Orientatie van siliciumstaal en de invloed op de efficiëntie en geluid van transformatoren

1. Ontwikkelingstrends van de vervaardigingstechnologie van elektrische transformatoren in China

Elektrische transformatoren ontwikkelen zich voornamelijk in twee richtingen:

Ten eerste, de ontwikkeling naar extra grote ultra-hoge spanningstransformatoren, met spanningsniveaus die vooruitgaan van 220kV, 330kV en 500kV naar 750kV en 1000kV.

Ten tweede, de ontwikkeling naar energiebesparende, miniaturiseerde, laag-geluidsniveau, hoog-impedantie en ontploffingsvrije types. Deze producten zijn voornamelijk kleine en middelgrote transformatoren, zoals de nieuwe S13 en S15 distributietransformatoren die momenteel worden aanbevolen voor stads- en plattelandselektriciteitsnetwerken.

De toekomstige ontwikkelingsrichting van transformatoren in China zal blijven focussen op energie-efficiëntie, lage geluids niveaus, brand- en ontploffingsveiligheid, en hoge betrouwbaarheid.

2. Invloed van gerichte siliciumstaalmaterialen op de prestaties van elektrische transformatoren

In geïndustrialiseerde landen bedraagt het elektrisch verbruik door ijzerverlies in transformergericht siliciumstaal ongeveer 4% van de totale elektriciteitsproductie. Daarom is het verminderen van ijzerverlies in gericht siliciumstaal altijd een belangrijk onderzoeksgebied geweest voor siliciumstaalbedrijven over de hele wereld. IJzerverlies kan worden opgesplitst in wentelstroomverlies en hysteresisverlies.

Wat betreft siliciumstaalmateriaal, zijn de belangrijkste methoden om ijzerverlies in gericht siliciumstaal te verminderen het verhogen van de siliciuminhoud, het verminderen van de plaatdikte en magnetisch domein-verfijnstechnologie.

(1) Verhoging van de siliciuminhoud

Momenteel bevat industriële geproduceerde siliciumstaal meer dan 3,0% silicium per massa. Wanneer dit wordt verhoogd tot 6,5%, nemen de verliezen in siliciumstaal aanzienlijk af, waardoor het het optimale materiaal wordt voor gebruik in het frequentiebereik van 400Hz tot 10kHz.

(2) Vermindering van de plaatdikte

Het momenteel gebruikte gerichte siliciumstaal wordt steeds dunner. Een dikte van 0,35mm is uitgefaseerd, met algemene diktes nu 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm en 0,18mm, wat de wentelstroomverliezen in gericht siliciumstaal kan verminderen.

• Een dunne strook van 0,20mm gericht siliciumstaal kan worden gebruikt bij 400Hz of lager, met een magnetische fluxdichtheid die 1,5T bereikt en relatief laag ijzerverlies.

• Een dunne strook van 0,15mm gericht siliciumstaal, wanneer deze werkt op een frequentie van 1kHz met een magnetische fluxdichtheid van 1,0T, heeft een ijzerverlieswaarde van minder dan 30W/kg. Daarom is deze specificatie van de dunne strook geschikt voor gebruik bij 1kHz of lager.

• Dunne stroken van 0,10mm en 0,08mm gericht siliciumstaal zijn meer geschikt voor gebruik bij frequenties onder 3kHz. Bij een frequentie van 3kHz wordt een dunne strook van 0,10mm gericht siliciumstaal gebruikt met een magnetische fluxdichtheid van ongeveer 0,50T. Onder dezelfde omstandigheden kan de 0,08mm-specificatie iets hogere magnetische fluxdichtheidwaarden gebruiken, zoals 0,50-0,80T.

• Een dunne strook van 0,05mm gericht siliciumstaal, wanneer deze werkt op een frequentie van 5kHz, kan een magnetische fluxdichtheidwaarde hebben van 0,5-0,6T. Daarom heeft de dunne strook van 0,05mm gericht siliciumstaal het breedste toepassingsbereik van de vijf genoemde specificaties en is deze geschikt voor gebruik bij 5kHz en lager.

(3) Magnetisch domein-verfijning

Groevetechnologie: Japan's Narita rapporteerde over het effect van groeven op het domeinstructuur en verliezen in gericht siliciumstaal, waarbij werd aangegeven dat groeven loodrecht op de strookrichting effectief de domeinwandafstand en wentelstroomverliezen kunnen verminderen.

Laserbewerkings technologie maakt gebruik van de eigenschappen van snelle verwarming en afkoeling om de oppervlakte van gericht siliciumstaalplaten te behandelen via lijnmarkering, waardoor micro-plastische vervorming en hoge dichtheid dislocaties in de verwarmde zone worden bevorderd, de lengte van de hoofddomeinwand wordt verkleind, terwijl tegelijkertijd residuele trekspanningen worden geproduceerd, waardoor het doel van het verfijnen van magnetische domeinen en het verminderen van ijzerverlies wordt bereikt.

Er zijn twee laserbewerkingsmethoden: gepulseerde en continue laserbewerking.

3. Invloed van de oppervlakte van gericht siliciumstaal op transformatorgeluid

Een van de belangrijkste oorzaken van transformatorgeluid is de magnetostrictie van kernen van gericht siliciumstaal.

Magnetostrictie verwijst naar de verandering in lengte van ferromagnetisch materiaal tijdens magnetisatie. De magnetostrictie van gericht siliciumstaal is sterk gerelateerd aan de aanwezigheid van een oppervlak-isolatiecoating. De spanning van de coating op siliciumstaalplaten kan de comprimerende spanningen die door materialen en transformatormontage worden gegenereerd, tegenwerken, waardoor het transformatorgeluid wordt verminderd. Ongecoateerde platen zijn zeer gevoelig voor comprimerende spanning. Naarmate de druk toeneemt, neemt de magnetostrictiewaarde scherp toe, terwijl gecoateerde platen een minder significante toename in de magnetostrictiewaarde tonen bij toenemende comprimerende spanning, wat wijst op een lagere gevoeligheid voor comprimerende spanning.

Het is wenselijk dat gericht siliciumstaal een lage magnetostrictie heeft om de gevoeligheid voor spanning te verminderen, evenals het geluid. Aangezien spanning wordt gegenereerd tijdens de montage van de transformatorkern, is het nodig om de gevoeligheid van het materiaal voor spanning te verminderen. Door de coating wordt de gevoeligheid van gericht siliciumstaal voor spanning tijdens magnetostrictie verminderd, en ook het transformatorgeluid wordt verlaagd.

Daarnaast heeft het aanbrengen van een isolatiecoating op gericht siliciumstaal in het algemeen nog steeds het effect van het verminderen van specifieke verliezen, waarbij het ijzerverlies met 9%-14% wordt verminderd. De kwaliteit van de isolatiecoating moet liever boven de 5g/m² liggen.

4. Invloed van hoogpermeabele gericht siliciumstaal op de leegloopverliezen en geluidsniveaus van elektrische transformatoren

De voordelen van Hi-B hoogpermeabele gerichte siliciumstaal zijn als volgt:

(1) Uitstekende Magnetisatiekenmerken

Magnetisatiekenmerken worden meestal gemeten aan de hand van de magnetische fluxdichtheid bij 800A/m om hun kwaliteit te beoordelen. Hi-B hoogpermeabele gerichte siliciumstaal heeft een relatieve permeabiliteit van ongeveer 1920 bij 800A/m, terwijl CGO staal 1820 is. Het gebruik van Hi-B hoogpermeabele gerichte siliciumstaal als kernmateriaal om het leegloopverlies te verlagen is het meest effectief voor energiebesparing.

(2) Lage Magnetostrictie

Magnetostrictie verwijst naar de lengte-expansie en -contractie van de kern in de richting van de magnetisatie tijdens wisselspanningsmagnetisatie, wat een van de belangrijkste oorzaken is van transformatorgekraak. Aangezien Hi-B hoogpermeabele gerichte siliciumstaal een lage magnetostrictie heeft, wordt het transformatorgekraak en milieuvervuiling aanzienlijk verminderd.

5. Invloed van de Verwerkings technologie van Transformatorkernen

Tijdens de vervaardiging en verwerking wordt gericht siliciumstaal blootgesteld aan schuifspanningen en impacten door handmatige behandeling. Mechanische verwerking en externe verouderingsfactoren hebben een aanzienlijke invloed op het specifieke verlies van siliciumstaalplaten, soms met een toename van 3,08% tot 31,6%.

Borsteltjes van longitudinale snijdingen in gericht siliciumstaal: Als de snijkwaliteit slecht is met grote afmetingsafwijkingen, veroorzaakt dit bij het stapelen van de kern grote tussenruimten tussen de platen, veel overlappen en onevene kernen, wat resulteert in een toename van het leegloopstroom, soms boven de norm. Na deburring neemt het specifieke verlies af. Tests tonen aan dat na deburring van 30QG120, het specifieke verlies P1.5 afneemt met 2,1% tot 2,6% (gemiddeld 2,3%) en P1.7 met 1,6% tot 3,5% (gemiddeld 2,5%).

Verbetering van de snijkwaliteit van gericht siliciumstaal, verminderen van borsteltjes, evenals verbetering van de vlakheid, en toepassing van een passende klemspanning op de kernkolommen. Feedback van transformatorfabrikanten wijst uit dat het verminderen van borsteltjes met 0,02 mm de totale gestapelde dikte (op klempunten) doet afnemen met 2-3 mm, en het lawaai met 3-4 dB. Daarom moeten borsteltjes binnen 0,03 mm worden gecontroleerd.

Gericht siliciumstaal moet worden gesneden, gestanst en gestapeld, wat interne spanningen genereert, waardoor de korrelvorm vervormt, wat leidt tot een afname van de magnetische permeabiliteit en een toename van het specifieke ijzerverlies. De spanningen die ontstaan in gericht siliciumstaal tijdens snijden, stampen, stapelen en andere verwerkingsoperaties kunnen worden verminderd door annealing-behandeling, wat het specifieke ijzerverlies van koudgewalst gericht siliciumstaal met ongeveer 30% kan verlagen.