Impacto del Acero Silicio Orientado en la Eficiencia y Ruido de los Transformadores

1. Tendencias de desarrollo de la tecnología de fabricación de transformadores de potencia en China

Los transformadores de potencia se están desarrollando principalmente en dos direcciones:

Primero, el desarrollo hacia transformadores ultra-altos de voltaje extra grande, con niveles de voltaje que avanzan desde 220kV, 330kV y 500kV hacia 750kV y 1000kV.

Segundo, el desarrollo hacia tipos de ahorro de energía, miniaturizados, de bajo ruido, de alta impedancia y a prueba de explosiones. Estos productos son principalmente transformadores pequeños y medianos, como los nuevos transformadores de distribución S13 y S15 actualmente recomendados para la modernización de las redes eléctricas urbanas y rurales.

La dirección futura del desarrollo de los transformadores en China seguirá centrándose en tipos de ahorro de energía, de bajo ruido, a prueba de incendios y explosiones, y de alta confiabilidad.

2. Influencia del material de acero silicio orientado en el rendimiento del transformador de potencia

En los países industriales desarrollados, la energía eléctrica consumida debido a la pérdida de hierro en el acero silicio orientado para transformadores representa aproximadamente el 4% de la generación total de electricidad. Por lo tanto, reducir la pérdida de hierro del acero silicio orientado ha sido siempre un tema de investigación importante para las empresas de acero silicio en todo el mundo. La pérdida de hierro puede descomponerse en pérdida por corrientes de Foucault y pérdida por histeresis.

En cuanto al material de acero silicio, los principales métodos para reducir la pérdida de hierro en el acero silicio orientado son aumentar el contenido de silicio, reducir el grosor de la lámina y la tecnología de refinamiento de dominios magnéticos.

(1) Aumento del contenido de silicio

Actualmente, el acero silicio producido industrialmente contiene más del 3,0% de silicio en masa. Una vez que se incrementa al 6,5%, las pérdidas del acero silicio disminuyen significativamente, convirtiéndolo en el material óptimo para su uso en el rango de frecuencia de 400Hz a 10kHz.

(2) Reducción del grosor de la lámina

El acero silicio orientado actualmente utilizado está volviéndose cada vez más delgado. El grosor de 0,35mm ya ha sido eliminado, siendo los grosores comunes ahora 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm y 0,18mm, lo cual puede reducir las pérdidas por corrientes de Foucault en el acero silicio orientado.

• La tira fina de acero silicio orientado de 0,20mm puede usarse a 400Hz o menos, con una densidad de flujo magnético que alcanza 1,5T y una pérdida de hierro relativamente baja.

• La tira fina de acero silicio orientado de 0,15mm, cuando opera a una frecuencia de 1kHz con una densidad de flujo magnético de 1,0T, tiene un valor de pérdida de hierro inferior a 30W/kg. Por lo tanto, esta especificación de tira fina es adecuada para su uso a 1kHz o menos.

• Las tiras finas de acero silicio orientado de 0,10mm y 0,08mm son más aptas para su uso a frecuencias inferiores a 3kHz. A una frecuencia de 3kHz, la tira fina de acero silicio orientado de 0,10mm se usa con una densidad de flujo magnético de alrededor de 0,50T. Bajo las mismas condiciones, la especificación de 0,08mm puede usar valores ligeramente superiores de densidad de flujo magnético, como 0,50-0,80T.

• La tira fina de acero silicio orientado de 0,05mm, cuando opera a una frecuencia de 5kHz, puede tener un valor de densidad de flujo magnético de 0,5-0,6T. Por lo tanto, la tira fina de acero silicio orientado de 0,05mm tiene el rango de aplicación más amplio entre las cinco especificaciones mencionadas anteriormente y es adecuada para su uso a 5kHz y menos.

(3) Refinamiento de dominios magnéticos

Tecnología de ranurado: Narita de Japón informó sobre el efecto del ranurado en la estructura de dominios y las pérdidas en el acero silicio orientado, señalando que el ranurado perpendicular a la dirección de la tira puede reducir eficazmente la distancia entre las paredes de dominio y las pérdidas por corrientes de Foucault.

La tecnología de procesamiento láser utiliza las características de calentamiento y enfriamiento rápidos para tratar la superficie de las láminas de acero silicio orientado mediante marcado lineal, promoviendo la deformación plástica microscópica y dislocaciones de alta densidad en la zona calentada, reduciendo la longitud de las paredes de dominio principales, mientras simultáneamente produce tensión residual de tracción, logrando así el propósito de refinar los dominios magnéticos y reducir la pérdida de hierro.

Existen dos métodos de procesamiento láser: pulsado y continuo.

3. Influencia de la superficie del acero silicio orientado en el ruido del transformador

Una de las causas principales del ruido del transformador es la magnetostricción de los núcleos de acero silicio orientado.

La magnetostricción se refiere al cambio en la longitud de un material ferromagnético durante la magnetización. La magnetostricción del acero silicio orientado está muy relacionada con si hay o no un recubrimiento de aislamiento en la superficie. La tensión del recubrimiento en las láminas de acero silicio puede contrarrestar las tensiones de compresión generadas por los materiales y la ensambladura del transformador, reduciendo así el ruido del transformador. Las láminas sin recubrimiento son muy sensibles a la tensión de compresión. A medida que aumenta la presión, el valor de magnetostricción aumenta bruscamente, mientras que las láminas con recubrimiento muestran un aumento menos significativo en el valor de magnetostricción con el aumento de la tensión de compresión, indicando una menor sensibilidad a la tensión de compresión.

Es deseable que el acero silicio orientado tenga una magnetostricción baja para reducir su sensibilidad al estrés, al mismo tiempo que reduce el ruido. Dado que el estrés se genera durante la ensambladura del núcleo del transformador, es necesario reducir la sensibilidad del material al estrés. Debido al recubrimiento, la sensibilidad del acero silicio orientado al estrés durante la magnetostricción se reduce, y el ruido del transformador también se reduce.

Además, aplicar un recubrimiento de aislamiento al acero silicio orientado generalmente sigue teniendo el efecto de reducir la pérdida específica, reduciendo la pérdida de hierro en un 9%-14%. La calidad del recubrimiento de aislamiento debe ser preferiblemente superior a 5g/m².

4. Influencia del acero silicio orientado de alta permeabilidad en la pérdida a vacío y el nivel de ruido de los transformadores de potencia

Las ventajas del acero silicio orientado de alta permeabilidad Hi-B son las siguientes:

(1) Excelentes Características de Magnetización

Las características de magnetización se miden típicamente por la densidad del flujo magnético a 800A/m para evaluar su calidad. El acero silicio orientado de alta permeabilidad Hi-B tiene una permeabilidad relativa de aproximadamente 1920 a 800A/m, mientras que el acero CGO es de 1820. Usar el acero silicio orientado de alta permeabilidad Hi-B como material del núcleo para reducir la pérdida en vacío es lo más efectivo para ahorrar energía.

(2) Baja Magnetostricción

La magnetostricción se refiere a la expansión y contracción de longitud del núcleo en la dirección de la magnetización durante la magnetización AC, lo cual es una de las principales causas del ruido en los transformadores. Dado que el acero silicio orientado de alta permeabilidad Hi-B tiene baja magnetostricción, reduce significativamente el ruido del transformador y la contaminación ambiental.

5. Influencia de la Tecnología de Procesamiento del Núcleo del Transformador de Potencia

Durante la fabricación y procesamiento, el acero silicio orientado se somete a estrés cortante y al impacto de manipulación manual. Los factores de procesamiento mecánico y de deterioro externo afectan significativamente la pérdida específica de las láminas de acero silicio, aumentando a veces la pérdida específica en un 3,08%-31,6%.

Aristas de corte longitudinal del acero silicio orientado: Si la calidad de corte es pobre con grandes desviaciones dimensionales, al apilar el núcleo, causará grandes espacios entre las láminas, muchos solapes y laminaciones de núcleo irregulares, resultando en un aumento de la corriente en vacío, a veces superando los estándares. Después de eliminar las aristas, la pérdida específica disminuye. Las pruebas muestran que después de eliminar las aristas de 30QG120, la pérdida específica P1.5 disminuye en un 2,1%-2,6% (promedio 2,3%) y P1.7 disminuye en un 1,6%-3,5% (promedio 2,5%).

Mejorar la calidad de corte del acero silicio orientado, reducir las aristas, mejorar la planitud y aplicar una fuerza de sujeción adecuada a las columnas del núcleo. La retroalimentación de los fabricantes de transformadores indica que reducir las aristas en 0,02mm disminuye el grosor total apilado (en los puntos de sujeción) en 2-3mm, y el ruido disminuye en 3-4dB. Por lo tanto, las aristas deben controlarse dentro de 0,03mm.

El acero silicio orientado necesita ser cortado, estampado y apilado, lo que genera tensiones internas, causando deformación de los granos, lo que lleva a una disminución de la permeabilidad magnética y un aumento de la pérdida específica de hierro. Las tensiones generadas en el acero silicio orientado durante el corte, estampado, apilado y otras operaciones de procesamiento pueden reducirse mediante un tratamiento de recocido, lo que puede disminuir la pérdida específica de hierro del acero silicio orientado laminado en frío aproximadamente en un 30%.