitzar valors lleugerament superiors de densitat de flux magnètic, com ara 0,50-0,80 T.

• La banda prima d’acer silici orientat de 0,05 mm, quan funciona a una freqüència de 5 kHz, pot tenir un valor de densitat de flux magnètic de 0,5-0,6 T. Per tant, la banda prima d’acer silici orientat de 0,05 mm té l’àmbit d’aplicació més ampli entre les cinc especificacions esmentades anteriorment i és adequada per utilitzar-se a 5 kHz i menys.

(3) Refinament de dominis magnètics

Tecnologia de ranurat: Narita, del Japó, va informar sobre l’efecte del ranurat sobre l’estructura de dominis i les pèrdues en l’acer silici orientat, assenyalant que el ranurat perpendicular a la direcció de la banda pot reduir eficaçment l’espaiat entre parets de dominis i les pèrdues per corrents paràsits.

La tecnologia de processament làser utilitza les característiques de calefacció i refredament ràpids per tractar la superfície de làmines d’acer silici orientat mitjançant marcatge lineal, fomentant la deformació plàstica microscòpica i dislocacions d’alta densitat a la zona escalfada, reduint la longitud de les parets del domini principal, mentre simultàniament genera tensions residuals de tracció, aconseguint així el refinament dels dominis magnètics i la reducció de les pèrdues de ferro.

Hi ha dos mètodes de processament làser: processament làser pulsant i continu.

3. Influència de la superfície de l’acer silici orientat sobre el soroll del transformador

Una de les causes principals del soroll del transformador és la magnetostricció del nucli d’acer silici orientat.

La magnetostricció es refereix al canvi de longitud del material ferromagnètic durant la magnetització. La magnetostricció de l’acer silici orientat està molt relacionada amb la presència o absència d’un recobriment d’aïllament superficial. La tensió del recobriment sobre les làmines d’acer silici pot contrarestar les tensions compressives generades pel material i el muntatge del transformador, reduint així el soroll del transformador. Les làmines sense recobriment són molt sensibles a les tensions compressives. A mesura que la pressió augmenta, el valor de magnetostricció puja bruscament, mentre que en làmines recobertes l’augment del valor de magnetostricció amb la tensió compressiva és menys significatiu, indicant una menor sensibilitat a la tensió compressiva.

És desitjable que l’acer silici orientat tingui una magnetostricció baixa per reduir la seva sensibilitat a l’esforç, a la vegada que també redueix el soroll. Com que es generen esforços durant el muntatge del nucli del transformador, cal reduir la sensibilitat del material a aquests esforços. Degut al recobriment, la sensibilitat de l’acer silici orientat a l’esforç durant la magnetostricció es redueix, i el soroll del transformador també disminueix.

A més, aplicar un recobriment d’aïllament a l’acer silici orientat generalment encara té l’efecte de reduir la pèrdua específica, disminuint les pèrdues de ferro entre un 9% i un 14%. La qualitat del recobriment d’aïllament hauria de ser preferiblement superior a 5 g/m².

4. Influència de l’acer silici orientat d’alta permeabilitat sobre les pèrdues en buit i el nivell de soroll dels transformadors elèctrics

Els avantatges de l'acer siliciós orientat d'alta permeabilitat Hi-B són els següents:

(1) Característiques excel·lents de magnetització

Les característiques de magnetització es mesuren típicament mitjançant la densitat de flux magnètic a 800A/m per avaluar-ne la qualitat. L'acer siliciós orientat d'alta permeabilitat Hi-B té una permeabilitat relativa d'aproximadament 1920 a 800A/m, mentre que l'acer CGO és de 1820. Utilitzar l'acer siliciós orientat d'alta permeabilitat Hi-B com a material de nucli per reduir la pèrdua en buit és el més efectiu per a l'estalvi d'energia.

(2) Baixa magnetostricció

La magnetostricció fa referència a l'expansió i contractaci de longitud del nucli en la direcció de la magnetització durant la magnetització AC, que és una de les causes principals del soroll del transformador. Com que l'acer siliciós orientat d'alta permeabilitat Hi-B té una baixa magnetostricció, això redueix significativament el soroll del transformador i la contaminació ambiental.

5. Influència de la tecnologia de processament del nucli del transformador d'alta tensió

Durant la fabricació i el processament, l'acer siliciós orientat es veu sotmès a tensions de tall i impactes de manipulació manual. El processament mecànic i els factors externs de deteriorament afecten significativament la pèrdua específica de les fulls d'acer siliciós, augmentant-la en alguns casos entre un 3,08% i un 31,6%.

Frets procedents del tall longitudinal de l'acer siliciós orientat: Si la qualitat de tall és dolenta amb grans desviacions dimensionals, quan es fan piles del nucli, això causarà grans intervals entre fulls, moltes superposicions i laminacions de nucli irregulars, resultant en un increment de la corrent en buit, que sovint supera els estàndards. Després de treure els frets, la pèrdua específica disminueix. Proves mostren que després de treure els frets de 30QG120, la pèrdua específica P1,5 disminueix entre un 2,1% i un 2,6% (mitjana 2,3%), i P1,7 disminueix entre un 1,6% i un 3,5% (mitjana 2,5%).

Millorar la qualitat de tall de l'acer siliciós orientat, reduir els frets, millorar la planitud, i aplicar una força de prensatge adequada als pilars del nucli. Els informes dels fabricants de transformadors indiquen que reduir els frets en 0,02 mm disminueix l'espessor total de la pila (als punts de prensatge) entre 2-3 mm, i el soroll disminueix entre 3-4 dB. Per tant, els frets haurien de controlar-se dins de 0,03 mm.

L'acer siliciós orientat necessita subir un procés de tall, estampació i pila, que genera tensions internes, causant la deformació dels graons, resultant en una disminució de la permeabilitat magnètica i un increment de la pèrdua específica de ferro. Les tensions generades en l'acer siliciós orientat durant el tall, l'estampació, la pila i altres operacions de processament es poden reduir mitjançant un tractament d'annealing, que pot disminuir la pèrdua específica de ferro de l'acer siliciós orientat laminat a fred aproximadament un 30%.