Impacto do Aço Silício Orientado na Eficiência e no Ruído dos Transformadores

1. Tendências de Desenvolvimento da Tecnologia de Fabricação de Transformadores de Potência na China

Os transformadores de potência estão se desenvolvendo principalmente em duas direções:

Primeiro, o desenvolvimento em direção a transformadores ultra-alta tensão extra-grandes, com níveis de tensão avançando de 220kV, 330kV e 500kV para 750kV e 1000kV.

Segundo, o desenvolvimento em direção a tipos econômicos, miniaturizados, de baixo ruído, alta impedância e à prova de explosões. Esses produtos são principalmente transformadores pequenos e médios, como os novos transformadores de distribuição S13 e S15 atualmente recomendados para a modernização das redes elétricas urbanas e rurais.

A direção futura do desenvolvimento de transformadores na China ainda se concentrará em tipos eficientes em energia, de baixo ruído, resistentes a incêndios e explosões, e de alta confiabilidade.

2. Influência do Material de Aço Silício Orientado no Desempenho do Transformador de Potência

Nos países industrializados, a energia elétrica consumida devido à perda de ferro no aço silício orientado para transformadores representa aproximadamente 4% da geração total de energia. Portanto, reduzir a perda de ferro do aço silício orientado sempre foi um importante tema de pesquisa para as empresas de aço silício em todo o mundo. A perda de ferro pode ser decomposta em perda por corrente parasita e perda por histerese.

Em relação ao material de aço silício, os principais métodos para reduzir a perda de ferro no aço silício orientado são aumentar o teor de silício, reduzir a espessura da lâmina e a tecnologia de refinamento de domínios magnéticos.

(1) Aumento do Teor de Silício

Atualmente, o aço silício produzido industrialmente contém mais de 3,0% de silício em massa. Quando aumentado para 6,5%, as perdas do aço silício diminuem significativamente, tornando-o o material ideal para uso na faixa de frequência de 400Hz a 10kHz.

(2) Redução da Espessura da Lâmina

O aço silício orientado atualmente utilizado está ficando cada vez mais fino. A espessura de 0,35mm foi descontinuada, com espessuras comuns agora sendo 0,3mm, 0,27mm, 0,23mm e 0,18mm, o que pode reduzir as perdas por corrente parasita no aço silício orientado.

• A fita fina de aço silício orientado de 0,20mm pode ser usada a 400Hz ou abaixo, com densidade de fluxo magnético atingindo 1,5T e perda de ferro relativamente baixa.

• A fita fina de aço silício orientado de 0,15mm, quando operando a uma frequência de 1kHz com densidade de fluxo magnético de 1,0T, tem um valor de perda de ferro inferior a 30W/kg. Portanto, essa especificação de fita fina é adequada para uso a 1kHz ou abaixo.

• As fitas finas de aço silício orientado de 0,10mm e 0,08mm são mais qualificadas para uso em frequências abaixo de 3kHz. Na frequência de 3kHz, a fita fina de aço silício orientado de 0,10mm é usada com uma densidade de fluxo magnético de cerca de 0,50T. Nas mesmas condições, a especificação de 0,08mm pode usar valores de densidade de fluxo magnético ligeiramente maiores, como 0,50-0,80T.

• A fita fina de aço silício orientado de 0,05mm, quando operando a uma frequência de 5kHz, pode ter um valor de densidade de fluxo magnético de 0,5-0,6T. Portanto, a fita fina de aço silício orientado de 0,05mm tem a maior faixa de aplicação entre as cinco especificações mencionadas acima e é adequada para uso a 5kHz e abaixo.

(3) Refinamento de Domínios Magnéticos

Tecnologia de Sulcos: Narita, do Japão, relatou o efeito dos sulcos na estrutura de domínios e nas perdas no aço silício orientado, apontando que os sulcos perpendiculares à direção da fita podem reduzir efetivamente o espaçamento das paredes de domínio e as perdas por corrente parasita.

A Tecnologia de Processamento a Laser utiliza as características de aquecimento e resfriamento rápidos para tratar a superfície das chapas de aço silício orientado através de marcação linear, promovendo deformação plástica microscópica e dislocações de alta densidade na área aquecida, reduzindo o comprimento da parede principal de domínio, enquanto simultaneamente produzindo tensão residual de tração, alcançando o objetivo de refinar os domínios magnéticos e reduzir a perda de ferro.

Existem dois métodos de processamento a laser: pulsado e contínuo.

3. Influência da Superfície do Aço Silício Orientado no Ruído do Transformador

Uma das principais causas do ruído do transformador é a magnetostricção dos núcleos de aço silício orientado.

Magnetostricção refere-se à mudança no comprimento do material ferromagnético durante a magnetização. A magnetostricção do aço silício orientado está fortemente relacionada à presença ou não de revestimento isolante na superfície. A tensão proveniente do revestimento nas chapas de aço silício pode contrabalançar as tensões compressivas geradas pelo material e pela montagem do transformador, reduzindo assim o ruído do transformador. As chapas sem revestimento são muito sensíveis às tensões compressivas. À medida que a pressão aumenta, o valor de magnetostricção aumenta rapidamente, enquanto as chapas revestidas mostram um aumento menos significativo no valor de magnetostricção com o aumento da tensão compressiva, indicando menor sensibilidade à tensão compressiva.

É desejável que o aço silício orientado tenha baixa magnetostricção para reduzir sua sensibilidade ao estresse e, ao mesmo tempo, reduzir o ruído. Como o estresse é gerado durante a montagem do núcleo do transformador, é necessário reduzir a sensibilidade do material ao estresse. Devido ao revestimento, a sensibilidade do aço silício orientado ao estresse durante a magnetostricção é reduzida, e o ruído do transformador também é reduzido.

Além disso, a aplicação de revestimento isolante no aço silício orientado geralmente ainda tem o efeito de reduzir a perda específica, reduzindo a perda de ferro em 9%-14%. A qualidade do revestimento isolante deve preferencialmente ser superior a 5g/m².

4. Influência do Aço Silício Orientado de Alta Permeabilidade na Perda a Vazio e no Nível de Ruído dos Transformadores de Potência

As vantagens do aço silício orientado de alta permeabilidade Hi-B são as seguintes:

(1) Excelentes Características de Magnetização

As características de magnetização são geralmente medidas pela densidade de fluxo magnético em 800A/m para avaliar sua qualidade. O aço silício orientado de alta permeabilidade Hi-B tem uma permeabilidade relativa de aproximadamente 1920 em 800A/m, enquanto o aço CGO é 1820. Usar o aço silício orientado de alta permeabilidade Hi-B como material do núcleo para reduzir a perda em vazio é o mais eficaz para economia de energia.

(2) Baixa Magnetoestruturação

Magnetoestruturação refere-se à expansão e contração do comprimento do núcleo na direção de magnetização durante a magnetização AC, que é uma das principais causas do ruído do transformador. Como o aço silício orientado de alta permeabilidade Hi-B tem baixa magnetoestruturação, ele reduz significativamente o ruído do transformador e a poluição ambiental.

5. Influência da Tecnologia de Processamento do Núcleo do Transformador de Potência

Durante a fabricação e o processamento, o aço silício orientado é submetido a tensões de cisalhamento e impactos de manipulação manual. O processamento mecânico e os fatores externos de deterioração afetam significativamente a perda específica das chapas de aço silício, às vezes aumentando a perda específica em 3,08%-31,6%.

Pelos resultantes do corte longitudinal do aço silício orientado: se a qualidade do corte for ruim com grandes desvios dimensionais, ao empilhar o núcleo, isso causará grandes lacunas entre as chapas, muitos sobreposições e lâminas do núcleo irregulares, resultando no aumento da corrente em vazio, às vezes ultrapassando os padrões. Após a remoção dos pelos, a perda específica diminui. Testes mostram que após a remoção dos pelos do 30QG120, a perda específica P1,5 diminui em 2,1%-2,6% (em média 2,3%) e P1,7 diminui em 1,6%-3,5% (em média 2,5%).

Melhorar a qualidade do corte do aço silício orientado, reduzir pelos, melhorar a planicidade e aplicar força de aperto adequada nas colunas do núcleo. Feedback de fabricantes de transformadores indica que a redução de pelos em 0,02mm diminui a espessura total empilhada (nos pontos de aperto) em 2-3mm, e o ruído diminui em 3-4dB. Portanto, os pelos devem ser controlados dentro de 0,03mm.

O aço silício orientado precisa passar por corte, estampagem e empilhamento, o que gera tensões internas, causando deformação de grãos, levando a uma diminuição da permeabilidade magnética e um aumento da perda específica de ferro. As tensões geradas no aço silício orientado durante o corte, estampagem, empilhamento e outras operações de processamento podem ser reduzidas pelo tratamento de recuperação, que pode diminuir a perda específica de ferro do aço silício orientado laminado a frio em aproximadamente 30%.