Pengaruh Baja Silikon Berorientasi terhadap Efisiensi & Bunyi Transformer

1. Trend Pembangunan Teknologi Pengeluaran Transformator Kuasa di China

Transformator kuasa terutamanya berkembang dalam dua arah:

Pertama, pembangunan menuju ke transformator ultra-tinggi voltan yang sangat besar, dengan tahap voltan meningkat dari 220kV, 330kV, dan 500kV menuju 750kV dan 1000kV.

Kedua, pembangunan menuju jenis penghematan tenaga, miniaturisasi, rendah bunyi, rintangan tinggi, dan anti-ledakan. Produk-produk ini kebanyakannya adalah transformator-transformator kecil hingga sederhana, seperti transformator pengagihan S13 dan S15 yang baru direka untuk peningkatan rangkaian elektrik bandar dan luar bandar.

Arah pembangunan transformator China pada masa depan masih akan fokus kepada jenis penghemat tenaga, rendah bunyi, tahan api dan ledakan, serta kebolehpercayaan tinggi.

2. Pengaruh Bahan Silikon Terarah terhadap Prestasi Transformator Kuasa

Di negara industri yang maju, tenaga elektrik yang digunakan akibat kerugian besi dalam silikon terarah transformator mewakili kira-kira 4% daripada jumlah penjanaan kuasa. Oleh itu, mengurangkan kerugian besi silikon terarah sentiasa menjadi topik penyelidikan penting bagi syarikat-syarikat silikon dunia. Kerugian besi boleh diperbaharui menjadi kerugian arus eddy dan kerugian histeresis.

Mengenai bahan silikon, kaedah utama untuk mengurangkan kerugian besi dalam silikon terarah adalah meningkatkan kandungan silikon, mengurangkan ketebalan lembaran, dan teknologi pemerkemaran domain magnetik.

(1) Meningkatkan Kandungan Silikon

Saat ini, silikon industri yang diproduksi mengandungi lebih daripada 3.0% silikon berdasarkan jisim. Apabila ditingkatkan hingga 6.5%, kerugian silikon menurun secara signifikan, menjadikannya bahan optimal untuk digunakan dalam julat frekuensi 400Hz hingga 10kHz.

(2) Mengurangkan Ketebalan Lembaran

Silikon terarah yang digunakan semakin tipis. Ketebalan 0.35mm telah dikesampingkan, dengan ketebalan biasa sekarang adalah 0.3mm, 0.27mm, 0.23mm, dan 0.18mm, yang dapat mengurangi kerugian arus eddy dalam silikon terarah.

• Lembaran silikon terarah 0.20mm boleh digunakan pada frekuensi 400Hz atau kurang, dengan ketumpatan fluks magnet mencapai 1.5T dan kerugian besi relatif rendah.

• Lembaran silikon terarah 0.15mm, apabila beroperasi pada frekuensi 1kHz dengan ketumpatan fluks magnet 1.0T, mempunyai nilai kerugian besi kurang daripada 30W/kg. Oleh itu, spesifikasi lembaran tipis ini sesuai untuk digunakan pada 1kHz atau kurang.

• Lembaran silikon terarah 0.10mm dan 0.08mm lebih layak digunakan pada frekuensi di bawah 3kHz. Pada frekuensi 3kHz, lembaran silikon terarah 0.10mm digunakan dengan ketumpatan fluks magnet kira-kira 0.50T. Dalam keadaan yang sama, spesifikasi 0.08mm boleh menggunakan nilai ketumpatan fluks magnet sedikit lebih tinggi, seperti 0.50-0.80T.

• Lembaran silikon terarah 0.05mm, apabila beroperasi pada frekuensi 5kHz, boleh mempunyai nilai ketumpatan fluks magnet 0.5-0.6T. Oleh itu, lembaran silikon terarah 0.05mm mempunyai julat aplikasi yang paling luas di antara lima spesifikasi yang disebutkan di atas dan sesuai untuk digunakan pada 5kHz dan di bawahnya.

(3) Pemerkemaran Domain Magnetik

Teknologi Grooving: Narita dari Jepun melaporkan tentang kesan grooving terhadap struktur domain dan kerugian dalam silikon terarah, menunjukkan bahawa grooving tegak lurus terhadap arah lembaran dapat mengurangi jarak dinding domain dan kerugian arus eddy.

Teknologi Pemprosesan Laser menggunakan ciri-ciri pemanasan dan pendinginan yang cepat untuk merawat permukaan lembaran silikon terarah melalui penandaan garis, mendorong deformasi plastik mikro dan dislokasi berketumpatan tinggi di kawasan yang dipanaskan, mengurangi panjang dinding domain utama, sambil secara serentak menghasilkan tekanan tarikan sisa, mencapai tujuan pemerkemaran domain magnetik dan mengurangi kerugian besi.

Ada dua kaedah pemprosesan laser: pulsed dan continuous laser processing.

3. Pengaruh Permukaan Silikon Terarah terhadap Bunyi Transformator

Salah satu penyebab utama bunyi transformator adalah magnetostriction inti silikon terarah.

Magnetostriction merujuk kepada perubahan panjang bahan feromagnetik semasa magnetisasi. Magnetostriction silikon terarah sangat berkaitan dengan adanya pelapis isolasi permukaan. Tegangan dari pelapis pada lembaran silikon dapat mengimbangi tekanan yang dihasilkan oleh bahan dan perakitan transformator, sehingga mengurangi bunyi transformator. Lembaran baja tanpa pelapis sangat sensitif terhadap tekanan. Semakin bertambah tekanan, nilai magnetostriction meningkat dengan tajam, manakala lembaran yang dilapisi menunjukkan kenaikan nilai magnetostriction yang kurang signifikan dengan peningkatan tekanan, menunjukkan sensitivitas yang lebih rendah terhadap tekanan.

Diinginkan agar silikon terarah memiliki magnetostriction rendah untuk mengurangi sensitivitasnya terhadap tekanan, sambil juga mengurangi bunyi. Karena tekanan dihasilkan semasa perakitan inti transformator, perlu untuk mengurangi sensitivitas bahan terhadap tekanan. Berkat pelapis, sensitivitas silikon terarah terhadap tekanan semasa magnetostriction berkurang, dan bunyi transformator juga berkurang.

Selain itu, penerapan pelapis isolasi pada silikon terarah umumnya masih memiliki efek mengurangi kerugian spesifik, mengurangi kerugian besi sebanyak 9%-14%. Kualitas pelapis isolasi sebaiknya lebih dari 5g/m².

4. Pengaruh Silikon Terarah Permeabiliti Tinggi terhadap Kerugian Beban Kosong dan Tahap Bunyi Transformator Kuasa

Kelebihan Hi-B high-permeability oriented silicon steel adalah seperti berikut:

(1) Ciri-ciri Magnetisasi yang Baik

Ciri-ciri magnetisasi biasanya diukur melalui ketumpatan fluks magnet pada 800A/m untuk menilai kualitinya. Hi-B high-permeability oriented silicon steel mempunyai permeabiliti relatif sekitar 1920 pada 800A/m, manakala baja CGO adalah 1820. Penggunaan Hi-B high-permeability oriented silicon steel sebagai bahan inti untuk mengurangkan kehilangan tanpa beban adalah yang paling efektif untuk penghematan tenaga.

(2) Magnetostriction Rendah

Magnetostriction merujuk kepada pelebaran dan pengecutan panjang inti dalam arah magnetisasi semasa magnetisasi AC, yang merupakan salah satu punca utama bunyi hiruk pikuk transformer. Oleh kerana Hi-B high-permeability oriented silicon steel mempunyai magnetostriction rendah, ia sangat mengurangkan bunyi hiruk pikuk transformer dan pencemaran alam sekitar.

5. Pengaruh Teknologi Pemprosesan Inti Transformator Kuasa

Semasa pembuatan dan pemprosesan, baja silikon terarah diserang oleh tekanan gunting dan impak pegangan manual. Pemprosesan mekanikal dan faktor-faktor kemerosotan luaran secara signifikan mempengaruhi kehilangan spesifik lembaran baja silikon, kadangkala meningkatkan kehilangan spesifik sebanyak 3.08%-31.6%.

Serpihan dari pemotongan longitudinal baja silikon terarah: Jika kualiti pemotongan buruk dengan penyimpangan dimensi yang besar, apabila menumpuk inti, ia akan menyebabkan jurang besar antara lembaran, banyak tindihan, dan lapisan inti yang tidak rata, mengakibatkan peningkatan arus tanpa beban, kadangkala melebihi piawaian. Selepas penghapusan serpihan, kehilangan spesifik berkurang. Ujian menunjukkan bahawa selepas penghapusan serpihan 30QG120, kehilangan spesifik P1.5 berkurang sebanyak 2.1%-2.6% (purata 2.3%), dan P1.7 berkurang sebanyak 1.6%-3.5% (purata 2.5%).

Meningkatkan kualiti pemotongan baja silikon terarah, mengurangkan serpihan, sambil meningkatkan kelancaran, dan menerapkan daya pemampatan yang sesuai kepada tiang inti. Maklum balas daripada pembuat transformator menunjukkan bahawa pengurangan serpihan sebanyak 0.02mm mengurangkan ketebalan tumpukan keseluruhan (di titik pemampatan) sebanyak 2-3mm, dan bunyi hiruk pikuk berkurang sebanyak 3-4dB. Oleh itu, serpihan harus dikawal dalam 0.03mm.

Baja silikon terarah perlu menjalani pemotongan, pencetakan, dan penumpukan, yang menghasilkan tekanan dalaman, menyebabkan deformasi butiran, mengakibatkan penurunan permeabiliti magnetik dan peningkatan kehilangan besi spesifik. Tekanan yang dihasilkan dalam baja silikon terarah semasa pemotongan, pencetakan, penumpukan, dan operasi pemprosesan lain boleh dikurangkan melalui perlakuan annealing, yang dapat mengurangkan kehilangan besi spesifik baja silikon terarah yang dicetak dingin sekitar 30%.