تاثیر فولاد سیلیسی جهت‌دار بر کارایی و نویز ترانسفورماتور

1. روندهای توسعه فناوری ساخت ترانسفورماتور برق در چین

ترانسفورماتورهای برق به طور اصلی در دو جهت توسعه می‌یابند:

اول، توسعه به سمت ترانسفورماتورهای فوق‌العاده ولتاژ بالا با سطوح ولتاژ که از 220kV، 330kV و 500kV به 750kV و 1000kV پیش می‌روند.

دوم، توسعه به سمت انواع صرفه‌جویی در انرژی، کوچک‌سازی، کم‌صدا، مقاومت بالا و ضد انفجار. این محصولات عمدتاً ترانسفورماتورهای کوچک و متوسط هستند، مانند ترانسفورماتورهای توزیع S13 و S15 جدید که در حال حاضر برای به‌روزرسانی شبکه‌های برق شهری و روستایی توصیه می‌شوند.

جهت توسعه آینده ترانسفورماتورهای چین همچنان روی انواع صرفه‌جویی در انرژی، کم‌صدا، مقاوم در برابر آتش و انفجار و قابلیت اطمینان بالا متمرکز خواهد بود.

2. تأثیر مواد فولاد سیلیکیوم مغناطیسی روی عملکرد ترانسفورماتور برق

در کشورهای صنعتی توسعه یافته، انرژی الکتریکی مصرف شده به دلیل ضرر آهنی در فولاد سیلیکیوم مغناطیسی ترانسفورماتور حدود 4٪ از مجموع تولید برق را تشکیل می‌دهد. بنابراین، کاهش ضرر آهنی فولاد سیلیکیوم مغناطیسی همواره یکی از مباحث مهم تحقیقاتی برای شرکت‌های فولاد سیلیکیوم در سراسر جهان بوده است. ضرر آهنی می‌تواند به ضرر جریان‌های دایره‌ای و ضرر مغناطیسی تجزیه شود.

در مورد ماده فولاد سیلیکیوم، روش‌های اصلی برای کاهش ضرر آهنی فولاد سیلیکیوم مغناطیسی شامل افزایش مقدار سیلیکون، کاهش ضخامت نوار و فناوری ریزسازی دامنه‌های مغناطیسی است.

(1) افزایش محتوای سیلیکون

در حال حاضر، فولاد سیلیکیوم تولید صنعتی بیش از 3.0٪ سیلیکون بر حسب جرم دارد. زمانی که این مقدار به 6.5٪ افزایش یابد، ضرر فولاد سیلیکیوم به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و آن را به ماده بهینه برای استفاده در محدوده فرکانس 400Hz تا 10kHz تبدیل می‌کند.

(2) کاهش ضخامت نوار

فولاد سیلیکیوم مغناطیسی مورد استفاده در حال حاضر به طور مداوم رقیق‌تر می‌شود. ضخامت 0.35mm حذف شده است و ضخامت‌های معمول حالا 0.3mm، 0.27mm، 0.23mm و 0.18mm هستند که می‌توانند ضرر جریان‌های دایره‌ای در فولاد سیلیکیوم مغناطیسی را کاهش دهند.

• نوار رقیق فولاد سیلیکیوم مغناطیسی 0.20mm می‌تواند در فرکانس 400Hz یا کمتر استفاده شود، با چگالی مغناطیسی 1.5T و ضرر آهنی نسبتاً کم.

• نوار رقیق فولاد سیلیکیوم مغناطیسی 0.15mm، هنگام کار در فرکانس 1kHz با چگالی مغناطیسی 1.0T، دارای مقدار ضرر آهنی کمتر از 30W/kg است. بنابراین، این مشخصات نوار رقیق برای استفاده در فرکانس 1kHz یا کمتر مناسب است.

• نوارهای رقیق فولاد سیلیکیوم مغناطیسی 0.10mm و 0.08mm برای استفاده در فرکانس‌های زیر 3kHz بیشتر مناسب هستند. در فرکانس 3kHz، نوار رقیق فولاد سیلیکیوم مغناطیسی 0.10mm با چگالی مغناطیسی حدود 0.50T استفاده می‌شود. در شرایط مشابه، مشخصات 0.08mm می‌تواند از مقادیر کمی بیشتر چگالی مغناطیسی، مانند 0.50-0.80T، استفاده کند.

• نوار رقیق فولاد سیلیکیوم مغناطیسی 0.05mm، هنگام کار در فرکانس 5kHz، می‌تواند چگالی مغناطیسی 0.5-0.6T داشته باشد. بنابراین، نوار رقیق فولاد سیلیکیوم مغناطیسی 0.05mm بیشترین محدوده کاربرد را در بین پنج مشخصات ذکر شده دارد و برای استفاده در فرکانس 5kHz و کمتر مناسب است.

(3) ریزسازی دامنه‌های مغناطیسی

فناوری حفره‌سازی: ناریتا از ژاپن درباره تأثیر حفره‌سازی بر ساختار دامنه‌ها و ضرر در فولاد سیلیکیوم مغناطیسی گزارش داده است و اشاره کرده است که حفره‌سازی عمود بر جهت نوار می‌تواند به طور موثری فاصله دیواره‌های دامنه و ضرر جریان‌های دایره‌ای را کاهش دهد.

فناوری پردازش لیزری از ویژگی‌های گرم کردن و سرد کردن سریع برای پردازش سطح نوارهای فولاد سیلیکیوم مغناطیسی از طریق خطوط علامت‌گذاری استفاده می‌کند، که باعث می‌شود در منطقه گرم شده تغییر شکل پلاستیکی میکروسکوپی و اختلالات با چگالی بالا ایجاد شود، طول دیواره‌های دامنه اصلی را کاهش دهد و همزمان تنش کششی باقی‌مانده ایجاد کند، به منظور ریزسازی دامنه‌های مغناطیسی و کاهش ضرر آهنی.

دو روش پردازش لیزری وجود دارد: پردازش لیزری پالسی و پردازش لیزری پیوسته.

3. تأثیر سطح فولاد سیلیکیوم مغناطیسی روی صدای ترانسفورماتور

یکی از علل اصلی صدای ترانسفورماتور، مغناطیس‌کشی هسته‌های فولاد سیلیکیوم مغناطیسی است.

مغناطیس‌کشی به تغییر طول مواد فرومغناطیسی در طول مغناطیسی اشاره دارد. مغناطیس‌کشی فولاد سیلیکیوم مغناطیسی بسیار مرتبط با وجود یا عدم وجود پوشش عایق سطحی است. تنش کششی از پوشش بر روی نوارهای فولاد سیلیکیوم می‌تواند تنش‌های فشرده ایجاد شده توسط مواد و مونتاژ ترانسفورماتور را خنثی کند، بنابراین صدای ترانسفورماتور را کاهش می‌دهد. نوارهای بدون پوشش به تنش فشرده بسیار حساس هستند. با افزایش فشار، مقدار مغناطیس‌کشی به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، در حالی که نوارهای پوشش‌دار افزایش کمتری در مقدار مغناطیس‌کشی با افزایش تنش فشرده نشان می‌دهند، که نشان‌دهنده حساسیت کمتر به تنش فشرده است.

می‌تواند مطلوب باشد که فولاد سیلیکیوم مغناطیسی دارای مغناطیس‌کشی کم باشد تا حساسیت آن به تنش کاهش یابد و همچنین صدای آن کاهش یابد. چون تنش در زمان مونتاژ هسته ترانسفورماتور ایجاد می‌شود، لازم است حساسیت ماده به تنش کاهش یابد. به دلیل پوشش، حساسیت فولاد سیلیکیوم مغناطیسی به تنش در طول مغناطیس‌کشی کاهش می‌یابد و صدای ترانسفورماتور نیز کاهش می‌یابد.

به علاوه، اعمال پوشش عایق به فولاد سیلیکیوم مغناطیسی معمولاً همچنان تأثیر کاهش ضرر خاص دارد و می‌تواند ضرر آهنی را 9٪-14٪ کاهش دهد. کیفیت پوشش عایق باید بهتر از 5g/m² باشد.

4. تأثیر فولاد سیلیکیوم مغناطیسی با نفوذپذیری بالا روی ضرر بار خالی و سطح صدای ترانسفورماتورهای برق

مزایای فولاد سیلیسی مغناطیس‌پذیر با جهت‌گیری بالا (Hi-B) به شرح زیر است:

(1) ویژگی‌های مغناطیس‌پذیری عالی

ویژگی‌های مغناطیس‌پذیری معمولاً با توجه به چگالی شار مغناطیسی در 800A/m برای ارزیابی کیفیت آنها اندازه‌گیری می‌شود. فولاد سیلیسی مغناطیس‌پذیر با جهت‌گیری بالا (Hi-B) دارای نسبت مغناطیس‌پذیری حدود 1920 در 800A/m است، در حالی که فولاد CGO 1820 است. استفاده از فولاد سیلیسی مغناطیس‌پذیر با جهت‌گیری بالا (Hi-B) به عنوان مواد مرکزی برای کاهش ضرر بدون بار بیشترین اثرگذاری را برای صرفه‌جویی در انرژی دارد.

(2) کم‌روانی مغناطیسی پایین

کم‌روانی مغناطیسی به تمدید و انقباض طولی مرکز در جهت مغناطیسی در حین مغناطیس‌سازی متناوب اشاره دارد که یکی از عوامل اصلی نویز ترانسفورماتور است. چون فولاد سیلیسی مغناطیس‌پذیر با جهت‌گیری بالا (Hi-B) دارای کم‌روانی مغناطیسی پایین است، این فولاد به طور قابل توجهی نویز ترانسفورماتور و آلودگی محیطی را کاهش می‌دهد.

5. تأثیر فناوری پردازش هسته ترانسفورماتور قدرت

در طول تولید و پردازش، فولاد سیلیسی جهت‌دار تحت تنش برشی و تأثیرات دستی قرار می‌گیرد. پردازش مکانیکی و عوامل خارجی تخریب‌کننده به طور قابل توجهی روی ضرر خاص ورق‌های فولاد سیلیسی تأثیر می‌گذارند، گاهی اوقات ضرر خاص را تا 308٪-316٪ افزایش می‌دهند.

برآمدگی‌های ناشی از برش طولی فولاد سیلیسی جهت‌دار: اگر کیفیت برش ضعیف باشد و انحرافات ابعادی زیاد باشد، در زمان پیچیدن هسته، فاصله بزرگ بین ورق‌ها، همپوشانی‌های زیاد و لایه‌های نامساوی هسته ایجاد می‌شود که منجر به افزایش جریان بدون بار می‌شود، گاهی اوقات از استانداردها فراتر می‌رود. پس از حذف برآمدگی‌ها، ضرر خاص کاهش می‌یابد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که پس از حذف برآمدگی‌ها در 30QG120، ضرر خاص P1.5 تا 21٪-26٪ (متوسط 23٪) کاهش می‌یابد و P1.7 تا 16٪-35٪ (متوسط 25٪) کاهش می‌یابد.

بهبود کیفیت برش فولاد سیلیسی جهت‌دار، کاهش برآمدگی‌ها، بهبود صافی و اعمال نیروی فشرده‌سازی مناسب به ستون‌های هسته. بازخورد از سازندگان ترانسفورماتور نشان می‌دهد که کاهش برآمدگی‌ها تا 002 میلی‌متر ضخامت کل پیچیده (در نقاط فشرده‌سازی) را تا 2-3 میلی‌متر کاهش می‌دهد و نویز تا 3-4 دسی‌بل کاهش می‌یابد. بنابراین، برآمدگی‌ها باید در 003 میلی‌متر کنترل شوند.

فولاد سیلیسی جهت‌دار نیاز به برش، دکلمه‌کاری و پیچیدن دارد که تنش‌های داخلی ایجاد می‌کند، منجر به تغییر شکل دانه‌ها و کاهش مغناطیس‌پذیری و افزایش ضرر خاص آهن می‌شود. تنش‌های ایجاد شده در فولاد سیلیسی جهت‌دار در طی عملیات برش، دکلمه‌کاری، پیچیدن و غیره می‌توانند با درمان آنالیز کاهش یابند که می‌تواند ضرر خاص آهن فولاد سیلیسی جهت‌دار سردکش را تقریباً 30٪ کاهش دهد.