การส่งผลกระทบของเหล็กซิลิคอนที่มีทิศทางต่อประสิทธิภาพและความดังของทรานสฟอร์เมอร์

1. แนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตหม้อแปลงไฟฟ้าในประเทศจีน

หม้อแปลงไฟฟ้ากำลังพัฒนาไปในสองทิศทาง:

ประการแรก การพัฒนาไปสู่หม้อแปลงแรงดันสูงมากขนาดใหญ่ ซึ่งระดับแรงดันเพิ่มขึ้นจาก 220kV, 330kV, และ 500kV ไปสู่ 750kV และ 1000kV.

ประการที่สอง การพัฒนาไปสู่ประเภทที่ประหยัดพลังงาน ขนาดเล็ก ความเสียงต่ำ อิมพีแดนซ์สูง และป้องกันการระเบิด ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นหม้อแปลงขนาดเล็กถึงกลาง เช่น หม้อแปลงกระจายไฟฟ้ารุ่นใหม่ S13 และ S15 ที่แนะนำสำหรับการปรับปรุงระบบไฟฟ้าในเมืองและชนบท.

ทิศทางการพัฒนาหม้อแปลงในอนาคตของจีนยังคงเน้นที่ประเภทที่ประหยัดพลังงาน ความเสียงต่ำ ป้องกันไฟไหม้และการระเบิด และความน่าเชื่อถือสูง.

2. ผลกระทบของวัสดุเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางต่อประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้า

ในประเทศอุตสาหกรรมที่พัฒนาแล้ว พลังงานไฟฟ้าที่ถูกใช้เนื่องจากการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าในเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางสำหรับหม้อแปลงประมาณ 4% ของกำลังผลิตไฟฟ้าทั้งหมด ดังนั้น การลดการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าในเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางจึงเป็นหัวข้อสำคัญในการวิจัยของบริษัทเหล็กซิลิกอนทั่วโลก การสูญเสียจากการนำไฟฟ้าสามารถแยกออกเป็นการสูญเสียจากกระแสวนและแรงดันคลื่น.

เกี่ยวกับวัสดุเหล็กซิลิกอน วิธีหลักในการลดการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าในเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางคือ เพิ่มปริมาณซิลิกอน ลดความหนาของแผ่น และเทคโนโลยีการปรับปรุงโดเมนแม่เหล็ก.

(1) เพิ่มปริมาณซิลิกอน

ปัจจุบัน เหล็กซิลิกอนที่ผลิตในอุตสาหกรรมมีปริมาณซิลิกอนมากกว่า 3.0% โดยมวล หากเพิ่มขึ้นถึง 6.5% การสูญเสียจากเหล็กซิลิกอนจะลดลงอย่างมาก ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับใช้งานในช่วงความถี่ 400Hz ถึง 10kHz.

(2) ลดความหนาของแผ่น

เหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางที่ใช้อยู่ในปัจจุบันกำลังบางลง ความหนา 0.35mm ได้ถูกยกเลิก ความหนาที่ใช้ทั่วไปคือ 0.3mm, 0.27mm, 0.23mm, และ 0.18mm ซึ่งสามารถลดการสูญเสียจากกระแสวนในเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทาง.

• แผ่นเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางความหนา 0.20mm สามารถใช้งานได้ที่ความถี่ 400Hz หรือน้อยกว่า ด้วยความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก 1.5T และการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าน้อย.

• แผ่นเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางความหนา 0.15mm เมื่อทำงานที่ความถี่ 1kHz ด้วยความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก 1.0T มีค่าการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าน้อยกว่า 30W/kg ดังนั้น ขนาดแผ่นนี้เหมาะสมสำหรับใช้งานที่ความถี่ 1kHz หรือน้อยกว่า.

• แผ่นเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางความหนา 0.10mm และ 0.08mm เหมาะสมสำหรับใช้งานที่ความถี่ต่ำกว่า 3kHz ที่ความถี่ 3kHz แผ่นเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางความหนา 0.10mm ใช้งานด้วยความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กประมาณ 0.50T ในเงื่อนไขเดียวกัน ขนาด 0.08mm สามารถใช้ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กสูงขึ้นเล็กน้อย เช่น 0.50-0.80T.

• แผ่นเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางความหนา 0.05mm เมื่อทำงานที่ความถี่ 5kHz สามารถมีค่าความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก 0.5-0.6T ดังนั้น แผ่นเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางความหนา 0.05mm มีขอบเขตการใช้งานกว้างที่สุดในขนาดทั้งห้าที่กล่าวมา และเหมาะสมสำหรับใช้งานที่ความถี่ 5kHz หรือน้อยกว่า.

(3) การปรับปรุงโดเมนแม่เหล็ก

เทคโนโลยีการทำร่อง: นาริตะของญี่ปุ่นรายงานถึงผลของการทำร่องต่อโครงสร้างโดเมนและความสูญเสียในเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทาง ระบุว่าการทำร่องตั้งฉากกับทิศทางของแผ่นสามารถลดระยะห่างระหว่างกำแพงโดเมนและการสูญเสียจากกระแสวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ.

เทคโนโลยีการแปรรูปด้วยเลเซอร์ใช้คุณสมบัติของการทำความร้อนและเย็นอย่างรวดเร็วในการรักษาผิวของแผ่นเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางผ่านการทำเครื่องหมายเส้น กระตุ้นการเปลี่ยนรูปพลาสติกขนาดเล็กและการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของดิสโลเคชันในพื้นที่ที่ถูกทำความร้อน ลดความยาวของกำแพงโดเมนหลัก ในขณะเดียวกันก็สร้างความเครียดแบบยืดออก ทำให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการปรับปรุงโดเมนแม่เหล็กและการลดการสูญเสียจากการนำไฟฟ้า.

มีวิธีการแปรรูปด้วยเลเซอร์สองวิธี คือ การแปรรูปด้วยเลเซอร์แบบพัลส์และการแปรรูปด้วยเลเซอร์แบบต่อเนื่อง.

3. ผลกระทบของผิวเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางต่อเสียงรบกวนของหม้อแปลง

หนึ่งในสาเหตุหลักของเสียงรบกวนของหม้อแปลงคือ magnetostriction ของแกนเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทาง.

Magnetostriction หมายถึงการเปลี่ยนแปลงความยาวของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติคระหว่างการ намагничивание. Magnetostriction ของเหล็กซิлікон з визначеною напрямом сильно пов'язана з наявністю поверхневого ізоляційного покриття. Натяг покриття на листи силиконової сталі може компенсувати стиснучі напруження, що виникають внаслідок матеріалу та зборки трансформатора, таким чином зменшуючи шум трансформатора. Листи сталі без покриття дуже чутливі до стиснучих напружень. З ростом тиску значення magnetostriction стрімко зростає, але на покритих листах збільшення значення magnetostriction при збільшенні стиснучих напружень менше, що свідчить про нижчу чутливість до стиснучих напружень.

Бажано, щоб силиконова сталь з визначеною напрямом мала низьке значення magnetostriction, щоб зменшити її чутливість до напружень, а також шум. Оскільки напруження виникають під час збирання ядра трансформатора, необхідно зменшити чутливість матеріалу до напружень. Через покриття, чутливість силиконової сталі з визначеною напрямом до напружень при magnetostriction зменшується, а шум трансформатора також знижується.

Крім того, нанесення ізоляційного покриття на силиконову сталь з визначеною напрямом загалом має ефект зменшення специфічних втрат, зменшуючи втрати від провідності на 9%-14%. Якість ізоляційного покриття повинна бути, бажано, вище 5g/m².

4. ผลกระทบของเหล็กซิลิกอนที่มีการกำหนดทิศทางและมีความโปร่งใสสูงต่อการสูญเสียโดยไม่มีโหลดและระดับเสียงรบกวนของหม้อแปลงไฟฟ้า

ข้อดีของเหล็กซิลิคอนเกรดไห-บีที่มีความสามารถในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสูงมีดังนี้:

(1) คุณสมบัติการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยม

คุณสมบัติการเหนี่ยวนำแม่เหล็กมักวัดจากความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กที่ระดับ 800A/m เพื่อประเมินคุณภาพ โดยเหล็กซิลิคอนเกรดไห-บีที่มีความสามารถในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสูงจะมีค่าความเหนี่ยวนำสัมพัทธ์ประมาณ 1920 ที่ระดับ 800A/m ในขณะที่เหล็ก CGO มีค่า 1820 การใช้เหล็กซิลิคอนเกรดไห-บีที่มีความสามารถในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสูงเป็นวัสดุแกนเพื่อลดการสูญเสียพลังงานขณะไม่มีภาระถือเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการประหยัดพลังงาน

(2) การเปลี่ยนรูปภายใต้สนามแม่เหล็กต่ำ

การเปลี่ยนรูปภายใต้สนามแม่เหล็ก (Magnetostriction) หมายถึง การขยายหรือหดตัวของแกนในทิศทางที่ถูกเหนี่ยวนำแม่เหล็กในช่วงที่มีการเหนี่ยวนำแบบกระแสสลับ ซึ่งเป็นสาเหตุหลักประการหนึ่งที่ทำให้หม้อแปลงเกิดเสียงรบกวน เนื่องจากเหล็กซิลิคอนเกรดไห-บีที่มีความสามารถในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสูงมีค่าการเปลี่ยนรูปภายใต้สนามแม่เหล็กต่ำ จึงช่วยลดเสียงรบกวนจากหม้อแปลงและมลภาวะทางสิ่งแวดล้อมได้อย่างมาก

5. อิทธิพลของเทคโนโลยีการแปรรูปแกนหม้อแปลงไฟฟ้า

ระหว่างกระบวนการผลิตและการแปรรูป เหล็กซิลิคอนที่มีทิศทางจะได้รับแรงเฉือนและความกระทบจากการจัดการด้วยมือ ปัจจัยด้านกลไกและการเสื่อมสภาพภายนอกมีผลกระทบอย่างมากต่อการสูญเสียเฉพาะของแผ่นเหล็กซิลิคอน บางครั้งอาจทำให้การสูญเสียเฉพาะเพิ่มขึ้น 3.08%-31.6%

เศษคม (Burrs) จากการตัดตามแนวยาวของเหล็กซิลิคอนที่มีทิศทาง: หากคุณภาพการตัดต่ำและมีความเบี่ยงเบนของขนาดมาก เมื่อนำมาซ้อนกันเป็นแกน จะทำให้เกิดช่องว่างระหว่างแผ่นขนาดใหญ่ แผ่นทับซ้อนกันมาก และชั้นของแกนไม่เรียบเสมอกัน ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าขณะไม่มีภาระเพิ่มขึ้น บางครั้งเกินมาตรฐาน หลังจากการลบเศษคมออกแล้ว การสูญเสียเฉพาะจะลดลง การทดสอบแสดงให้เห็นว่าหลังจากการลบเศษคมบนผลิตภัณฑ์ 30QG120 การสูญเสียเฉพาะ P1.5 ลดลง 2.1%-2.6% (เฉลี่ย 2.3%) และ P1.7 ลดลง 1.6%-3.5% (เฉลี่ย 2.5%)

การปรับปรุงคุณภาพการตัดของเหล็กซิลิคอนที่มีทิศทาง ลดเศษคม พร้อมทั้งปรับปรุงความเรียบแบน และใช้แรงยึดที่เหมาะสมกับเสาแกน ข้อมูลย้อนกลับจากผู้ผลิตหม้อแปลงระบุว่า การลดเศษคมลง 0.02 มม. จะทำให้ความหนาของการซ้อนรวม (ที่จุดยึด) ลดลง 2-3 มม. และเสียงรบกวนลดลง 3-4 dB ดังนั้นควรควบคุมเศษคมให้อยู่ภายใน 0.03 มม.

เหล็กซิลิคอนที่มีทิศทางจำเป็นต้องผ่านกระบวนการตัด ตอก และการซ้อน ซึ่งจะก่อให้เกิดความเครียดภายใน ทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของผลึก ส่งผลให้ความสามารถในการเหนี่ยวนำแม่เหล็กลดลง และการสูญเสียเหล็กเฉพาะเพิ่มขึ้น ความเครียดที่เกิดขึ้นในเหล็กซิลิคอนที่มีทิศทางระหว่างกระบวนการตัด ตอก ซ้อน และการแปรรูปอื่นๆ สามารถลดลงได้โดยการอบอ่อน (annealing treatment) ซึ่งสามารถลดการสูญเสียเหล็กเฉพาะของเหล็กกล้าซิลิคอนรีดเย็นที่มีทิศทางได้ประมาณ 30%