Utjecaj orijentiranog silicijskog čelika na učinkovitost i buku transformatora

1. Razvojne tendencije tehnologije proizvodnje električnih transformatora u Kini

Električni transformatori se uglavnom razvijaju u dvije smjerove:

Prvo, razvoj prema velikim ultra-visokonaponskim transformatorima, s nivoima napona koji se pomicu od 220kV, 330kV i 500kV prema 750kV i 1000kV.

Drugo, razvoj prema energo-efikasnim, miniaturiziranim, niskog buke, visokih impedanci i eksplozivno-odornim tipovima. Ovi proizvodi su uglavnom manji i srednji transformatori, poput trenutno preporučenih novih distribucijskih transformatora S13 i S15 za nadogradnju urbanih i ruralnih mreža snaga.

Budući smjer razvoja transformatora u Kini će se i dalje fokusirati na energo-efikasnost, niski buka, vatroganost i eksplozivna odornost, te visoku pouzdanost.

2. Utjecaj orijentiranog silicijskog čelika na performanse električnih transformatora

U razvijenim industrijskim zemljama, električna energija potrošena zbog gubitaka željeza u orijentiranom silicijskom čeliku transformatora čini otprilike 4% ukupne proizvodnje struje. Stoga, smanjenje gubitaka željeza u orijentiranom silicijskom čeliku uvijek je bio važan istraživački temelj za svjetske poduzeća proizvoditelje silicijskog čelika. Gubitci željeza mogu se razbiti na gubitke strujanja i gubitke histerese.

U vezi s materijalom silicijskog čelika, glavni metodi smanjenja gubitaka željeza u orijentiranom silicijskom čeliku su povećanje sadržaja kiseline, smanjenje debljine plaketa i tehnologija finoćavanja magnetskih domena.

(1) Povećanje sadržaja kiseline

Trenutno, industrijski proizvedeni silicijski čelik sadrži više od 3,0% kiseline po masi. Kada se poveća do 6,5%, gubitci silicijskog čelika značajno opadnu, što ga čini optimalnim materijalom za upotrebu u frekvencijskom rasponu od 400Hz do 10kHz.

(2) Smanjenje debljine plaketa

Trenutno korišteni orijentirani silicijski čelik postaje sve tanjiji. Debljina 0,35mm više se ne koristi, a uobičajene debljine su 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm i 0,18mm, što može smanjiti gubitke strujanja u orijentiranom silicijskom čeliku.

• Plaketa orijentiranog silicijskog čelika debljine 0,20mm može se koristiti na frekvenciji od 400Hz ili niže, s magnetskom gustoćom od 1,5T i relativno niskim gubitcima željeza.

• Plaketa orijentiranog silicijskog čelika debljine 0,15mm, kada radi na frekvenciji od 1kHz sa magnetskom gustoćom od 1,0T, ima vrijednost gubitaka željeza manju od 30W/kg. Stoga, ova specifikacija tanke plakete prikladna je za upotrebu na frekvenciji od 1kHz ili niže.

• Plaketa orijentiranog silicijskog čelika debljine 0,10mm i 0,08mm više je ispunjena za upotrebu na frekvencijama ispod 3kHz. Na frekvenciji od 3kHz, plaketa orijentiranog silicijskog čelika debljine 0,10mm koristi se s magnetskom gustoćom od oko 0,50T. Pod istim uvjetima, specifikacija 0,08mm može koristiti malo više vrijednosti magnetske gustoće, kao što su 0,50-0,80T.

• Plaketa orijentiranog silicijskog čelika debljine 0,05mm, kada radi na frekvenciji od 5kHz, može imati vrijednost magnetske gustoće od 0,5-0,6T. Stoga, plaketa orijentiranog silicijskog čelika debljine 0,05mm ima najširi raspon primjene među navedenim pet specifikacijama i prikladna je za upotrebu na frekvenciji od 5kHz i niže.

(3) Finoćavanje magnetskih domena

Tehnologija rezanja: Narita iz Japanacije objavio je utjecaj rezanja na strukturu domena i gubitke u orijentiranom silicijskom čeliku, ističući da rezanje okomito na smjer trake može efektivno smanjiti razmak između zidova domena i gubitke strujanja.

Tehnologija obrade laserskim zracima koristi karakteristike brzog zagrijavanja i hlađenja kako bi obradio površinu orijentiranog silicijskog čelika putem označavanja linija, promičući mikroplastičnu deformaciju i visoku gustoću dislokacija u zagrijanoj zoni, smanjujući duljinu glavnih zidova domena, uz istodobno stvaranje ostataka vlažnog napona, postižući cilj finoćavanja magnetskih domena i smanjenja gubitaka željeza.

Postoje dvije metode obrade laserskim zracima: impulsnim i kontinuiranim laserskim obradama.

3. Utjecaj površine orijentiranog silicijskog čelika na buku transformatora

Jedan od glavnih uzroka buke transformatora jest magnetostrukcija jezgra od orijentiranog silicijskog čelika.

Magnetostrukcija se odnosi na promjenu dužine feromagnetskog materijala tijekom magnetizacije. Magnetostrukcija orijentiranog silicijskog čelika jako je vezana uz to ima li površinsko izolacijsko poklopac. Napetost koju poklopac stvara na plaketi silicijskog čelika može proturavnagraditi pritisne naponstvo generirane materijalima i montažom transformatora, time smanjujući buku transformatora. Plaketa bez poklopca vrlo je osjetljiva na pritisne napone. Kako pritisak raste, vrijednost magnetostrukcije brzo se povećava, dok poklopljene plakete pokazuju manje značajne porasle vrijednosti magnetostrukcije uz povećan pritisni napon, što ukazuje na manju osjetljivost na pritisne napone.

Željeno je da orijentirani silicijski čelik ima nisku magnetostrukciju kako bi smanjila svoju osjetljivost na napone, a također smanjila buku. Budući se naponi generiraju tijekom montaže jezgra transformatora, nužno je smanjiti osjetljivost materijala na napone. Zbog poklopca, osjetljivost orijentiranog silicijskog čelika na napone tijekom magnetostrukcije smanjuje se, a buka transformatora također se smanjuje.

Dodatno, nanoseći izolacijski poklopac na orijentirani silicijski čelik obično još uvijek ima učinak smanjenja specifičnih gubitaka, smanjujući gubitke željeza za 9%-14%. Kvaliteta izolacijskog poklopca trebala bi biti iznad 5g/m².

4. Utjecaj visokoprozirnog orijentiranog silicijskog čelika na gubitke bez opterećenja i razinu buke električnih transformatora

Prednosti Hi-B visokopermeabilne orijentirane silicijske čelike su sljedeće:

(1) Izvanredne karakteristike magnetizacije

Karakteristike magnetizacije obično se mjere magnetskom fluks gustoćom na 800A/m kako bi se procijenila njihova kvaliteta. Hi-B visokopermeabilna orijentirana silicijska čelik ima relativnu permeabilnost od oko 1920 na 800A/m, dok CGO čelik ima 1820. Korištenje Hi-B visokopermeabilne orijentirane silicijske čelike kao materijala za jezgra najučinkovitije smanjuje gubitke bez opterećenja i omogućuje uštedu energije.

(2) Niska magnetostrukcija

Magnetostrukcija se odnosi na proširenje i skraćivanje dužine jezgra u smjeru magnetizacije tijekom AC magnetizacije, što je jedan od glavnih uzroka buke transformatora. Budući da Hi-B visokopermeabilna orijentirana silicijska čelik ima nisku magnetostrukciju, znatno smanjuje buku transformatora i zagađenje okoliša.

5. Utjecaj tehnologije obrade jezgra transformatora

Tijekom proizvodnje i obrade, orijentirana silicijska čelik podliježe strujnim naprezanjima i utjecajima ručne obrade. Mekanička obrada i vanjski faktori deteriorenacije značajno utječu na specifične gubitke silicijskih listića, ponekad povećavajući specifične gubitke za 3,08%-31,6%.

Rezidua s longitudinalnog rezanja orijentirane silicijske čelike: Ako je kvaliteta reza loša s velikim odstupanjima u dimenzijama, prilikom stavljanja jezgra u slojeve, dobit će se velike razmake između listića, mnogo preklapanja i nepravilni slojevi jezgra, što rezultira povećanjem praznog struja, ponekad premašujući norme. Nakon uklanjanja rezidua, specifični gubitci se smanjuju. Testovi pokazuju da nakon uklanjanja rezidua sa 30QG120, specifični gubitak P1.5 se smanji za 2,1%-2,6% (prosječno 2,3%), a P1.7 se smanji za 1,6%-3,5% (prosječno 2,5%).

Poboljšanje kvalitete rezanja orijentirane silicijske čelike, smanjenje rezidua, poboljšanje ravnoteže, te primjena odgovarajućeg tlaka na stupce jezgra. Povratne informacije od proizvođača transformatora pokazuju da smanjenje rezidua za 0,02mm smanjuje ukupnu visinu slojeva (na točkama pričvršćivanja) za 2-3mm, a buka se smanjuje za 3-4dB. Stoga, rezidua treba kontrolirati unutar 0,03mm.

Orijentirana silicijska čelik mora podlijeći rezanju, štampiranju i slojevitosti, što generira unutarnja naprezanja, dovodeći do deformacije kristalnih zrna, što dovodi do smanjenja magnetske permeabilnosti i povećanja specifičnih željeznih gubitaka. Naprezanja generirana u orijentiranoj silicijskoj čeliku tijekom rezanja, štampiranja, slojevitosti i drugih operacija obrade mogu se smanjiti termičkim lijepljenjem, što može smanjiti specifične željezne gubitke hladno valjane orijentirane silicijske čelike približno za 30%.