Impact de l'acier orienté sur l'efficacité et le bruit des transformateurs

1. Tendances de développement des technologies de fabrication des transformateurs en Chine

Les transformateurs se développent principalement dans deux directions :

Premièrement, le développement vers des transformateurs ultra-haute tension de très grande taille, avec des niveaux de tension passant de 220kV, 330kV et 500kV à 750kV et 1000kV.

Deuxièmement, le développement vers des types économes en énergie, miniaturisés, à faible bruit, à haute impédance et anti-explosion. Ces produits sont principalement des transformateurs de petite et moyenne taille, tels que les nouveaux transformateurs de distribution S13 et S15 actuellement recommandés pour la modernisation des réseaux électriques urbains et ruraux.

La direction future du développement des transformateurs en Chine se concentrera toujours sur les types économes en énergie, à faible bruit, résistants au feu et aux explosions, et à haute fiabilité.

2. Influence du matériau d'acier silicium orienté sur les performances des transformateurs

Dans les pays industriels développés, l'énergie électrique consommée en raison des pertes fer dans l'acier silicium orienté représente environ 4% de la production totale d'électricité. Par conséquent, la réduction des pertes fer de l'acier silicium orienté a toujours été un sujet de recherche important pour les entreprises d'acier silicium dans le monde entier. Les pertes fer peuvent être décomposées en pertes par courants de Foucault et pertes hystérétiques.

En ce qui concerne le matériau d'acier silicium, les principales méthodes pour réduire les pertes fer dans l'acier silicium orienté sont l'augmentation de la teneur en silicium, la réduction de l'épaisseur de la bande et la technologie de raffinement de domaine magnétique.

(1) Augmentation de la teneur en silicium

Actuellement, l'acier silicium produit industriellement contient plus de 3,0% de silicium en masse. Une fois augmentée à 6,5%, les pertes de l'acier silicium diminuent considérablement, en faisant le matériau optimal pour une utilisation dans la gamme de fréquences de 400Hz à 10kHz.

(2) Réduction de l'épaisseur de la bande

L'acier silicium orienté actuellement utilisé devient de plus en plus fin. L'épaisseur de 0,35mm a été abandonnée, les épaisseurs courantes étant maintenant de 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm et 0,18mm, ce qui peut réduire les pertes par courants de Foucault dans l'acier silicium orienté.

• Une bande fine d'acier silicium orienté de 0,20mm peut être utilisée à 400Hz ou moins, avec une densité de flux magnétique atteignant 1,5T et des pertes fer relativement faibles.

• Une bande fine d'acier silicium orienté de 0,15mm, lorsqu'elle fonctionne à une fréquence de 1kHz avec une densité de flux magnétique de 1,0T, a une valeur de perte fer inférieure à 30W/kg. Par conséquent, cette spécification de bande fine est adaptée pour une utilisation à 1kHz ou moins.

• Des bandes fines d'acier silicium orienté de 0,10mm et 0,08mm sont plus qualifiées pour une utilisation à des fréquences inférieures à 3kHz. À une fréquence de 3kHz, une bande fine d'acier silicium orienté de 0,10mm est utilisée avec une densité de flux magnétique d'environ 0,50T. Dans les mêmes conditions, la spécification de 0,08mm peut utiliser des valeurs de densité de flux magnétique légèrement plus élevées, telles que 0,50-0,80T.

• Une bande fine d'acier silicium orienté de 0,05mm, lorsqu'elle fonctionne à une fréquence de 5kHz, peut avoir une valeur de densité de flux magnétique de 0,5-0,6T. Par conséquent, la bande fine d'acier silicium orienté de 0,05mm a la plus large plage d'utilisation parmi les cinq spécifications mentionnées ci-dessus et est adaptée pour une utilisation à 5kHz et moins.

(3) Raffinement de domaine magnétique

Technologie de rainurage : Narita du Japon a rapporté sur l'effet du rainurage sur la structure de domaine et les pertes dans l'acier silicium orienté, indiquant que le rainurage perpendiculaire à la direction de la bande peut réduire efficacement l'espacement des murs de domaine et les pertes par courants de Foucault.

La technologie de traitement laser utilise les caractéristiques de chauffage et de refroidissement rapides pour traiter la surface des bandes d'acier silicium orienté par marquage linéaire, favorisant une micro-déformation plastique et des dislocations de haute densité dans la zone chauffée, réduisant la longueur des murs de domaine principaux, tout en produisant simultanément un stress de traction résiduel, atteignant ainsi le but de raffiner les domaines magnétiques et de réduire les pertes fer.

Il existe deux méthodes de traitement laser : le traitement laser pulsé et le traitement laser continu.

3. Influence de la surface de l'acier silicium orienté sur le bruit des transformateurs

L'une des principales causes du bruit des transformateurs est la magnétostriction des noyaux d'acier silicium orienté.

La magnétostriction fait référence à la modification de la longueur du matériau ferromagnétique lors de la magnétisation. La magnétostriction de l'acier silicium orienté est fortement liée à la présence ou non d'un revêtement isolant de surface. La tension exercée par le revêtement sur les bandes d'acier silicium peut contrebalancer les contraintes compressives générées par les matériaux et l'assemblage du transformateur, réduisant ainsi le bruit du transformateur. Les bandes d'acier non revêtues sont très sensibles aux contraintes compressives. À mesure que la pression augmente, la valeur de magnétostriction augmente rapidement, tandis que les bandes revêtues montrent une augmentation moins significative de la valeur de magnétostriction avec l'augmentation des contraintes compressives, indiquant une moindre sensibilité aux contraintes compressives.

Il est souhaitable que l'acier silicium orienté ait une faible magnétostriction pour réduire sa sensibilité au stress, tout en réduisant également le bruit. Étant donné que le stress est généré lors de l'assemblage du noyau du transformateur, il est nécessaire de réduire la sensibilité du matériau au stress. Grâce au revêtement, la sensibilité de l'acier silicium orienté au stress lors de la magnétostriction est réduite, et le bruit du transformateur est également diminué.

De plus, l'application d'un revêtement isolant à l'acier silicium orienté a généralement encore l'effet de réduire la perte spécifique, réduisant les pertes fer de 9% à 14%. La qualité du revêtement isolant doit idéalement être supérieure à 5g/m².

4. Influence de l'acier silicium orienté à haute perméabilité sur les pertes à vide et le niveau de bruit des transformateurs

Les avantages de l'acier silicium orienté à haute perméabilité Hi-B sont les suivants :

(1) Excellentes caractéristiques de magnétisation

Les caractéristiques de magnétisation sont généralement mesurées par la densité du flux magnétique à 800 A/m pour évaluer leur qualité. L'acier silicium orienté à haute perméabilité Hi-B a une perméabilité relative d'environ 1920 à 800 A/m, tandis que l'acier CGO est de 1820. L'utilisation de l'acier silicium orienté à haute perméabilité Hi-B comme matériau de noyau pour réduire la perte à vide est la plus efficace pour économiser l'énergie.

(2) Faible magnétostriction

La magnétostriction fait référence à l'expansion et à la contraction de la longueur du noyau dans la direction de la magnétisation lors de la magnétisation en courant alternatif, ce qui est l'une des principales causes du bruit des transformateurs. Comme l'acier silicium orienté à haute perméabilité Hi-B a une faible magnétostriction, il réduit considérablement le bruit des transformateurs et la pollution environnementale.

5. Influence de la technologie de traitement du noyau de transformateur

Lors de la fabrication et du traitement, l'acier silicium orienté est soumis à un stress de cisaillement et à des impacts de manipulation manuelle. Le traitement mécanique et les facteurs de dégradation externes affectent considérablement la perte spécifique des feuilles d'acier silicium, augmentant parfois la perte spécifique de 3,08 % à 31,6 %.

Les bavures provenant du cisaillement longitudinal de l'acier silicium orienté : si la qualité de la coupe est mauvaise avec de grandes variations dimensionnelles, lors du empilage du noyau, cela provoquera de grandes lacunes entre les feuilles, de nombreux chevauchements et des laminations de noyau inégales, entraînant une augmentation du courant à vide, parfois au-delà des normes. Après l'élimination des bavures, la perte spécifique diminue. Les tests montrent qu'après l'élimination des bavures sur le 30QG120, la perte spécifique P1,5 diminue de 2,1 % à 2,6 % (moyenne de 2,3 %), et P1,7 diminue de 1,6 % à 3,5 % (moyenne de 2,5 %).

Améliorer la qualité de la coupe de l'acier silicium orienté, réduire les bavures, tout en améliorant la planéité et en appliquant une force de serrage appropriée aux colonnes de noyau. Les retours des fabricants de transformateurs indiquent qu'une réduction des bavures de 0,02 mm diminue l'épaisseur totale empilée (aux points de serrage) de 2 à 3 mm, et le bruit diminue de 3 à 4 dB. Par conséquent, les bavures doivent être contrôlées à moins de 0,03 mm.

L'acier silicium orienté doit subir des opérations de découpe, d'estampillage et de empilage, ce qui génère des contraintes internes, causant une déformation des grains, entraînant une diminution de la perméabilité magnétique et une augmentation de la perte spécifique de fer. Les contraintes générées dans l'acier silicium orienté lors de la découpe, de l'estampillage, du empilage et d'autres opérations de traitement peuvent être réduites par un traitement de recuit, qui peut diminuer la perte spécifique de fer de l'acier silicium orienté laminé à froid d'environ 30 %.