Опыт производства трансформаторов Rockwill — выбор сердечника для различных стандартных требований

Поле: Производство

10Year<

China

Встречаясь с различными стандартными системами (IEC, IEEE, GB и т.д.) и специальными приложениями, такими как фотоэлектричество, ветроэнергетика и железнодорожный транспорт, Rockwill разработал систематический метод выбора сердечника трансформатора. Основная идея: параметризация стандартных требований в точные ограничения на материал, структуру, плотность потока и производственный процесс. Это не просто вопрос накладывания материалов, а строгое инженерное решение, основанное на анализе данных — в конечном итоге предоставляя соответствующие, надежные и оптимизированные по стоимости решения для сердечников трансформаторов клиентам по всему миру.

Класс энергоэффективности как руководство — точное соответствие марки и толщины электротехнической стали

Различные стандарты предъявляют значительно отличающиеся требования к потерям холостого хода, что делает это первым жестким ограничением при выборе сердечника.
Для китайского стандарта GB 20052-2020 по энергоэффективности распределительных трансформаторов новые классы эффективности очень строги, особенно уровни 1 и 2. Для достижения таких низких потерь Rockwill использует ультратонкую электротехническую сталь Hi-B толщиной 0,20 мм или 0,23 мм (например, 23QH080, 20QH070) или напрямую рекомендует аморфные сплавы. Потери холостого хода аморфных сплавов составляют всего около 1/3 от потерь обычной электротехнической стали, что делает их одним из самых экономичных путей для достижения уровня 1 эффективности для масляных распределительных трансформаторов.
Для европейского стандарта EcoDesign Tier 2, чьи ограничения на потери немного менее строги, чем уровень 3 Китая, Rockwill обычно выбирает высококачественную электротехническую сталь Hi-B толщиной 0,23 мм или 0,27 мм с соединениями типа «ступенька», удовлетворяя требованиям по разумной стоимости.
Для стандарта энергоэффективности США DOE 2016, который акцентирует внимание на общей эффективности, мы обычно используем электротехническую сталь Hi-B толщиной 0,23 мм с высокой проницаемостью и низкими потерями, специально оптимизированную для работы на частоте 60 Гц.
На практике Rockwill создал базу данных перекрестных ссылок на ограничения потерь для основных глобальных стандартов энергоэффективности. Вводя номинальную мощность и класс напряжения, система автоматически рекомендует наиболее дешевую подходящую марку стали.

Требования к шуму определяют структуру сердечника и рабочую плотность потока

Ограничения на уровень шума напрямую стимулируют инновации в структуре сердечника.

Для применения с низким уровнем шума — жилые зоны, требующие <45 дБ, соответствие директиве ЕС по шуму и т.д. — магнитострикция является основным источником шума. Rockwill решает эту проблему с трех сторон:
Первое, выбор материалов с низкой магнитострикцией и обеспечение того, чтобы процесс отжига электротехнической стали Hi-B полностью снимал напряжение. Второе, изменение структуры сердечника, приоритет отдается накатанным сердечникам (трехмерным или плоским). Накатанные сердечники не имеют наложенных соединений, имеют меньший ток холостого хода и могут снизить шум на 5–8 дБ(А) по сравнению с насаженными сердечниками. Для проектов с крайне жесткими требованиями к шуму, трехмерные накатанные сердечники легко могут поддерживать уровень шума ниже 38 дБ(А). Третье, снижение рабочей плотности потока, уменьшая ее с традиционных 1,7 Т до 1,55–1,6 Т. Это увеличивает поперечное сечение сердечника и стоимость, но является необходимым компромиссом в приложениях, чувствительных к шуму.
Для общепромышленных применений, соответствующих IEC 60076-10 и аналогичным стандартам, насаженные сердечники с соединениями типа «ступенька» и умеренной плотностью потока удовлетворяют большинству требований с наилучшим соотношением цены и качества.

iee-business

Гармонические и специальные нагрузки — запас по плотности потока и более тонкие листы

Применения, такие как инверторы фотогальванических установок, преобразователи ветроэнергетики и электродуговые печи, имеют высокое содержание гармоник. Соответствующие стандарты требуют, чтобы трансформаторы выдерживали дополнительные потери и перегрев, вызванные гармоническими токами. На основе IEEE C57.159, IEC 60076-16, GB/T 36292 и т.д., контрмеры Rockwill включают:

Запас по перенапряжению: проектирование номинальной плотности потока консервативно (например, 1,60–1,65 Т) для предотвращения насыщения сердечника от гармонических напряжений.
Использование более тонких листов: предпочтение отдается электротехнической стали толщиной 0,23 мм или даже 0,20 мм для снижения потерь от вихревых токов, вызванных высокочастотными гармониками.
Встраивание оптоволоконных датчиков температуры в горячие точки сердечника для обеспечения, чтобы повышение температуры сердечника оставалось в пределах теплового класса изоляции при полной нагрузке с гармоническими условиями.

iee-business

Приспособление к ограничениям по размеру и транспортировке — оптимизация геометрии сердечника

Оффшорные ветрогенераторы, городские подземные подстанции и аналогичные сценарии накладывают строгие ограничения на размеры трансформаторов.
Когда высота ограничена (например, при применении в оффшорных ветровых башнях), часто используется сердечник с пятью лапами или намотанный сердечник. Конструкция с пятью лапами значительно уменьшает высоту верхней и нижней траверсы, снижая транспортную высоту на 10–15%. Намотанные сердечники также предлагают высокий коэффициент заполнения и уменьшенный объем. В этих случаях выбирается более качественная электротехническая сталь, чтобы компенсировать потенциальное увеличение потерь из-за уменьшения сечения траверсы.
Когда вес ограничен, выбор электротехнической стали склоняется к более тонким, с меньшими потерями маркам, поскольку при одинаковой плотности магнитного потока можно спроектировать меньшее сечение сердечника, что снижает общий вес.

Различия в проектировании для 50 Гц и 60 Гц — специализированное инженерное решение

Потери в сердечнике пропорциональны частоте, возведенной в степень 1,6, поэтому потери при 60 Гц значительно выше, чем при 50 Гц. Rockwill поддерживает независимые базы данных магнитных характеристик и кривых потерь для североамериканского (60 Гц) и евразийского (50 Гц) рынков.
При проектировании трансформатора на 60 Гц мы никогда не просто применяем конструкцию сердечника, разработанную для 50 Гц. Вместо этого мы точно контролируем потери холостого хода, корректируя плотность магнитного потока или выбирая следующую более тонкую марку электротехнической стали, чтобы соответствовать требованиям эффективности DOE или IEC на каждой частоте.

Настройка структуры сердечника для конкретных стандартов продукции

Для однофазных цилиндрических трансформаторов американского типа, разработанных в соответствии со стандартами IEEE C57.12.20 и DOE, цилиндрический бак и компактная конструкция требуют сердечника, который обеспечивает крайне низкие потери и высокую надежность в ограниченном пространстве. Rockwill обычно выбирает высококачественную Hi-B электротехническую сталь для прямоугольных намоточных сердечников, используя их бесшовную конструкцию и высокий коэффициент заполнения, чтобы идеально соответствовать цилиндрической обмотке. Это соответствует американским стандартам по перегрузочной способности и прочности на короткое замыкание, сохраняя потери холостого хода на очень низком уровне.

Для применения, которые должны оставаться совместимыми с существующими процессами штамповки, используется полностью скошенный, пятиступенчатый оболочечный сердечник, обеспечивающий низкий уровень шума и равномерное распределение магнитного потока в цилиндрической конструкции.

10kv单相25kVA极式配电变压器

Однофазный трансформатор напряжением 10 кВ мощностью 25 кВА, установленный на столбе

Процесс принятия решения по выбору сердечника трансформатора Rockwill

Для каждого нового проекта трансформатора инженеры следуют строгому пути:

Получение требований к стандартам проекта — определение пределов потерь холостого хода и нагрузки, пределов уровня шума, типа продукта и особых условий эксплуатации, ограничений по размеру и весу, а также частоты.
Предварительный выбор материала — выбор марки электротехнической стали или аморфного сплава на основе пределов потерь.
Определение структуры сердечника на основе типа продукта и требований к уровню шума — прямоугольный намоточный сердечник или оболочечный сердечник для однофазных цилиндрических трансформаторов американского типа; намоточный сердечник для очень низкого уровня шума в обычных распределительных трансформаторах, в противном случае оболочечный сердечник с соединениями внахлест.
Корректировка сечения сердечника или количества лап, чтобы удовлетворить ограничения по размеру и весу.
Проверка запаса по плотности магнитного потока и нагреву от вихревых токов для особых условий эксплуатации.
Проведение моделирования электромагнитного поля для оптимизации параметров после предварительного проектирования.
Завершение проектирования сердечника.

Заключение

В Rockwill выбор сердечника трансформатора является системным инженерным процессом, который переводит абстрактные стандарты (IEC, IEEE, GB) вместе с конкретными требованиями каждого типа продукта в четыре технические области — материал, плотность магнитного потока, структура и процесс, в конечном итоге сбалансированные техническое соответствие, эксплуатационная надежность и контроль затрат.

Редактировано:Леон