Чому трансформатори використовують листи кремнієвої сталі як сердечники

Трансформатору потрібен магнітний сердечник, який ефективно поєднує потік між первинною та вторинною обмотками. Майже в кожному силовому та розподільному трансформаторі цей сердечник побудований зкремнієва-орієнтована сталь(також називається електротехнічна сталь, GOES або кремнієва сталь). Коротка відповідь на запитання з заголовка — це ланцюжок із трьох істотних фактів: кремній підвищує питомий електричний опір сталі та звужує її петлю гістерезису; орієнтована на зерна мікроструктура дозволяє магнітному потоку легко рухатися вздовж напрямку кочення; а тонкі ізольовані шари стримують вихрові струми. Кожна ланка цього ланцюга пояснюється нижче з цифрами, які можна перевірити на відповідність GB/T 2521.2, IEC 60404-8-7 та ASTM A876.

 

 

 

Кремнієва сталь — це залізо-кремнієвий сплав, виготовлений у вигляді тонкої стрічки для магнітних кіл. ворієнтований-на зерно (GO)сортів, зерна вирівнюються за допомогою контрольованої послідовності прокатки та відпалу, щоб напрямок легкого намагнічення кристала заліза лежав уздовж напрямку прокатки.

 

Це вирівнювання відоме як текстура Госса. Оскільки магнітний потік у сердечнику трансформатора слідує за визначеними шляхами вздовж кінцівок, сталь, найкращий магнітний напрямок якої узгоджується з цими шляхами, забезпечує найвищу проникність і найменші втрати під час експлуатації. Не-орієнтована (NO) сталь, зерна якої орієнтовані випадковим чином, є кращою для двигунів і генераторів, де напрямок потоку обертається.

 

Холоднокатана смуга GO постачається номінальною товщиною 0,23, 0,27, 0,30 і 0,35 мм (для високоефективних агрегатів існують марки 0,20 мм і 0,18 мм); Системи класів і допуски викладені в GB/T 2521.2 для китайської системи та в IEC 60404-8-7 на міжнародному рівні. У Північній Америці еквівалентною специфікацією є ASTM A876.

 

2. Який внесок кремнію в сталь?

Кремній не додається, щоб зробити магнітну сталь - залізо вже феромагнітним. Додається кремнійпокращити магнітну поведінку при змінному збудженні, і це робиться трьома вимірними способами:

 

• Вищий питомий електричний опір → менші втрати-на вихровий струм.

Кремній підвищує питомий опір сплаву, тому індуковані циркулюючі струми зустрічають більший електричний опір. Втрати-вихрового струму обернено пропорційні питомому опору, тому це безпосередньо зменшує цю складову втрат у сердечнику.

 

• Вужча петля гістерезису → менші втрати на гістерезис.

Кремній покращує магнітну реакцію сталі, тому площа петлі B–H (гістерезису) є меншою. Втрати на гістерезис за цикл пропорційні цій площі петлі, тому кожен цикл намагнічення витрачає менше енергії.

 

• Нижча магнітострикція → тихіші ядра.

Кремній зменшує невелику зміну розмірів сталі під намагнічуванням, що знижує магнітострикційний «гул» осердя під напругою.

 

Існує компроміс-: кремній трохи зменшує індукцію насичення сталі та робить її твердішою та крихкішою. Тому сорти, орієнтовані на зерно, використовують компромісний рівень, як правило, близько 2,9–3,5% кремнію (типові значення; точний рівень є параметром конструкції млина). Такі стандарти, як GB/T 2521.2, класифікують сталь GO загарантовані магнітні властивості- втрати в сердечнику та магнітна індукція -, а не за вмістом кремнію, тому сам по собі відсоток кремнію не визначає клас.

 

 

 

Щоразу, коли трансформатор знаходиться під напругою, змінний потік в сердечнику споживає електроенергію ще до того, як буде підключено будь-яке навантаження. Ця «втрата заліза» (втрата ядра) має два фізичні причини:

• Гістерезисні втрати- енергія, що розсіюється кожного циклу, коли магнітні домени переорієнтовуються проти внутрішнього тертя. Він пропорційний частоті та приблизно квадрату щільності потоку, а також площі, обмеженій петлею гістерезису матеріалу. Вузький -матеріал, такий як кремнієва сталь, зменшує цей термін.
• Втрати-вихрового струму- змінний потік індукує струми всередині сердечника, які циркулюють у площинах, перпендикулярних до напрямку потоку. Ці струми нагрівають сердечник. Втрати залежать від квадрата частоти, приблизно квадрата щільності потоку,квадрат товщини шаруі обернено до питомого опору матеріалу.

 

Оскільки втрати в сердечнику виникають щоразу, коли трансформатор підключено до джерела живлення, вони ідентичні втратам трансформатора.без{0}}втрат навантаження: він працює 24 години на добу, незалежно від навантаження, і є основною рушійною силою експлуатаційних витрат трансформатора. Ось чому показники втрат у сталевому сердечнику -, а не лише його ціна за тонну - визначають клас ефективності готового трансформатора.

 

 

Якби сердечник був суцільним блоком сталі, змінний потік створював би великі вихрові струми через величезний провідний поперечний-переріз, і сердечник перегрівався б за кілька хвилин. Лікування полягає в тому, щоб розділити серцевину на тонкі листи, складені таким чином, щоб площина листа була паралельна до шляху потоку та перпендикулярна до площини циркуляції вихрового-струму:

• Тонкі листи обмежують шлях вихрового-струму.Оскільки втрати на вихровий струм- пропорційні квадрату товщини в напрямку течії струму, розрізання сердечника на листи 0,23–0,35 мм (типово згідно з GB/T 2521.2) замість суцільного блоку зменшує ці втрати на порядки.
• Ізоляційне покриття блокує міжшарові струми.Кожен аркуш має поверхневу ізоляцію (класи покриття визначені в IEC 60404-1-1), щоб вихрові струми не могли витікати з одного шару до іншого.
• Фактор укладання є частиною дизайну.Покриття та шорсткість поверхні означають, що листи займають близько 95–97% теоретичного об’єму серцевини (типові значення; точний коефіцієнт укладання вказано в сертифікаті заводу). Більш тонкі листи зменшують вихрові втрати, але також знижують коефіцієнт укладання та збільшують вартість виробництва, тому інженери обирають товщину відповідно до цільового класу втрат.

 

 

Виробництво відбувається за стандартною послідовністю: котушку GO розрізають по ширині, штампують або нарізають на потрібні форми ламінування (пари E–I, три -лімби «E» форми або прямокутні смуги для закритих сердечників), знімаючи напругу-відпалюють, щоб відновити магнітні властивості, пошкоджені різанням, і складають із прокладеними з’єднаннями перед затисканням. Потім отриманий сердечник намотується і збирається з баком трансформатора.

 

 

Параметр	Типове значення / приклад оцінки	Основа
Номінальна товщина	0,23 / 0,27 / 0,30 / 0,35 мм (смужка GO)	GB/T 2521,2; IEC 60404-8-7
Втрати в сердечнику P1,7/50 (питомі загальні втрати при 1,7 Т, 50 Гц)	Клас 30Q120: Менше або дорівнює 1,20 Вт/кг	Позначення класу за GB/T 2521.2 (30=0.30 мм, Q=зерно-орієнтовано, 120=1.20 Вт/кг)
Магнітна індукція B8 (при 800 А/м)	Більше або дорівнює 1,78 Т (наприклад, . 30клас Q120)	За GB/T 2521,2
Вміст кремнію (GO, типовий)	≈ 2.9–3.5%	Типове значення; стандарти оцінюють за магнітними властивостями, а не за рівнем кремнію
Фактор укладання	≈ 0.95–0.97	Типовий; підтвердити в сертифікаті випробування млина
Утеплення поверхні	Клас покриття згідно з IEC 60404-1-1	IEC 60404-1-1

Наведені значення вказують на стандартні оцінки. Завжди звіряйте гарантовані значення з останньою редакцією стандарту та сертифікатом випробування постачальника для конкретної партії.

 

FAQ

Чому кремнієва сталь-з орієнтованою зернистою, а не-неорієнтованою для сердечників трансформаторів?

У сердечнику трансформатора потік проходить фактично фіксованими шляхами вздовж кінцівок, тому сталь може бути орієнтована в цьому напрямку. Зерниста-сталь із текстурою Goss забезпечує найвищу проникність і найменші втрати вздовж напрямку прокатки (GB/T 2521.2; IEC 60404-8-7). Неорієнтована сталь має випадкову орієнтацію зерен і підходить для обертових машин, де напрямок потоку постійно змінюється.

 

Що означають позначення класу, наприклад 30Q120?

У системі GB/T 2521.2: «30» — це номінальна товщина в сотих частках міліметра (0,30 мм), «Q» означає орієнтацію на зерно-, а «120» — це гарантовані максимальні втрати в сердечнику 1,20 Вт/кг при 1,7 Т і 50 Гц (P1,7/50). Системи IEC 60404-8-7 і ASTM A876 використовують власні позначення, але однакові фізичні величини.

 

Чому б не використати міцний сталевий блок для серцевини?

Тверде ядро ​​переносить би великі циркулюючі вихрові струми, швидко нагрівалося б і безперервно витрачало енергію. Оскільки втрати на вихровий струм -збільшуються до квадрата товщини провідності, ламінування сердечника в ізольовані листи товщиною 0,23–0,35 мм зменшує ці втрати на порядки - сердечник навмисно робиться «тонким у напрямку, у якому він не повинен проводити».

 

Чи втрата в сердечнику те саме, що й втрата-без навантаження?

так Втрати в сердечнику (залізі) виникають щоразу, коли трансформатор подається під напругу, незалежно від того, підключено навантаження чи ні, і дорівнюють втратам без{1}}навантаження. Він працює цілодобово, тому сталь з низькими-втратами зерна-має прямий вплив на експлуатаційні витрати та клас ефективності трансформатора.

 

Як товщина листа впливає на конструкцію трансформатора?

Більш тонкі листи (0,20–0,27 мм) зменшують втрати на вихровий-струм, але зменшують коефіцієнт укладання та збільшують вартість обробки; 0,30 і 0,35 мм аркуші балансують вартість і втрати для стандартних розподільних трансформаторів. Вибір залежить від цільового класу втрат у GB/T 2521.2 або IEC 60404-8-7 та очікуваного робочого циклу трансформатора.

 

Використання-орієнтованих кремнієвих сталевих листів для сердечників трансформаторів безпосередньо випливає з трьох властивостей матеріалу: орієнтована зерниста структура для ефективної провідності потоку, кремній для зменшення втрат і тонкі ізольовані шари для контролю-струмів. Разом вони забезпечують достатньо низькі-втрати без навантаження, щоб зробити сучасні трансформатори економними як за початковою вартістю, так і за споживанням енергії протягом усього терміну служби.

 

Запитати ціну