Acciaio Silicio Orientato Impatto sull'Efficienza e Rumore del Trasformatore

1. Tendenze di sviluppo della tecnologia di produzione dei trasformatori elettrici in Cina

I trasformatori elettrici stanno principalmente sviluppandosi in due direzioni:

In primo luogo, lo sviluppo verso trasformatori ultralarge ad ultra-alta tensione, con livelli di tensione che avanzano da 220kV, 330kV e 500kV verso 750kV e 1000kV.

In secondo luogo, lo sviluppo verso tipi risparmiatori di energia, miniaturizzati, a basso rumore, ad alta impedenza e antiesplosivi. Questi prodotti sono principalmente trasformatori di piccole e medie dimensioni, come i nuovi trasformatori di distribuzione S13 e S15 attualmente raccomandati per l'aggiornamento delle reti elettriche urbane e rurali.

La futura direzione di sviluppo dei trasformatori in Cina continuerà a concentrarsi su tipi risparmiatori di energia, a basso rumore, antincendio e antiesplosivi, e ad alta affidabilità.

2. Influenza del materiale acciaio silicio orientato sulle prestazioni dei trasformatori elettrici

Nei paesi industriali sviluppati, l'energia elettrica consumata a causa della perdita di ferro nell'acciaio silicio orientato per trasformatori rappresenta circa il 4% della produzione totale di energia elettrica. Pertanto, la riduzione della perdita di ferro dell'acciaio silicio orientato è sempre stata un importante argomento di ricerca per le aziende di acciaio silicio in tutto il mondo. La perdita di ferro può essere decomposta in perdita per correnti indotte e perdita per isteresi.

Per quanto riguarda il materiale di acciaio silicio, i principali metodi per ridurre la perdita di ferro nell'acciaio silicio orientato sono l'aumento del contenuto di silicio, la riduzione dello spessore del foglio e la tecnologia di raffinazione dei domini magnetici.

(1) Aumento del contenuto di silicio

Attualmente, l'acciaio silicio prodotto industrialmente contiene oltre il 3,0% di silicio in massa. Una volta aumentato al 6,5%, le perdite dell'acciaio silicio diminuiscono significativamente, rendendolo il materiale ottimale per utilizzare nella gamma di frequenza da 400Hz a 10kHz.

(2) Riduzione dello spessore del foglio

L'acciaio silicio orientato attualmente utilizzato sta diventando sempre più sottile. Lo spessore di 0,35mm è stato eliminato, con spessori comuni ora di 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm e 0,18mm, che possono ridurre le perdite per correnti indotte nell'acciaio silicio orientato.

• La striscia sottile di acciaio silicio orientato di 0,20mm può essere utilizzata a 400Hz o inferiore, con una densità di flusso magnetico che raggiunge 1,5T e una perdita di ferro relativamente bassa.

• La striscia sottile di acciaio silicio orientato di 0,15mm, quando funziona alla frequenza di 1kHz con una densità di flusso magnetico di 1,0T, ha un valore di perdita di ferro inferiore a 30W/kg. Pertanto, questa specifica striscia sottile è adatta per l'uso a 1kHz o inferiore.

• Le strisce sottili di acciaio silicio orientato di 0,10mm e 0,08mm sono più qualificate per l'uso a frequenze inferiori a 3kHz. Alla frequenza di 3kHz, la striscia sottile di acciaio silicio orientato di 0,10mm viene utilizzata con una densità di flusso magnetico di circa 0,50T. Nelle stesse condizioni, la specifica di 0,08mm può utilizzare valori di densità di flusso magnetico leggermente superiori, come 0,50-0,80T.

• La striscia sottile di acciaio silicio orientato di 0,05mm, quando funziona alla frequenza di 5kHz, può avere un valore di densità di flusso magnetico di 0,5-0,6T. Pertanto, la striscia sottile di acciaio silicio orientato di 0,05mm ha la gamma di applicazione più ampia tra le cinque specifiche menzionate sopra ed è adatta per l'uso a 5kHz e inferiore.

(3) Raffinazione dei domini magnetici

Tecnologia di scanalatura: il Narita giapponese ha riportato sull'effetto della scanalatura sulla struttura dei domini e sulle perdite nell'acciaio silicio orientato, indicando che la scanalatura perpendicolare alla direzione della striscia può ridurre efficacemente la distanza tra le pareti dei domini e le perdite per correnti indotte.

La tecnologia di trattamento laser utilizza le caratteristiche di riscaldamento e raffreddamento rapido per trattare la superficie delle lamiere di acciaio silicio orientato attraverso la marcatura a linea, promuovendo la deformazione plastica microscopica e dislocazioni ad alta densità nell'area riscaldata, riducendo la lunghezza delle pareti principali dei domini, mentre simultaneamente produce uno stress residuo di trazione, raggiungendo lo scopo di raffinare i domini magnetici e ridurre la perdita di ferro.

Ci sono due metodi di trattamento laser: a impulsi e a raggio continuo.

3. Influenza della superficie dell'acciaio silicio orientato sul rumore del trasformatore

Una delle principali cause del rumore del trasformatore è la magnetostrizione dei nuclei di acciaio silicio orientato.

La magnetostrizione si riferisce alla variazione della lunghezza del materiale ferromagnetico durante la magnetizzazione. La magnetostrizione dell'acciaio silicio orientato è fortemente correlata alla presenza di un rivestimento isolante di superficie. La tensione del rivestimento sulle lamiere di acciaio silicio può contrastare gli stress compressivi generati dai materiali e dall'assemblaggio del trasformatore, riducendo così il rumore del trasformatore. Le lamiere non rivestite sono molto sensibili allo stress compressivo. Con l'aumento della pressione, il valore di magnetostrizione aumenta rapidamente, mentre le lamiere rivestite mostrano un aumento meno significativo del valore di magnetostrizione con l'aumento dello stress compressivo, indicando una minore sensibilità allo stress compressivo.

È desiderabile che l'acciaio silicio orientato abbia una bassa magnetostrizione per ridurre la sua sensibilità allo stress, riducendo anche il rumore. Poiché lo stress viene generato durante l'assemblaggio del nucleo del trasformatore, è necessario ridurre la sensibilità del materiale allo stress. Grazie al rivestimento, la sensibilità dello stress dell'acciaio silicio orientato durante la magnetostrizione è ridotta, e il rumore del trasformatore è anche ridotto.

Inoltre, l'applicazione di un rivestimento isolante all'acciaio silicio orientato generalmente ha ancora l'effetto di ridurre la perdita specifica, riducendo la perdita di ferro del 9%-14%. La qualità del rivestimento isolante dovrebbe preferibilmente essere superiore a 5g/m².

4. Influenza dell'acciaio silicio orientato ad alta permeabilità sulla perdita a vuoto e sul livello di rumore dei trasformatori elettrici

I vantaggi dell'acciaio al silicio orientato ad alta permeabilità Hi-B sono i seguenti:

(1) Eccellenti caratteristiche di magnetizzazione

Le caratteristiche di magnetizzazione sono tipicamente misurate mediante la densità di flusso magnetico a 800 A/m per valutarne la qualità. L'acciaio al silicio orientato ad alta permeabilità Hi-B presenta una permeabilità relativa di circa 1920 a 800 A/m, mentre l'acciaio CGO è a 1820. L'utilizzo dell'acciaio al silicio orientato ad alta permeabilità Hi-B come materiale per il nucleo per ridurre le perdite a vuoto è il metodo più efficace per il risparmio energetico.

(2) Bassa magnetostrizione

La magnetostrizione si riferisce all'espansione e contrazione della lunghezza del nucleo nella direzione di magnetizzazione durante la magnetizzazione in corrente alternata, ed è una delle principali cause del rumore nei trasformatori. Poiché l'acciaio al silicio orientato ad alta permeabilità Hi-B presenta una bassa magnetostrizione, riduce notevolmente il rumore del trasformatore e l'inquinamento ambientale.

5. Influenza della tecnologia di lavorazione del nucleo del trasformatore di potenza

Durante la produzione e la lavorazione, l'acciaio al silicio orientato subisce sollecitazioni da taglio e impatti dovuti alla manipolazione manuale. Fattori meccanici di lavorazione e deterioramenti esterni influenzano in modo significativo le perdite specifiche delle lamiere di acciaio al silicio, aumentando talvolta le perdite specifiche dal 3,08% al 31,6%.

Bave generate dal taglio longitudinale dell'acciaio al silicio orientato: se la qualità del taglio è scarsa e con grandi deviazioni dimensionali, durante l'impilamento del nucleo si creeranno ampi spazi tra le lamiere, numerose sovrapposizioni e stratificazioni irregolari del nucleo, causando un aumento della corrente a vuoto, talvolta superiore ai limiti previsti. Dopo la rimozione delle bave, le perdite specifiche diminuiscono. I test mostrano che dopo la sbarbatura del 30QG120, le perdite specifiche P1,5 diminuiscono dal 2,1% al 2,6% (media 2,3%), e P1,7 diminuisce dall'1,6% al 3,5% (media 2,5%).

Migliorare la qualità del taglio dell'acciaio al silicio orientato, riducendo le bave, migliorando allo stesso tempo la planarità e applicando una forza di serraggio appropriata alle colonne del nucleo. I feedback dei produttori di trasformatori indicano che ridurre le bave di 0,02 mm riduce lo spessore totale impilato (nei punti di serraggio) di 2-3 mm e il rumore diminuisce di 3-4 dB. Pertanto, le bave devono essere controllate entro 0,03 mm.

L'acciaio al silicio orientato deve subire operazioni di taglio, stampaggio e impilamento, che generano tensioni interne, provocando una deformazione dei grani, con conseguente riduzione della permeabilità magnetica e aumento delle perdite specifiche nel ferro. Le tensioni generate nell'acciaio al silicio orientato durante il taglio, lo stampaggio, l'impilamento e altre operazioni di lavorazione possono essere ridotte mediante trattamento termico di ricottura, il quale può ridurre le perdite specifiche nel ferro dell'acciaio al silicio laminato a freddo di circa il 30%.