Ausrichtung von Elektrischem Stahl und deren Einfluss auf die Wirkungsgrad und Geräuschentwicklung von Transformatorien

1. Entwicklungstrends der Fertigungstechnologie von Starkstromtransformatoren in China

Starkstromtransformer entwickeln sich hauptsächlich in zwei Richtungen:

Erstens, die Entwicklung in Richtung extra-großer Ultra-Hochspannungs-Transformer, wobei die Spannungsebenen von 220kV, 330kV und 500kV auf 750kV und 1000kV voranschreiten.

Zweitens, die Entwicklung in Richtung energieeffizienter, miniaturisierter, leiser, hochimpedanzierter und explosionsgeschützter Typen. Diese Produkte sind hauptsächlich kleine und mittlere Transformer, wie die neuen S13- und S15-Verteilungstransformer, die derzeit für die Modernisierung der städtischen und ländlichen Stromnetze empfohlen werden.

Die zukünftige Entwicklungsrichtung der Transformer in China wird weiterhin auf energieeffiziente, leise, feuer- und explosionsgeschützte Typen sowie hohe Zuverlässigkeit ausgerichtet sein.

2. Einfluss des orientierten Siliziumstahls auf die Leistung von Starkstromtransformern

In Industrieländern macht der durch Eisenverluste in transformergerechten Siliziumstahl verbrauchte elektrische Energie etwa 4% der gesamten Stromproduktion aus. Daher ist die Reduzierung des Eisenverlusts von orientiertem Siliziumstahl ein wichtiges Forschungsthema für Siliziumstahlunternehmen weltweit. Der Eisenverlust kann in Wirbelstromverlust und Hystereseverlust zerlegt werden.

Was den Siliziumstahl betrifft, so sind die Hauptmethoden zur Reduzierung des Eisenverlusts in orientiertem Siliziumstahl das Erhöhen des Siliziumgehalts, das Reduzieren der Blechdicke und die Technologie zur Verfeinerung der magnetischen Domänen.

(1) Erhöhung des Siliziumgehalts

Derzeit enthält industriell hergestellter Siliziumstahl mehr als 3,0% Silizium am Gewicht. Wenn dieser Gehalt auf 6,5% erhöht wird, nehmen die Verluste des Siliziumstahls erheblich ab, was ihn zum optimalen Material für den Einsatz im Frequenzbereich von 400Hz bis 10kHz macht.

(2) Reduzierung der Blechdicke

Der aktuell verwendete orientierte Siliziumstahl wird zunehmend dünner. Die Dicke von 0,35mm wurde ausgemustert, übliche Dicken sind nun 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm und 0,18mm, was die Wirbelstromverluste in orientiertem Siliziumstahl reduziert.

• Ein 0,20mm dünnes Band aus orientiertem Siliziumstahl kann bei 400Hz oder weniger eingesetzt werden, mit einer magnetischen Flussdichte von 1,5T und relativ geringen Eisenverlusten.

• Ein 0,15mm dünnes Band aus orientiertem Siliziumstahl, das bei 1kHz-Frequenz und einer magnetischen Flussdichte von 1,0T betrieben wird, hat einen Eisenverlustwert von weniger als 30W/kg. Daher ist dieses Bandformat für den Einsatz bei 1kHz oder weniger geeignet.

• 0,10mm und 0,08mm dünne Bänder aus orientiertem Siliziumstahl sind besser für den Einsatz bei Frequenzen unter 3kHz geeignet. Bei 3kHz-Frequenz wird ein 0,10mm dünnes Band aus orientiertem Siliziumstahl mit einer magnetischen Flussdichte von etwa 0,50T verwendet. Unter den gleichen Bedingungen kann das 0,08mm-Format leicht höhere magnetische Flussdichte-Werte verwenden, wie 0,50-0,80T.

• Ein 0,05mm dünnes Band aus orientiertem Siliziumstahl, das bei 5kHz-Frequenz betrieben wird, kann eine magnetische Flussdichte von 0,5-0,6T aufweisen. Daher hat das 0,05mm dünne Band aus orientiertem Siliziumstahl den breitesten Anwendungsbereich unter den fünf genannten Formaten und ist für den Einsatz bei 5kHz und darunter geeignet.

(3) Verfeinerung der magnetischen Domänen

Rillentechnik: Japan's Narita berichtete über die Auswirkungen von Rillen auf die Domänenstruktur und -verluste in orientiertem Siliziumstahl, indem darauf hingewiesen wurde, dass Rillen senkrecht zur Bandrichtung wirksam die Domänenwandabstände und Wirbelstromverluste reduzieren können.

Laserbearbeitungstechnologie nutzt die Eigenschaften schneller Erwärmung und Abkühlung, um die Oberfläche von orientiertem Siliziumstahlblechen durch Linienmarkierung zu behandeln, was zur Mikroplastverformung und hochdichten Versetzungen im erwärmten Bereich führt, die Länge der Hauptdomänenwände reduziert und gleichzeitig Restdehnspannungen erzeugt, um das Ziel der Verfeinerung der magnetischen Domänen und Reduzierung des Eisenverlusts zu erreichen.

Es gibt zwei Methoden der Laserbearbeitung: gepulster und kontinuierlicher Laser.

3. Einfluss der Oberfläche des orientierten Siliziumstahls auf das Transformatorengeräusch

Eine der Hauptursachen für Transformatorengeräusche ist die Magnetostriction der Kerne aus orientiertem Siliziumstahl.

Magnetostriction bezieht sich auf die Änderung der Länge ferromagnetischer Materialien während der Magnetisierung. Die Magnetostriction von orientiertem Siliziumstahl ist stark davon abhängig, ob eine Oberflächenisolierschicht vorhanden ist. Die Spannung, die von der Schicht auf den Siliziumstahlblechen ausgeübt wird, kann die Druckspannungen, die durch Material und Transformatormontage entstehen, kompensieren, was das Transformatorengeräusch reduziert. Unbeschichtete Stahlbleche sind sehr empfindlich gegenüber Druckspannungen. Mit zunehmendem Druck steigt der Wert der Magnetostriction stark an, während beschichtete Bleche bei zunehmender Druckspannung weniger signifikante Zunahmen des Magnetostriction-Werts zeigen, was eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Druckspannungen anzeigt.

Es ist wünschenswert, dass orientierter Siliziumstahl eine geringe Magnetostriction aufweist, um seine Empfindlichkeit gegenüber Spannungen zu reduzieren und gleichzeitig das Geräusch zu verringern. Da während der Montage des Transformatorkerns Spannungen entstehen, ist es notwendig, die Empfindlichkeit des Materials gegenüber Spannungen zu reduzieren. Durch die Beschichtung wird die Empfindlichkeit des orientierten Siliziumstahls gegenüber Spannungen während der Magnetostriction reduziert, was auch das Transformatorengeräusch senkt.

Darüber hinaus hat die Anwendung einer Isolierschicht auf orientiertem Siliziumstahl in der Regel noch die Wirkung, den spezifischen Verlust zu reduzieren, indem der Eisenverlust um 9%-14% verringert wird. Die Qualität der Isolierschicht sollte idealerweise über 5g/m² liegen.

4. Einfluss von hochpermeablem orientiertem Siliziumstahl auf Leerlaufverlust und Geräuschpegel von Starkstromtransformern

Die Vorteile von Hi-B hochpermeablem orientiertem Siliziumstahl sind wie folgt:

(1) Exzellente Magnetisierungseigenschaften

Magnetisierungseigenschaften werden in der Regel durch die magnetische Flussdichte bei 800A/m bewertet. Hi-B hochpermeabler orientierter Siliziumstahl hat eine relative Permeabilität von etwa 1920 bei 800A/m, während CGO-Stahl 1820 beträgt. Die Verwendung von Hi-B hochpermeablem orientiertem Siliziumstahl als Kernmaterial zur Reduzierung des Leerlaufverlusts ist am effektivsten für Energieeinsparungen.

(2) Geringe Magnetostriction

Magnetostriction bezieht sich auf die Längenexpansion und -kontraktion des Kernes in Richtung der Magnetisierung während der Wechselstrom-Magnetisierung, was einer der Hauptgründe für Transformatorengeräusche ist. Da Hi-B hochpermeabler orientierter Siliziumstahl eine geringe Magnetostriction aufweist, reduziert er das Transformatorengeräusch und Umweltverschmutzung erheblich.

5. Einfluss der Herstellungs- und Verarbeitungstechnologie von Transformatorkernen

Während der Herstellung und Verarbeitung wird orientierter Siliziumstahl Scherspannungen und manuellen Handhabungsbeeinträchtigungen ausgesetzt. Mechanische Verarbeitung und externe Verschleißfaktoren beeinflussen den spezifischen Verlust der Siliziumstahlschichten erheblich, wodurch der spezifische Verlust manchmal um 3,08%-31,6% ansteigt.

Bürstchen durch longitudinale Zerspanung von orientiertem Siliziumstahl: Wenn die Schnittqualität schlecht ist und große Abmessungsabweichungen aufweist, führt dies beim Stapeln des Kerns zu großen Lücken zwischen den Schichten, vielen Überlappungen und ungleichmäßigen Kernlaminaten, was zu einem Anstieg des Leerlaufstroms führt, der manchmal über den Standard hinausgeht. Nach dem Entfernen der Bürstchen sinkt der spezifische Verlust. Tests zeigen, dass nach dem Entfernen der Bürstchen bei 30QG120 der spezifische Verlust P1.5 um 2,1%-2,6% (im Durchschnitt 2,3%) und P1.7 um 1,6%-3,5% (im Durchschnitt 2,5%) abnimmt.

Die Verbesserung der Schnittqualität von orientiertem Siliziumstahl, die Reduzierung der Bürstchen, die Verbesserung der Flachheit und die Anwendung angemessener Klemmkraft auf die Kernspulen. Rückmeldungen von Transformatorherstellern zeigen, dass die Reduzierung der Bürstchen um 0,02 mm die Gesamtstapelstärke (an den Klemmpunkten) um 2-3 mm verringert und das Geräusch um 3-4 dB sinkt. Daher sollten Bürstchen innerhalb von 0,03 mm kontrolliert werden.

Orientierter Siliziumstahl muss geschnitten, gestanzt und gestapelt werden, was interne Spannungen erzeugt, die zur Kornverformung führen und die magnetische Permeabilität verringern sowie den spezifischen Eisenvverlust erhöhen. Die während des Schneidens, Stanzens, Stapelns und anderer Verarbeitungsvorgänge im orientierten Siliziumstahl entstehenden Spannungen können durch Glühhärtebehandlung reduziert werden, was den spezifischen Eisenvverlust von kaltgewalztem orientiertem Siliziumstahl um etwa 30% verringern kann.