Miezul de fier al transformatorului

 

Miezul este partea principală a circuitului magnetic al transformatorului. De obicei, este compus din foi de oțel siliconic laminate la cald sau la rece, cu un conținut ridicat de siliciu și o suprafață acoperită cu vopsea izolatoare. Miezul de fier și bobinele din jurul lui constituie un sistem complet de inducție electromagnetică. Cantitatea de putere transmisă de transformatorul de putere depinde de materialul și aria secțiunii transversale a miezului de fier.

 

 

2.1 Miez bobinat și miez laminat

2.1.1 miez de fier înfăşurat

Miezul bobinat este utilizat în mod obișnuit în transformatoarele de dimensiuni mici și mijlocii (sub 1000 kVA), transformatoare, amplificatoare magnetice și transformatoare de curent cu secvență zero ale dispozitivelor de protecție împotriva scurgerilor.

 

Materialele utilizate pentru miezul înfășurat sunt tablă de oțel siliconată ultra-subțire, laminată la rece, cu permeabilitate ridicată și bandă magnetică moale, cum ar fi permalloy. Grosimea tablei de oțel silicon este de 0.18~0.30; Grosimea benzii de Permalloy este de 0.03~0.10mm. Luând ca exemplu transformatoarele mici și mijlocii, utilizarea miezului bobinat are următoarele avantaje:

1) În aceleași condiții, pierderea fără sarcină a miezului bobinat este redusă cu 7% până la 10% în comparație cu miezul laminat; Curentul fără sarcină poate fi redus cu 50%~75%.

2) Miezul bobinat poate fi realizat din foi de oțel siliciu laminate la rece, foarte subțiri, cu permeabilitate ridicată, care pot produce transformatoare cu pierderi mai mici.

3) Miezul înfășurat are o procesabilitate bună, fără deșeuri de forfecare, iar rata de utilizare este de aproape 100%. De asemenea, poate adopta funcționarea mecanizată, eliminând procesul de stivuire, iar eficiența producției este de 5 până la 10 ori mai mare decât cea a miezului laminat.

4) Miezul înfășurat în sine este un întreg, nu trebuie să fie fixat prin strângerea pieselor suport și nu are o îmbinare, astfel încât în ​​aceleași condiții ca miezul laminat, zgomotul transformatorului poate fi redus cu 5 ~ 10 dB.

5) Coeficientul de proces al transformatorului monofazat cu miez bobinat este de aproximativ 1,1; Trifazat sub 1,15; Pentru miezurile de fier laminat, coeficientul de proces de capacitate mică este de aproximativ 1,45, iar coeficientul de proces de capacitate mare este de aproximativ 1,15. Prin urmare, miezul bobinat este potrivit în special pentru transformatoarele mici și mijlocii.

 

 

2.1.2 miezuri de fier laminat

Definiţie

Miezul de fier laminat este o componentă cheie utilizată în transformatoarele de putere, inductori, transformatoare și alte echipamente de putere. Este compus din mai multe foi, cu permeabilitate ridicată și pierderi de histerezis scăzute, care pot îmbunătăți eficient eficiența de lucru și stabilitatea performanței echipamentului.

 

Structura miezului de fier laminat

Un miez laminat este format din mai multe foi, fiecare realizată dintr-un material foarte permeabil, cum ar fi oțelul siliconic. Aceste foi sunt separate prin material izolator pentru a forma o singură structură. Miezurile de fier laminat au de obicei o formă dreptunghiulară sau circulară pentru a se adapta la cerințele diferitelor echipamente. În procesul de fabricație a miezului de fier laminat, este, de asemenea, necesar să se ia în considerare factori precum grosimea foii, selecția materialelor de izolare și procesul de prelucrare pentru a asigura performanța și fiabilitatea acesteia. Miezul de fier constituie un circuit magnetic închis în transformator și este, de asemenea, scheletul bobinei de instalare, care este o parte foarte importantă pentru performanța electromagnetică și rezistența mecanică a transformatorului. Miezul de fier este partea circuitului magnetic al transformatorului, care este compus dintr-o coloană cu miez de fier (set de înfășurare pe coloană) și un jug de fier (conectând miezul de fier pentru a forma un circuit magnetic închis). Pentru a reduce curentul turbionar și pierderile de histerezis și pentru a îmbunătăți conductibilitatea magnetică a circuitului magnetic, miezul de fier este realizat din tablă de oțel silicon cu grosimea de {{0}},35 mm ~ 0,5 mm acoperită cu vopsea izolatoare. Secțiunea mică a miezului transformatorului este dreptunghiulară sau pătrată, iar secțiunea mare a miezului transformatorului este în trepte, ceea ce este pentru a folosi pe deplin spațiul.

 

Caracteristici de bază laminate

Deoarece miezul și înfășurarea transformatorului cu miez laminat sunt fabricate separat, miezul este mai întâi stivuit, apoi jugul superior este îndepărtat, iar apoi izolația miezului și bobina sunt montate, iar bobina și stâlpul miezului sunt susținute cu o prindere, iar în final se introduce jugul de fier pentru a finaliza ansamblul corpului.

 

Structura transformatorului cu miez laminat are următoarele caracteristici:

1. Direcția de prindere a miezului este direcția de grosime a foii de miez, care poate prinde bine miezul;

2. Pentru bobina cilindrică cu două straturi, stratul interior al bobinei nu are schelet bobină;

3. Deoarece jugul superior de fier este îndepărtat în timpul instalării, coloana de miez și bobina pot fi strânse cu ușurință cu un suport;

4. Bobina este înfășurată separat, iar bobina poate fi scufundată separat după înfășurare.

 

 

2.1.3 Comparația dintre miezul triunghiular tridimensional, miezul laminat și miezul plat

1) Miez tridimensional de fier înfăşurat triunghiular

Miez înfăşurat tridimensional: un aranjament tridimensional tridimensional al unui miez de fier compus din trei miezuri înfăşurate cu un singur cadru de aceeaşi dimensiune geometrică.

Transformator tridimensional cu miez bobinat: transformator de distribuție cu miez bobinat tridimensional ca circuit magnetic.

Caracteristicile procesului: Întregul miez de fier este alcătuit din trei cadre unice identice, iar cele trei coloane de miez ale miezului de fier sunt dispuse într-un triunghi echilateral. Fiecare cadru este realizat dintr-un număr de curele de material trapezoidal înfăşurate succesiv. Secțiunea transversală a unui singur cadru după înfășurare este aproape de semicirculare, iar secțiunea transversală după divizare este foarte aproape de întregul cvasi-poligon al cercului. Cureaua de material trapezoidal de diferite dimensiuni ale cadrului unic este înfășurată de mașina specială de tăiat cu linie de pliere. Acest tip de prelucrare de tăiere se poate face fără prelucrarea materialului, adică la tăiere, rata de utilizare a materialului este de 100%.

 

2) Miez de fier laminat

Miez de fier laminat: este compus dintr-o linie de producție de forfecare longitudinală și linie de producție de forfecare transversală, iar banda de oțel siliconic este procesată într-o anumită formă de tablă de oțel siliconic, iar apoi tabla de oțel silicon este stivuită într-un anumit mod.

Miezul laminat are trei dezavantaje:

Există goluri de aer formate de multe îmbinări în circuitul magnetic, ceea ce crește rezistența magnetică a circuitului magnetic, crescând astfel pierderea și curentul fără sarcină.

Direcția circuitului magnetic în unele locuri este incompatibilă cu direcția permeabilității magnetice ridicate a benzii de oțel siliconic.

Lipsa de etanșeitate între felii nu numai că reduce coeficientul de laminare, dar, mai important, crește zgomotul.

Efectul procesului asupra pierderii

Forfecarea longitudinală și forfecarea transversală produc o pierdere crescută de efort mecanic

Direcția circuitului magnetic în colț este incompatibilă cu direcția conductivității magnetice, ceea ce crește foarte mult pierderea

Îmbinările cresc pierderea, în special creșterea curentului în gol

Coeficientul de proces este 1,15 ~ 1,3

 

3) Influența structurii asupra circuitului magnetic

În miezul tradițional de stivă cu spațiu de aer, circuitul magnetic de cuplare dintre faza AC este evident cu 1/2 mai lung decât circuitul magnetic al fazei AB și fazei BC, astfel încât circuitul magnetic este dezechilibrat, iar rezistența magnetică a AC. faza este mai mare. Atunci când la transformator este aplicată o tensiune trifazată, miezul produce un flux magnetic echilibrat trifazat φA, φB și φC.

Când fluxul magnetic al echilibrului trifazat trece prin circuitul magnetic dezechilibrat, căderea de tensiune magnetică a fazelor A și C este mare, ceea ce afectează echilibrul de tensiune trifazat. Acest dezechilibru în circuitul magnetic este un defect structural de netrecut pentru transformatoarele plane.

 

4) Miez plat de fier înfăşurat

Miez plat înfăşurat: un miez de fier aranjat plat constând din unul sau mai multe cadre unice cu miezuri înfăşurate.

Caracteristicile procesului: Miezul plat înfășurat este înfășurat mai întâi două rame interioare mai mici, după combinarea a două rame interioare care au fost înfășurate și apoi înfășurate un cadru exterior mai mare în compoziția sa externă, cele trei coloane de miez ale miezului plat sunt aranjate. într-un avion.

Defecte ale structurii miezului plăgii plate

La fel ca miezul bobinat plat și miezul laminat, cele trei coloane de miez sunt aranjate într-un plan, astfel încât lungimea circuitului magnetic a celor trei coloane de miez este inconsecventă: lungimea circuitului magnetic al coloanei din mijloc este scurtă, circuitul magnetic lungimea celor două coloane laterale este mai mare, iar lungimea medie a circuitului magnetic este de aproximativ 20%, rezultând o diferență mare în pierderea fără sarcină a celor trei coloane de bază, pierderea fără sarcină a coloanei din mijloc este scăzută, iar pierderea în gol a celor două coloane laterale este mare, rezultând un dezechilibru trifazat.

 

 

2.2 Miezuri monofazate și trifazate

Miezul monofazat are un singur miez laminat cu două coloane. Există cinci tipuri de miez cu patru coloane de tip monofazat cu o singură coloană cu jug lateral, miez laminat de tip dublă coloană monofazat și miez laminat de tip radiant monofazat. Există patru tipuri de miez trifazat: miez laminat în coloană trifazată, miez trifazat cu jug lateral cu cinci coloane, miez laminat trifazat cu cadru dublu și miez laminat cu reactor trifazat.

Miezul de fier este format din două părți: o coloană de miez de fier și un jug de fier. Coloana de miez este acoperită cu înfășurare, iar jugul de fier conectează coloana de miez pentru a forma un circuit magnetic închis. Planul central al transformatorului este prezentat în Figura 1, Figura 1a este un transformator monofazat, Figura 1b este un transformator trifazat, structura miezului poate fi împărțită în două părți, C este partea bobinei, numită coloana de miez. Y este folosit pentru a închide partea circuitului magnetic, numită jug. Transformatorul monofazat are două coloane de miez, iar transformatorul trifazat are trei coloane de miez.

 

 

Deoarece fluxul magnetic din miezul transformatorului este un flux magnetic alternant, pentru a reduce pierderea curenților turbionari, miezul transformatorului este în general realizat din foi de oțel siliconic cu rezistivitate mare într-o anumită dimensiune de cip de fier, foile de oțel siliciu compuse din miezul de fier este tăiat în forma și dimensiunea necesară, iar apoi foaia de perforare este combinată în mod suprapus. Figura 2a prezintă miezul de fier al unui transformator monofazat, fiecare strat constând din 4 piese de perforare. Figura 2b prezintă miezul de fier al transformatorului trifazat, fiecare strat este compus din 6 piese, iar combinația dintre fiecare două straturi ale cipului aplică un aranjament diferit pentru a eșalona îmbinările fiecărui strat al circuitului magnetic. Această metodă de asamblare se numește asamblare suprapusă, iar acest ansamblu poate evita fluxul de curent turbionar între tabla de oțel și tabla de oțel. Și pentru că fiecare strat de perforare este împletit, pot fi folosite mai puține elemente de fixare pentru a simplifica structura atunci când apăsați miezul de fier. În timpul asamblarii, plăcile de perforare sunt mai întâi stivuite pentru a forma un întreg miez de fier, apoi jugul inferior de fier este prins, placa de perforare superioară a jugului de fier este îndepărtată pentru a expune coloana de miez, înfășurarea prefabricată este plasată pe coloana de miez și în final se introduce placa de perforare a jugului de fier superior extras.

 

 

2.3 Carcasă și miezuri

Partea înfășurării placate din miezul de fier se numește „coloana de miez”, iar partea înfășurării neplacate care joacă doar rolul circuitului magnetic se numește „jug de fier”. Acolo unde miezul de fier înconjoară înfășurarea, acesta se numește tip cochilie; Acolo unde înfășurarea înconjoară coloana de miez se numește tipul de miez. Tipul de carcasă și tipul de miez au propriile caracteristici, dar procesul de fabricație a transformatorului determinat de miezul de fier este foarte diferit și este dificil să se îndrepte către o structură odată ce o anumită structură este selectată. Majoritatea miezului transformatorului din țara noastră adoptă tipul de miez stivuit.

În funcție de aranjarea înfășurării în miezul de fier, transformatorul este împărțit în tip de miez și tip de carcasă. Diferența constă în principal în distribuția circuitului magnetic, jugul miezului transformatorului învelișului înconjoară bobina, miezul transformatorului este în mare parte în bobină, doar o parte din jugul de fier în afara bobinei, care este folosit pentru a forma magneticul. circuit.

 

 

 

Când transformatorul este în funcționare normală, miezul de fier va genera căldură datorită existenței pierderii de fier, iar cu cât greutatea și volumul miezului de fier sunt mai mari, cu atât va fi generată mai multă căldură. Temperatura uleiului de transformator de peste 95 de grade este ușor de îmbătrânit, astfel încât temperatura suprafeței miezului trebuie controlată pe cât posibil sub această temperatură, ceea ce necesită ca structura de disipare a căldurii a miezului să disipeze rapid căldura miezului. Structura de disipare a căldurii este în principal pentru a crește suprafața de disipare a căldurii a miezului de fier. Disiparea căldurii a miezului de fier include în principal disiparea căldurii a canalului de ulei de miez de fier și disiparea căldurii a căilor respiratorii miezului de fier.

 

În transformatoarele cu capacitate mare cu scufundare în ulei, fantele de ulei sunt adesea dispuse între laminatele miezului de fier pentru a spori efectul de disipare a căldurii. Rezervorul de ulei este împărțit în două tipuri, unul este paralel cu tabla de oțel siliconic, iar celălalt este vertical pe tabla de oțel, așa cum se arată în Figura 4. Acest din urmă aranjament are un efect de disipare a căldurii mai bun, dar structura este mai complexă.

 

În miezul transformatorului uscat este răcirea cu aer, pentru a se asigura că temperatura miezului nu depășește valoarea admisă, adesea instalată în coloana de miez și conducta de aer jug ​​de fier.

 

 

 

Transformatorul va produce zgomot în timpul funcționării. Sursa zgomotului corpului transformatorului este magnetostricția tablei de oțel siliciu a miezului de fier, sau zgomotul miezului transformatorului este cauzat în principal de magnetostricție. Așa-numita magnetostricție se referă la creșterea dimensiunii foii de oțel siliciu de-a lungul direcției liniei de inducție magnetică atunci când miezul de fier este excitat; Dimensiunea tablei de oțel silicon scade în direcția perpendiculară pe linia de inductanță magnetică, iar această schimbare de dimensiune se numește magnetostricție. În plus, structura și dimensiunea geometrică a miezului de fier, procesul de prelucrare și fabricare a miezului de fier vor avea un anumit grad de impact asupra nivelului său de zgomot.

 

Nivelul de zgomot al miezului de fier poate fi redus prin următoarele măsuri tehnice:(1) Utilizarea tablelor de oțel siliconic de înaltă calitate cu valoare ε a raportului magnetostrictiv mic. (2) Reduceți densitatea fluxului magnetic al miezului. (3) Îmbunătățiți structura miezului de fier. (4) Selectați o dimensiune rezonabilă a miezului. (5) Adoptarea tehnologiei avansate de procesare.

 

 

În funcționarea normală a transformatorului, câmpul electric format între înfășurarea încărcată și firul de plumb și rezervorul de combustibil este un câmp electric neuniform, iar miezul de fier și părțile sale metalice sunt în câmp electric. Deoarece potențialul de inducție electrostatică este diferit, potențialul de suspensie al miezului de fier și al părților sale metalice nu este același, iar atunci când diferența de potențial dintre cele două puncte este capabilă să distrugă izolația dintre ele, se generează descărcarea de scânteie. Această descărcare poate descompune uleiul transformatorului și poate deteriora izolația solidă. Pentru a evita acest lucru, atât miezul, cât și componentele sale metalice trebuie să fie împământate în mod fiabil.

 

Miezul trebuie să fie ușor împământat. Când miezul de fier sau alte componente metalice sunt împământate în două sau mai multe puncte, se va forma o buclă închisă între punctele de masă, formând o circulație, curentul poate fi uneori chiar de zeci de amperi, va provoca supraîncălzirea locală, ceea ce duce la descompunerea uleiului, poate face, de asemenea, siguranța benzii de masă, arde miezul, acestea nu sunt permise. Prin urmare, miezul trebuie să fie împământat și trebuie să fie puțin împământat.

 

 

Apariția miezurilor de fier nanocristalin și amorf oferă materiale ideale pentru transformatoarele de frecvență medie și înaltă. Odată cu dezvoltarea industriei, frecvența de funcționare a sursei de alimentare a crescut la 20kHz, iar puterea de ieșire a depășit 30kW. Materialele de bază tradiționale, cum ar fi tabla de oțel siliconic, au o pierdere mare și nu pot îndeplini noile cerințe de alimentare.

 

Miezul nanocristalin amorf și pe bază de fier are caracteristicile inducției magnetice de înaltă saturație, permeabilitate ridicată, pierderi reduse, stabilitate bună la temperatură, protecție a mediului etc. și are o valoare importantă de aplicare în transformatoarele de înaltă frecvență de putere.

 

 

 

6.1 Miez nanocristalin

Materialele nanocristaline sunt compuse în principal din fier, crom, cupru, siliciu, bor și alte elemente, iar aceste componente specifice de aliaj sunt transformate în stări amorfe prin tehnologia de stingere rapidă și apoi tratate termic pentru a forma granule la scară nanometrică.

Miezul nanocristalin prezintă proprietăți magnetice excelente și stabilitate la temperatură și este deosebit de potrivit pentru înlocuirea feritei în transformatoare sub intervalul de frecvență de la 20 kHz la 50 kHz.

Materialul nanocristalin are o rezistivitate de 90 μ Ω.cm (după tratamentul termic) și, datorită nanostructurii sale, combină avantajele oțelului siliconic, permalloy și ferită.

 

 

 

Grosimea materialelor magnetice moi nanocristaline comune de fier este de aproximativ 30 μm. Datorită fragilității și sensibilității sale la stres, proprietățile magnetice vor fi reduse semnificativ atunci când sunt supuse forțelor externe în timpul procesării și utilizării. Prin urmare, miezul de nanocristal este de obicei transformat într-o formă de inel sau potcoavă și plasat într-o carcasă de protecție. Materialul carcasei de protecție va afecta performanța de disipare a căldurii a miezului nanocristalin.

Noul miez nanocristalin a fost aplicat la transformatoare, grosimea materialului nanocristalin este de numai 24μm, iar miezul întărit după tratament termic are avantaje semnificative față de miezul tradițional al transformatorului:

Noul miez nanocristalin este acoperit cu o peliculă izolatoare, care atinge rezistența necesară pentru înfășurare și poate fi înfășurat direct în transformatoare.

Miezul nanocristalin întărit elimină carcasa de protecție, oferind mai mult spațiu pentru disiparea căldurii și îmbunătățind siguranța de funcționare a transformatorului.

Acest design reduce influența materialului carcasei de protecție asupra miezului nanocristalin și salvează proiectarea structurală și timpul de formare a carcasei de protecție.

Designul miezului nanocristalin poate fi mai flexibil, oferind o varietate de forme, cum ar fi miezul inel, dreptunghiular și în formă de C, oferind mai multe opțiuni pentru proiectarea transformatorului și procesul de înfășurare ulterior.

 

6.2 Miez magnetic amorf

Materialul amorf este produs folosind tehnologia de stingere ultra-rapidă cu o viteză de răcire de aproximativ un milion de grade pe secundă. Această tehnologie solidifică oțelul topit într-o singură călire într-o bandă de aliaj cu o grosime de 30 de microni. Datorită vitezei rapide de răcire, metalul nu are timp să se cristalizeze, rezultând fără granule sau granițe de granule în aliaj, rezultând în formarea așa-numitelor aliaje amorfe.

Metalul amorf are o microstructură unică, care este diferită de metalul convențional, iar compoziția și structura sa dezordonată îi conferă multe proprietăți unice, cum ar fi magnetism excelent, rezistență la coroziune, rezistență la uzură, rezistență ridicată, duritate, tenacitate, rezistivitate ridicată, coeficient de cuplare electromecanic ridicat. , etc.

 

 

 

Componentele principale ale miezului amorf pe bază de fier sunt fierul, siliciul și borul, din care conținutul de siliciu este de până la 5,3%, iar structura unică a stării amorfe, rezistivitatea sa este de 130 μΩ.cm, care este de două ori mai mare decât a tablei de otel siliconic (47 μΩ.cm).

Grosimea materialului amorf pe bază de fero utilizat în miezul amorf este de aproximativ 30 nm, ceea ce este mult mai subțire decât grosimea tablei de oțel cu siliciu, astfel încât pierderea curenților turbionari este mică la funcționarea de înaltă frecvență. În intervalul de frecvență de 400Hz ~ 10kHz, pierderea este de numai 1/3 ~ 1/7 din tabla de oțel siliconic. În același timp, permeabilitatea miezului de fier amorf pe bază de fier este mult mai mare decât cea a miezului de fier tradițional.

Datorită acestor avantaje, miezul amorf poate reduce greutatea transformatorului cu mai mult de 50% și creșterea temperaturii cu 50%.

După ani de dezvoltare, miezurile de fier amorf și nanocristalin au fost utilizate pe scară largă în transformatoare de înaltă frecvență, transformatoare de curent, surse de alimentare cu comutare, echipamente de compatibilitate electromagnetică și alte aplicații.