Željezna jezgra transformatora

 

Jezgra je glavni dio magnetskog kruga u transformatoru. Obično se sastoji od toplo valjanih ili hladno valjanih silicijskih čeličnih limova s ​​visokim sadržajem silicija i površine obložene izolacijskom bojom. Željezna jezgra i zavojnice oko nje čine kompletan sustav elektromagnetske indukcije. Količina snage koju prenosi energetski transformator ovisi o materijalu i površini poprečnog presjeka željezne jezgre.

 

 

2.1 Namotana jezgra i laminirana jezgra

2.1.1 namotana željezna jezgra

Namotana jezgra se obično koristi u malim i srednjim transformatorima (ispod 1000 kVA), transformatorima, magnetskim pojačalima i strujnim transformatorima nulte sekvence za zaštitu od curenja.

 

Materijali koji se koriste za namotanu jezgru su ultratanki hladno valjani silikonski čelični lim visoke propusnosti i meke magnetske trake kao što je permalloy. Debljina silikonskog čeličnog lima je 0.18~0.30; Debljina Permalloy trake je 0.03~0.10 mm. Uzimajući male i srednje transformatore kao primjer, uporaba namotane jezgre ima sljedeće prednosti:

1) Pod istim uvjetima, gubitak u praznom hodu navojne jezgre smanjen je za 7% do 10% u usporedbi s laminiranom jezgrom; Struja praznog hoda može se smanjiti za 50%~75%.

2) Namotana jezgra može biti izrađena od vrlo tankih hladno valjanih limova od silikonskog čelika visoke propusnosti, koji mogu proizvesti transformatore s nižim gubicima.

3) Namotana jezgra ima dobru sposobnost obrade, nema otpada od smicanja, a stopa iskorištenja je gotovo 100%. Također može usvojiti mehanizirani rad, eliminirajući proces slaganja, a učinkovitost proizvodnje je 5 do 10 puta veća od učinkovitosti laminirane jezgre.

4) Sama namotana jezgra je cjelina, ne treba je fiksirati stezanjem potpornih dijelova i nema spoj, tako da se pod istim uvjetima kao i laminirana jezgra, buka transformatora može smanjiti za 5~10dB.

5) Procesni koeficijent jednofaznog transformatora s namotanom jezgrom je oko 1,1; Trofazni ispod 1,15; Za jezgre od laminiranog željeza, procesni koeficijent malog kapaciteta je oko 1,45, a procesni koeficijent velikog kapaciteta je oko 1,15. Stoga je namotana jezgra posebno prikladna za male i srednje transformatore.

 

 

2.1.2 laminirane željezne jezgre

Definicija

Jezgra od laminiranog željeza ključna je komponenta koja se koristi u energetskim transformatorima, induktorima, transformatorima i drugoj energetskoj opremi. Sastoji se od više listova, s visokom propusnošću i malim gubitkom histereze, što može učinkovito poboljšati radnu učinkovitost i stabilnost performansi opreme.

 

Struktura laminirane željezne jezgre

Laminirana jezgra sastoji se od više ploča, od kojih je svaka izrađena od vrlo propusnog materijala, poput silikonskog čelika. Ovi listovi su odvojeni izolacijskim materijalom kako bi formirali jednu strukturu. Jezgre od laminiranog željeza obično su pravokutnog ili kružnog oblika kako bi se prilagodile zahtjevima različite opreme. U procesu proizvodnje jezgre od laminiranog željeza također je potrebno uzeti u obzir čimbenike kao što su debljina lima, odabir izolacijskih materijala i proces obrade kako bi se osigurala njegova izvedba i pouzdanost. Željezna jezgra čini zatvoreni magnetski krug u transformatoru, a također je i kostur instalacijske zavojnice, što je vrlo važan dio za elektromagnetsku izvedbu i mehaničku čvrstoću transformatora. Željezna jezgra dio je magnetskog kruga transformatora, koji se sastoji od stupca željezne jezgre (namota postavljenog na stup) i željeznog jarma (koji povezuje željeznu jezgru u zatvoreni magnetski krug). Kako bi se smanjio gubitak vrtložne struje i histereze i poboljšala magnetska vodljivost magnetskog kruga, željezna jezgra izrađena je od {{0}}.35 mm ~ 0,5 mm debelog silikonskog čeličnog lima presvučenog izolacijskom bojom. Mali presjek jezgre transformatora je pravokutan ili kvadratan, a veliki dio jezgre transformatora je stepenasti, čime se maksimalno iskorištava prostor.

 

Značajke laminirane jezgre

Budući da se jezgra i namot transformatora s laminiranom jezgrom proizvode odvojeno, jezgra se prvo slaže, a zatim se uklanja gornji jaram, a zatim se postavljaju izolacija jezgre i zavojnica, a zavojnica i stup jezgre podupiru se sponom, i na kraju se umeće željezni jaram da se dovrši sastavljanje tijela.

 

Struktura transformatora s laminiranom jezgrom ima sljedeće karakteristike:

1. Smjer stezanja jezgre je smjer debljine lima jezgre, koji može dobro stegnuti jezgru;

2. Za dvoslojnu cilindričnu zavojnicu, unutarnji sloj zavojnice nema kostur zavojnice;

3. Budući da se gornji željezni jaram uklanja tijekom ugradnje, jezgreni stup i zavojnica mogu se lako zategnuti držačem;

4. Zavojnica se namotava zasebno, a zavojnica se može zasebno umočiti nakon namatanja.

 

 

2.1.3 Usporedba trodimenzionalne trokutaste namotane jezgre, laminirane jezgre i ravne namotane jezgre

1) Trodimenzionalna trokutasta namotana željezna jezgra

Trodimenzionalna namotana jezgra: trokutasti trodimenzionalni raspored željezne jezgre sastavljen od tri jednostruke namotane jezgre iste geometrijske veličine.

Trodimenzionalni transformator s namotanom jezgrom: distribucijski transformator s trodimenzionalnom namotanom jezgrom kao magnetskim krugom.

Značajke procesa: Cijela željezna jezgra izrađena je od tri identična jednostruka okvira, a tri jezgrena stupa željezne jezgre raspoređena su u jednakostranični trokut. Svaki pojedini okvir izrađen je od određenog broja trapezoidnih materijala koji su uzastopno namotani. Poprečni presjek pojedinačnog okvira nakon namotavanja je blizak polukružnom, a poprečni presjek nakon cijepanja vrlo je blizak cijelom kružnom kvazipoligonu. Trapezoidni materijalni remen različitih veličina jednog okvira namotava se posebnim strojem za rezanje preklopnih linija. Ova vrsta obrade rezanjem može se raditi bez obrade materijala, odnosno kod krojenja je iskorištenje materijala 100%.

 

2) Jezgra od laminiranog željeza

Jezgra od laminiranog željeza: Sastoji se od proizvodne linije za uzdužno posmicanje i proizvodne linije za poprečno posmicanje, a traka od silikonskog čelika obrađuje se u određeni oblik silikonskog čeličnog lima, a zatim se lim od silikonskog čelika slaže na određeni način.

Laminirana jezgra ima tri nedostatka:

Postoje zračni raspori formirani od mnogih spojeva u magnetskom krugu, što povećava magnetski otpor magnetskog kruga, čime se povećava gubitak i struja praznog hoda.

Smjer magnetskog kruga na nekim mjestima nije u skladu sa smjerom visoke magnetske propusnosti trake od silikonskog čelika.

Nedostatak nepropusnosti između kriški ne samo da smanjuje koeficijent laminacije, već što je još važnije, povećava buku.

Učinak procesa na gubitak

Uzdužno smicanje i poprečno smicanje proizvode povećani gubitak mehaničkog naprezanja

Smjer magnetskog kruga u kutu nije u skladu sa smjerom magnetske vodljivosti, što uvelike povećava gubitak

Spojevi povećavaju gubitke, posebno povećanje struje praznog hoda

Koeficijent procesa je 1,15 ~ 1,3

 

3) Utjecaj strukture na magnetski krug

U tradicionalnoj jezgri dimnjaka sa zračnim rasporom, spojni magnetski krug između AC faze očito je 1/2 dulji od magnetskog kruga AB faze i BC faze, tako da je magnetski krug neuravnotežen, a magnetski otpor AC faza je veća. Kada se na transformator primijeni trofazni napon, jezgra proizvodi trofazni uravnoteženi magnetski tok φA, φB i φC.

Kada magnetski tok trofazne ravnoteže prolazi kroz neuravnoteženi magnetski krug, magnetski pad napona A i C faze je velik, što utječe na trofaznu ravnotežu napona. Ova neravnoteža u magnetskom krugu je nepremostiv strukturni nedostatak za planarne transformatore.

 

4) Ravna namotana željezna jezgra

Ravna namotana jezgra: plosnato postavljena željezna jezgra koja se sastoji od jednog ili više pojedinačnih okvira s namotanim jezgrama.

Karakteristike procesa: Ravna namotana jezgra prvo se namotava s dva manja unutarnja okvira, nakon kombinacije dvaju unutarnjih okvira koji su namotani, a zatim namotava veći vanjski okvir u svom vanjskom sastavu, tri stupca jezgre ravne namotane jezgre raspoređena su u avionu.

Defekti strukture ravne namotane jezgre

Kao i ravna namotana jezgra i laminirana jezgra, tri stupca jezgre raspoređena su u ravnini, tako da je duljina magnetskog kruga tri stupca jezgre nedosljedna: duljina magnetskog kruga srednjeg stupca je kratka, magnetski krug duljina dva bočna stupa je duža, a prosječna duljina magnetskog kruga je oko 20%, što rezultira velikom razlikom u gubitku bez opterećenja tri jezgrena stupa, gubitak bez opterećenja od srednji stup je nizak, a gubitak u praznom hodu dva bočna stupa je velik, što rezultira trofaznom neravnotežom.

 

 

2.2 Jednofazne i trofazne jezgre

Jednofazna jezgra ima jednu lameliranu jezgru s dva stupa. Postoji pet vrsta jednofazne jezgre s četiri stupa s jednim stupcem i bočnim jarmom, jednofazne laminirane jezgre s dvostrukim stupom i jednofazne laminirane jezgre radijantnog tipa. Postoje četiri vrste trofaznih jezgri: trofazna laminirana jezgra u stupcu, trofazna jezgra s bočnim jarmom i pet stupaca, trofazna laminirana jezgra s dvostrukim okvirom i trofazna laminirana jezgra reaktora.

Željezna jezgra sastoji se od dva dijela: stupca željezne jezgre i željeznog jarma. Stup jezgre prekriven je namotom, a željezni jaram povezuje stup jezgre u zatvoreni magnetski krug. Plan jezgre transformatora prikazan je na slici 1, slika 1a je jednofazni transformator, slika 1b je trofazni transformator, struktura jezgre može se podijeliti u dva dijela, C je dio svitka, koji se naziva jezgreni stup. Y se koristi za zatvaranje dijela magnetskog kruga koji se naziva jaram. Jednofazni transformator ima dva jezgrena stupa, a trofazni transformator ima tri jezgrena stupa.

 

 

Budući da je magnetski tok u jezgri transformatora izmjenični magnetski tok, kako bi se smanjio gubitak vrtložnih struja, jezgra transformatora općenito je izrađena od silicijskih čeličnih limova s ​​velikim otporom u željezni čip određene veličine, silicijski čelični limovi sastavljeni od željezna jezgra se reže u željeni oblik i veličinu, a zatim se ploča za probijanje spaja na način preklapanja. Slika 2a prikazuje željeznu jezgru jednofaznog transformatora, pri čemu se svaki sloj sastoji od 4 komada za bušenje. Slika 2b prikazuje željeznu jezgru trofaznog transformatora, svaki sloj je sastavljen od 6 dijelova, a kombinacija svaka dva sloja čipa primjenjuje drugačiji raspored za raspoređivanje spojeva svakog sloja magnetskog kruga. Ova metoda montaže naziva se montaža preklapanja, a ova montaža može izbjeći protok vrtložnih struja između čeličnog lima i čeličnog lima. A budući da je svaki sloj bušenja isprepleten, može se upotrijebiti manje spojnica kako bi se struktura učinila jednostavnom prilikom pritiskanja željezne jezgre. Tijekom sastavljanja, ploče za bušenje prvo se naslažu kako bi se formirala cijela željezna jezgra, a zatim se steže donji željezni jaram, gornja ploča za probijanje željeznog jarma uklanja se kako bi se otkrio stup jezgre, montažni namot se postavlja na stup jezgre i konačno se umetne izvađena gornja ploča za probijanje željeznog jarma.

 

 

2.3 Jezgre ljuske i jezgre

Dio obloženog namota u željeznoj jezgri naziva se "kolona jezgre", a dio neobloženog namota koji ima samo ulogu magnetskog kruga naziva se "željezni jaram". Tamo gdje željezna jezgra okružuje namot, naziva se školjkasti tip; Gdje namot okružuje stup jezgre naziva se tip jezgre. Vrsta ljuske i vrsta jezgre imaju svoje karakteristike, ali proces proizvodnje transformatora određen željeznom jezgrom vrlo je različit i teško je okrenuti se strukturi nakon što je odabrana određena struktura. Većina jezgri transformatora u našoj zemlji usvaja tip složene jezgre.

Prema rasporedu namota u željeznoj jezgri, transformator se dijeli na tip jezgre i tip ljuske. Razlika je uglavnom u distribuciji magnetskog kruga, jaram ljuske jezgre transformatora okružuje zavojnicu, jezgra transformatora uglavnom je u zavojnici, samo dio željeznog jarma izvan zavojnice, koji se koristi za formiranje magnetskog strujni krug.

 

 

 

Kada je transformator u normalnom radu, željezna jezgra će generirati toplinu zbog postojanja gubitka željeza, a što je veća težina i volumen željezne jezgre, to će se više topline generirati. Temperatura transformatorskog ulja iznad 95 stupnjeva lako se stari, tako da temperaturu površine jezgre treba kontrolirati ispod ove temperature što je više moguće, što zahtijeva strukturu rasipanja topline jezgre da brzo rasprši toplinu jezgre. Struktura rasipanja topline uglavnom služi za povećanje površine rasipanja topline željezne jezgre. Rasipanje topline željezne jezgre uglavnom uključuje rasipanje topline uljnog kanala željezne jezgre i rasipanje topline dišnog puta željezne jezgre.

 

U transformatorima uronjenim u ulje velikog kapaciteta, utori za ulje često su raspoređeni između laminata željezne jezgre kako bi se poboljšao učinak rasipanja topline. Spremnik za ulje podijeljen je u dvije vrste, jedna je paralelna sa silikonskim čeličnim limom, a druga je okomita na čelični lim, kao što je prikazano na slici 4. Potonji raspored ima bolji učinak rasipanja topline, ali je struktura složenija.

 

U jezgri suhog transformatora nalazi se zračno hlađenje, kako bi se osiguralo da temperatura jezgre ne prijeđe dopuštenu vrijednost, često se ugrađuje u zračni kanal jezgre i željeznog jarma.

 

 

 

Transformator će proizvoditi buku tijekom rada. Izvor buke tijela transformatora je magnetostrikcija silicij čeličnog lima željezne jezgre, ili je buka jezgre transformatora u osnovi uzrokovana magnetostrikcijom. Takozvana magnetostrikcija odnosi se na povećanje veličine čeličnog silikonskog lima duž smjera linije magnetske indukcije kada je željezna jezgra pobuđena; Veličina silicij čeličnog lima smanjuje se u smjeru okomitom na liniju magnetskog induktiviteta, a ta se promjena veličine naziva magnetostrikcijom. Osim toga, struktura i geometrijska veličina željezne jezgre, proces obrade i proizvodnje željezne jezgre imat će određeni stupanj utjecaja na razinu buke.

 

Razina buke željezne jezgre može se smanjiti sljedećim tehničkim mjerama: (1) Upotrebom visokokvalitetnih limova od silikonskog čelika s malom vrijednošću magnetostrikcijskog omjera ε. (2) Smanjite gustoću magnetskog toka jezgre. (3) Poboljšajte strukturu željezne jezgre. (4) Odaberite razumnu veličinu jezgre. (5) Usvojite naprednu tehnologiju obrade.

 

 

U normalnom radu transformatora, električno polje formirano između nabijenog namota i olovne žice i spremnika goriva je neravnomjerno električno polje, a željezna jezgra i njezini metalni dijelovi su u električnom polju. Budući da je potencijal elektrostatske indukcije različit, potencijal suspenzije željezne jezgre i njezinih metalnih dijelova nije isti, a kada razlika potencijala između dviju točaka može razbiti izolaciju između njih, generira se iskra. Ovo pražnjenje može razgraditi ulje transformatora i oštetiti čvrstu izolaciju. Kako bi se to izbjeglo, i jezgra i njezine metalne komponente moraju biti pouzdano uzemljene.

 

Jezgra mora biti malo uzemljena. Kada su željezna jezgra ili druge metalne komponente uzemljene na dvije ili više točaka, formirat će se zatvorena petlja između točaka uzemljenja, stvarajući cirkulaciju, struja ponekad može biti visoka i do nekoliko desetaka ampera, uzrokovat će lokalno pregrijavanje, što dovodi do razgradnja ulja, također može dovesti do zapaljivanja trake za uzemljenje, spaljivanja jezgre, to nije dopušteno. Dakle, jezgra mora biti uzemljena, i to malo uzemljena.

 

 

Pojava nanokristalnih i amorfnih željeznih jezgri osigurava idealne materijale za srednje i visokofrekventne transformatore. Razvojem industrije radna frekvencija napajanja je povećana na 20kHz, a izlazna snaga je premašila 30kW. Tradicionalni materijali jezgre kao što je silikonski čelični lim imaju velike gubitke i ne mogu zadovoljiti nove zahtjeve napajanja.

 

Amorfna i nanokristalna jezgra na bazi željeza ima karakteristike magnetske indukcije visokog zasićenja, visoke propusnosti, niskih gubitaka, dobre temperaturne stabilnosti, zaštite okoliša itd., i ima važnu vrijednost primjene u visokofrekventnim transformatorima velike snage.

 

 

 

6.1 Nanokristalna jezgra

Nanokristalni materijali uglavnom se sastoje od željeza, kroma, bakra, silicija, bora i drugih elemenata, a te se specifične komponente legura pretvaraju u amorfna stanja tehnologijom brzog kaljenja, a zatim se toplinski obrađuju kako bi se oblikovala zrna nanomjere.

Nanokristalna jezgra pokazuje izvrsna magnetska svojstva i temperaturnu stabilnost, a posebno je pogodna za zamjenu ferita u transformatorima ispod frekvencijskog raspona od 20 kHz do 50 kHz.

Nanokristalni materijal ima otpornost od 90 μ Ω.cm (nakon toplinske obrade) i, zahvaljujući svojoj nanostrukturi, kombinira prednosti silikonskog čelika, permaloja i ferita.

 

 

 

Debljina uobičajenih željeznih nanokristalnih mekih magnetskih materijala je oko 30 μm. Zbog svoje lomljivosti i osjetljivosti na stres, magnetska svojstva bit će značajno smanjena kada budu izložena vanjskim silama tijekom obrade i upotrebe. Stoga se nanokristalna jezgra obično oblikuje u obliku prstena ili potkove i stavlja u zaštitni omotač. Materijal zaštitnog omotača utjecat će na performanse disipacije topline nanokristalne jezgre.

Nova nanokristalna jezgra primijenjena je na transformatore, debljina nanokristalnog materijala je samo 24 μm, a jezgra stvrdnuta nakon toplinske obrade ima značajne prednosti u odnosu na tradicionalnu jezgru transformatora:

Nova nanokristalna jezgra presvučena je izolacijskim filmom, čime se postiže potrebna čvrstoća za namatanje i može se namotavati izravno u transformatore.

Stvrdnuta nanokristalna jezgra eliminira zaštitno kućište, pružajući više prostora za raspršivanje topline i poboljšavajući radnu sigurnost transformatora.

Ovaj dizajn smanjuje utjecaj materijala zaštitnog omotača na nanokristalnu jezgru i štedi strukturni dizajn i vrijeme oblikovanja zaštitnog omotača.

Dizajn nanokristalne jezgre može biti fleksibilniji, nudeći različite oblike kao što su prstenasta, pravokutna jezgra i jezgra u obliku slova C, pružajući više mogućnosti za dizajn transformatora i kasniji proces namotavanja.

 

6.2 Amorfna magnetska jezgra

Amorfni materijal proizvodi se tehnologijom ultrabrzog kaljenja s brzinom hlađenja od oko milijun stupnjeva u sekundi. Ova tehnologija skrućuje rastaljeni čelik u jednom kaljenju u traku od legure debljine 30 mikrona. Zbog brzog hlađenja, metal nema vremena kristalizirati, što rezultira odsustvom zrna ili granica zrna u leguri, što rezultira stvaranjem takozvanih amorfnih legura.

Amorfni metal ima jedinstvenu mikrostrukturu koja se razlikuje od konvencionalnog metala, a njegov sastav i nesređena struktura daju mu mnoga jedinstvena svojstva, kao što su odličan magnetizam, otpornost na koroziju, otpornost na trošenje, visoka čvrstoća, tvrdoća, žilavost, visoka otpornost, visok koeficijent elektromehaničke sprege itd.

 

 

 

Glavne komponente amorfne jezgre na bazi željeza su željezo, silicij i bor, od kojih je sadržaj silicija čak 5,3%, a jedinstvena struktura amorfnog stanja, njegov otpor je 130 μΩ.cm, što je dvostruko više od silikonskog čeličnog lima (47 μΩ.cm).

Debljina amorfnog materijala na bazi feroma koji se koristi u amorfnoj jezgri je oko 30 nm, što je mnogo tanje od debljine čeličnog lima od silicija, tako da je gubitak vrtložne struje mali pri visokofrekventnom radu. U frekvencijskom rasponu od 400Hz~10kHz, gubitak je samo 1/3~1/7 silikonskog čeličnog lima. U isto vrijeme, propusnost amorfne željezne jezgre na bazi željeza puno je veća od one tradicionalne željezne jezgre.

Zbog ovih prednosti, amorfna jezgra može smanjiti težinu transformatora za više od 50% i porast temperature za 50%.

Nakon godina razvoja, amorfne i nanokristalne željezne jezgre naširoko su korištene u visokofrekventnim transformatorima, strujnim transformatorima, prekidačkim izvorima napajanja, opremi za elektromagnetsku kompatibilnost i drugim primjenama.