Gvozdeno jezgro transformatora

 

Jezgro je glavni dio magnetskog kola u transformatoru. Obično se sastoji od toplo valjanih ili hladno valjanih silikonskih čeličnih limova s ​​visokim sadržajem silicija i površine premazane izolacijskom bojom. Gvozdeno jezgro i kalemovi oko njega čine kompletan sistem elektromagnetne indukcije. Količina snage koju prenosi energetski transformator ovisi o materijalu i površini poprečnog presjeka željeznog jezgra.

 

 

2.1 Namotano jezgro i laminirano jezgro

2.1.1 namotano gvozdeno jezgro

Namotano jezgro se obično koristi u malim i srednjim transformatorima (ispod 1000kVA), transformatorima, magnetnim pojačavačima i strujnim transformatorima nulte sekvence zaštitnika od curenja.

 

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

1) Pod istim uslovima, gubitak jezgra rane bez opterećenja je smanjen za 7% do 10% u poređenju sa laminiranim jezgrom; Struja bez opterećenja može se smanjiti za 50%~75%.

2) Namotano jezgro može biti izrađeno od vrlo tankih visokopropusnih hladno valjanih silikonskih čeličnih limova, koji mogu proizvesti transformatore sa manjim gubicima.

3) Jezgro rane ima dobru obradivost, nema otpada od smicanja, a stopa iskorištenja je skoro 100%. Takođe može usvojiti mehanizovan rad, eliminišući proces slaganja, a efikasnost proizvodnje je 5 do 10 puta veća od one kod laminiranog jezgra.

4) Samo namotano jezgro je cjelina, ne mora se fiksirati stezanjem potpornih dijelova i nema spoj, tako da pod istim uvjetima kao i laminirano jezgro, buka transformatora može se smanjiti za 5~10dB.

5) Procesni koeficijent jednofaznog transformatora sa namotanim jezgrom je oko 1,1; Trofazni ispod 1,15; Za laminirana gvozdena jezgra, procesni koeficijent malog kapaciteta je oko 1,45, a procesni koeficijent velikog kapaciteta je oko 1,15. Stoga je namotano jezgro posebno pogodno za male i srednje transformatore.

 

 

2.1.2 laminirana gvozdena jezgra

Definicija

Laminirano željezno jezgro je ključna komponenta koja se koristi u energetskim transformatorima, induktorima, transformatorima i drugoj energetskoj opremi. Sastoji se od više listova, sa visokom propusnošću i niskim gubitkom histereze, što može efikasno poboljšati radnu efikasnost i stabilnost performansi opreme.

 

Struktura lameliranog željeznog jezgra

Laminirano jezgro se sastoji od više listova, od kojih je svaki napravljen od visoko propusnog materijala, kao što je silikonski čelik. Ovi listovi su odvojeni izolacijskim materijalom kako bi formirali jednu strukturu. Laminirana željezna jezgra su obično pravokutnog ili kružnog oblika kako bi se prilagodila zahtjevima različite opreme. U procesu proizvodnje lameliranog željeznog jezgra također je potrebno uzeti u obzir faktore kao što su debljina lima, izbor izolacijskih materijala i proces obrade kako bi se osigurale njegove performanse i pouzdanost. Gvozdeno jezgro čini zatvoreni magnetni krug u transformatoru, a ujedno je i skelet instalacionog namotaja, koji je veoma važan deo za elektromagnetne performanse i mehaničku čvrstoću transformatora. Gvozdeno jezgro je deo magnetnog kola transformatora, koji se sastoji od stuba sa gvozdenim jezgrom (namotaja postavljenog na stubu) i gvozdenog jarma (koji povezuje gvozdeno jezgro da formira zatvoreni magnetni krug). Da bi se smanjio gubitak vrtložne struje i histereze i poboljšala magnetna provodljivost magnetnog kola, gvozdeno jezgro je napravljeno od {{0}}.35mm ~ 0,5mm debelog silikonskog čeličnog lima obloženog izolacionom bojom. Mali dio jezgre transformatora je pravokutni ili kvadratni, a veliki dio jezgre transformatora je stepenast, čime se u potpunosti iskoristi prostor.

 

Karakteristike laminirane jezgre

Budući da se jezgra i namotaj transformatora sa lameliranom jezgrom izrađuju odvojeno, prvo se slaže jezgro, a zatim se uklanja gornji jaram, a zatim se postavljaju izolacija jezgre i zavojnica, a zavojnica i stub jezgre se podupiru držačem, i na kraju se umeće gvozdeni jaram da se završi montaža tela.

 

Struktura transformatora sa lameliranim jezgrom ima sljedeće karakteristike:

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

2. Za dvoslojni cilindrični kalem, unutrašnji sloj zavojnice nema kostur zavojnice;

3. Budući da se gornji gvozdeni jaram uklanja tokom ugradnje, stub jezgra i zavojnica se mogu lako zategnuti držačem;

4. Zavojnica je odvojeno namotana, a zavojnica se može posebno umočiti nakon namotavanja.

 

 

2.1.3 Poređenje trodimenzionalnog trokutastog jezgra rane, laminiranog jezgra i ravnog jezgra rane

1) Trodimenzionalno trouglasto namotano gvozdeno jezgro

Trodimenzionalno namotano jezgro: Trouglasti trodimenzionalni raspored gvozdenog jezgra sastavljen od tri namotana jezgra sa jednim okvirom iste geometrijske veličine.

Trodimenzionalni transformator sa namotanim jezgrom: distributivni transformator sa trodimenzionalnim namotanim jezgrom kao magnetnim krugom.

Karakteristike procesa: Celokupno gvozdeno jezgro je napravljeno od tri identična pojedinačna okvira, a tri stuba jezgra gvozdenog jezgra su raspoređena u jednakostranični trougao. Svaki pojedinačni okvir je napravljen od više traka od trapeznog materijala koji su sukcesivno namotani. Poprečni presjek pojedinačnog okvira nakon namotavanja je blizak polukružnom, a poprečni presjek nakon cijepanja je vrlo blizak kvazi-poligonu cijelog kruga. Trapezni pojas od materijala različitih veličina jednostrukog okvira namotava se posebnom mašinom za preklapanje. Ova vrsta obrade rezanja može se obaviti i bez obrade materijala, odnosno pri rezanju je iskorištenost materijala 100%.

 

2) Laminirano gvozdeno jezgro

Laminirano željezno jezgro: Sastoji se od proizvodne linije uzdužnog smicanja i proizvodne linije poprečnog smicanja, a silikonska čelična traka se obrađuje u određeni oblik silikonskog čeličnog lima, a zatim se silikonski čelični lim slaže na određeni način.

Laminirano jezgro ima tri nedostatka:

Postoje zračne praznine formirane od mnogih spojeva u magnetskom kolu, što povećava magnetni otpor magnetskog kola, čime se povećavaju gubici i struja praznog hoda.

Smjer magnetskog kola na nekim mjestima nije u skladu sa smjerom visoke magnetne permeabilnosti silikonske čelične trake.

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

Utjecaj procesa na gubitak

Uzdužni i poprečni posmici proizvode povećan gubitak mehaničkog naprezanja

Smjer magnetskog kola u kutu nije u skladu sa smjerom magnetske provodljivosti, što uvelike povećava gubitak

Spojevi povećavaju gubitke, posebno povećanje struje praznog hoda

Procesni koeficijent je 1,15 ~ 1,3

 

3) Uticaj strukture na magnetsko kolo

U tradicionalnom stack jezgru sa zračnim rasporom, spojni magnetni krug između AC faze je očigledno 1/2 duži od magnetnog kola AB faze i BC faze, tako da je magnetni krug neuravnotežen, a magnetski otpor AC faza je veća. Kada se na transformator primeni trofazni napon, jezgro proizvodi trofazni balansirani magnetni tok φA, φB i φC.

Kada magnetni tok trofazne ravnoteže prolazi kroz neuravnoteženi magnetni krug, pad magnetnog napona A i C faze je velik, što utiče na balans trofaznog napona. Ova neravnoteža u magnetnom kolu je nepremostivi strukturni nedostatak za planarne transformatore.

 

4) Ravno namotano gvozdeno jezgro

Ravno namotano jezgro: Ravno raspoređeno gvozdeno jezgro koje se sastoji od jednog ili više pojedinačnih okvira sa namotanim jezgrom.

Karakteristike procesa: Plosnato namotano jezgro se prvo namotava na dva manja unutrašnja okvira, nakon kombinacije dva unutrašnja okvira koja su namotana, a zatim namotava veći vanjski okvir u svom vanjskom sastavu, raspoređuju se tri stuba jezgre ravnog namotanog jezgra. u avionu.

Defekti strukture jezgre ravne rane

Isto kao i ravno namotano jezgro i laminirano jezgro, tri stuba jezgra su raspoređena u ravni, tako da je dužina magnetnog kola tri stuba jezgra nedosledna: dužina magnetnog kola srednjeg stuba je kratka, magnetni krug dužina dva bočna stuba je duža, a prosječna dužina magnetnog kola je oko 20%, što rezultira velikom razlikom u gubitku bez opterećenja tri stuba jezgra, gubitku bez opterećenja od srednji stub je nizak, a gubitak u praznom hodu na dva bočna stuba je veliki, što rezultira trofaznom neravnotežom.

 

 

2.2 Jednofazna i trofazna jezgra

Monofazno jezgro ima jedno laminirano jezgro sa dvije kolone. Postoji pet vrsta jednofaznog jednostubnog laminiranog jezgra sa bočnim jarmom, jednofaznog laminiranog jezgra tipa sa dvostrukim stupom i jednofaznog laminiranog tipa radijantnog jezgra. Postoje četiri vrste trofaznog jezgra: trofazno laminirano jezgro kolone, trofazno jezgro sa bočnim jarmom i pet stupova, trofazno laminirano jezgro sa dvostrukim okvirom i trofazno laminirano jezgro reaktora.

Gvozdeno jezgro se sastoji od dva dela: stuba sa gvozdenim jezgrom i gvozdenog jarma. Stub jezgre je prekriven namotajem, a željezni jaram povezuje stub jezgre da formira zatvoreni magnetni krug. Plan jezgre transformatora prikazan je na slici 1, slika 1a je jednofazni transformator, slika 1b je trofazni transformator, struktura jezgre se može podijeliti na dva dijela, C je dio zavojnice, nazvan jezgro stuba. Y se koristi za zatvaranje dijela magnetskog kruga, koji se zove jaram. Jednofazni transformator ima dva stuba jezgra, a trofazni transformator ima tri stuba jezgra.

 

 

Budući da je magnetni tok u jezgri transformatora naizmjenični magnetni tok, kako bi se smanjio gubitak vrtložne struje, jezgro transformatora je općenito izrađeno od silikonskih čeličnih limova s ​​velikom otpornošću u željezni čip određene veličine, a silikonski čelični limovi se sastoje od gvozdeno jezgro se reže u željeni oblik i veličinu, a zatim se štancani lim kombinuje na način preklapanja. Slika 2a prikazuje željezno jezgro jednofaznog transformatora, pri čemu se svaki sloj sastoji od 4 komada za probijanje. Slika 2b prikazuje željezno jezgro trofaznog transformatora, svaki sloj je sastavljen od 6 komada, a kombinacija svaka dva sloja čipa primjenjuje drugačiji raspored za pomicanje spojeva svakog sloja magnetskog kola. Ova metoda montaže naziva se sklop preklapanja, a ovaj sklop može izbjeći protok vrtložne struje između čeličnog lima i čeličnog lima. A budući da je svaki sloj probijanja isprepleten, može se koristiti manje pričvršćivača kako bi se struktura učinila jednostavnom prilikom pritiskanja željezne jezgre. Tokom montaže, ploče za probijanje se prvo slažu kako bi se formiralo cijelo željezno jezgro, a zatim se donji željezni jaram stegne, gornja ploča za probijanje jarma se uklanja kako bi se otkrio stub jezgre, montažni namotaj se postavlja na stub jezgre i na kraju se umeće izvučena gornja ploča za probijanje željeznog jarma.

 

 

2.3 Jezgra ljuske i jezgra

Dio obloženog namotaja u željeznom jezgru naziva se "stub jezgre", a dio neobloženog namota koji igra samo ulogu magnetskog kola naziva se "gvozdeni jaram". Tamo gdje gvozdeno jezgro okružuje namotaj, naziva se tip školjke; Tamo gdje namotaj okružuje stupac jezgra naziva se tip jezgre. Tip školjke i tip jezgra imaju svoje karakteristike, ali proces proizvodnje transformatora određen željeznom jezgrom je vrlo različit i teško je okrenuti se strukturi nakon što je određena struktura odabrana. Većina transformatorskih jezgara u našoj zemlji ima složeni tip jezgra.

Prema rasporedu namotaja u željeznoj jezgri, transformator se dijeli na tip jezgre i tip školjke. Razlika je uglavnom u distribuciji magnetnog kruga, jaram jezgre transformatora omotača okružuje zavojnicu, jezgro transformatora jezgra je uglavnom u zavojnici, samo dio željeznog jarma izvan zavojnice, koji se koristi za formiranje magnetskog kolo.

 

 

 

Kada je transformator u normalnom radu, gvozdeno jezgro će proizvoditi toplotu zbog postojanja gubitka gvožđa, a što je veća težina i zapremina gvozdenog jezgra, to će se stvarati više toplote. Temperatura transformatorskog ulja iznad 95 stepeni lako se stari, tako da temperaturu površine jezgra treba kontrolisati ispod ove temperature koliko god je to moguće, što zahteva strukturu disipacije toplote jezgra da brzo rasprši toplotu jezgra. Struktura odvođenja topline je uglavnom za povećanje površine odvođenja topline željeznog jezgra. Odvođenje topline željeznog jezgra uglavnom uključuje disipaciju topline uljnog kanala željeznog jezgra i disipaciju topline dišnog puta željeznog jezgra.

 

U uljnim transformatorima velikog kapaciteta, prorezi za ulje su često raspoređeni između laminata gvozdenog jezgra kako bi se poboljšao efekat odvođenja toplote. Rezervoar za ulje je podijeljen u dvije vrste, jedan je paralelan sa silikonskim čeličnim limom, a drugi je okomit u odnosu na čelični lim, kao što je prikazano na slici 4. Potonji raspored ima bolji učinak odvođenja topline, ali je struktura složenija.

 

U suvom jezgru transformatora je hlađenje zrakom, kako bi se osiguralo da temperatura jezgra ne prelazi dozvoljenu vrijednost, često se ugrađuje u stupac jezgra i željezni jaram vazdušnog kanala.

 

 

 

Transformator će proizvoditi buku tokom rada. Izvor buke tijela transformatora je magnetostrikcija silikonskog čeličnog lima željeznog jezgra, ili je buka jezgre transformatora u osnovi uzrokovana magnetostrikcijom. Takozvana magnetostrikcija se odnosi na povećanje veličine silikonskog čeličnog lima duž pravca linije magnetne indukcije kada je gvozdeno jezgro pobuđeno; Veličina silikonskog čeličnog lima se smanjuje u smjeru okomitom na liniju magnetske induktivnosti, a ova promjena veličine naziva se magnetostrikcija. Pored toga, struktura i geometrijska veličina gvozdenog jezgra, proces obrade i proizvodnje gvozdenog jezgra imaće određeni stepen uticaja na nivo njegove buke.

 

Nivo buke gvozdenog jezgra može se smanjiti sledećim tehničkim merama: (1) Upotreba visokokvalitetnih čeličnih limova od silikona sa malim magnetostriktivnim odnosom ε. (2) Smanjite gustinu magnetnog fluksa jezgra. (3) Poboljšati strukturu gvozdenog jezgra. (4) Odaberite razumnu veličinu jezgra. (5) Usvojiti naprednu tehnologiju obrade.

 

 

U normalnom radu transformatora, električno polje formirano između nabijenog namotaja i olovne žice i rezervoara za gorivo je neravnomjerno električno polje, a željezno jezgro i njegovi metalni dijelovi su u električnom polju. Budući da je potencijal elektrostatičke indukcije različit, potencijal ovjesa željeznog jezgra i njegovih metalnih dijelova nije isti, a kada razlika potencijala između dvije točke može razbiti izolaciju između njih, nastaje iskrište. Ovo pražnjenje može razbiti ulje transformatora i oštetiti čvrstu izolaciju. Da bi se to izbjeglo, i jezgro i njegove metalne komponente moraju biti pouzdano uzemljene.

 

Jezgro mora biti malo uzemljeno. Kada su gvozdeno jezgro ili druge metalne komponente uzemljene na dve ili više tačaka, između tačaka uzemljenja će se formirati zatvorena petlja, formirajući cirkulaciju, struja ponekad može biti visoka i do desetina ampera, što će izazvati lokalno pregrijavanje, što će dovesti do raspadanje ulja, također može dovesti do spajanja uzemljenja, spaljivanja jezgra, to nije dozvoljeno. Dakle, jezgro mora biti uzemljeno, i mora biti malo uzemljeno.

 

 

Pojava nanokristalnih i amorfnih željeznih jezgara pruža idealne materijale za srednje i visokofrekventne transformatore. Sa 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.

 

Amorfno nanokristalno jezgro na bazi željeza ima karakteristike magnetne indukcije velike zasićenosti, visoke permeabilnosti, niskih gubitaka, dobre temperaturne stabilnosti, zaštite okoliša, itd., i ima važnu primjenu u visokofrekventnim transformatorima velike snage.

 

 

 

6.1 Nanokristalno jezgro

Nanokristalni materijali se uglavnom sastoje od željeza, hroma, bakra, silicija, bora i drugih elemenata, a ove specifične komponente legure se pretvaraju u amorfna stanja tehnologijom brzog gašenja, a zatim se termički obrađuju kako bi se formirala zrna nanorazmjera.

Nanokristalno jezgro pokazuje odlična magnetna svojstva i temperaturnu stabilnost, a posebno je pogodno za zamjenu ferita u transformatorima ispod frekvencijskog opsega od 20kHz do 50kHz.

Nanokristalni materijal ima otpornost od 90 μ Ω.cm (nakon termičke obrade) i zahvaljujući svojoj nanostrukturi kombinuje prednosti silicijum čelika, permaloja i ferita.

 

 

 

Debljina uobičajenih željeznih nanokristalnih mekih magnetnih materijala je oko 30 μm. Zbog svoje krhkosti i osjetljivosti na naprezanje, magnetska svojstva bit će značajno smanjena kada su izloženi vanjskim silama tokom obrade i upotrebe. Stoga se nanokristalna jezgra obično pravi u obliku prstena ili potkovice i stavlja u zaštitnu školjku. Materijal zaštitnog omotača će uticati na performanse odvođenja toplote nanokristalnog jezgra.

Novo nanokristalno jezgro je primenjeno na transformatorima, debljina nanokristalnog materijala je samo 24μm, a jezgro očvršćeno nakon termičke obrade ima značajne prednosti u odnosu na tradicionalno jezgro transformatora:

Novo nanokristalno jezgro je presvučeno izolacionim filmom, koji postiže potrebnu čvrstoću za namotavanje i može se namotati direktno u transformatore.

Očvrsnuto nanokristalno jezgro eliminiše zaštitno kućište, pružajući više prostora za disipaciju toplote i poboljšavajući radnu sigurnost transformatora.

Ovaj dizajn smanjuje utjecaj materijala zaštitnog omotača na nanokristalnu jezgru i štedi strukturni dizajn i vrijeme formiranja zaštitne ljuske.

Dizajn nanokristalnog jezgra može biti fleksibilniji, nudeći različite oblike kao što su prstenasto, pravokutno i jezgro u obliku slova C, pružajući više mogućnosti za dizajn transformatora i naknadni proces namotavanja.

 

6.2 Amorfno magnetno jezgro

Amorfni materijal se proizvodi upotrebom ultra-brze tehnologije gašenja sa brzinom hlađenja od oko milion stepeni u sekundi. Ova tehnologija učvršćuje rastopljeni čelik u jednom kaljenju u traku od legure debljine 30 mikrona. Zbog velike brzine hlađenja, metal nema vremena za kristalizaciju, što rezultira bez zrnaca 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 neuređena struktura daju mu mnoga jedinstvena svojstva, kao što su odličan magnetizam, otpornost na koroziju, otpornost na habanje, visoka čvrstoća, tvrdoća, žilavost, visoka otpornost, visok koeficijent elektromehaničkog spajanja , itd.

 

 

 

Glavne komponente amorfnog jezgra na bazi gvožđa su gvožđe, silicijum i bor, čiji sadržaj silicijuma iznosi čak 5,3%, a jedinstvena struktura amorfnog stanja, otpornost mu je 130 μΩ.cm, što je duplo više od toga. silikonskog čeličnog lima (47 μΩ.cm).

Debljina amorfnog materijala na bazi fero-a koji se koristi u amorfnom jezgru je oko 30nm, što je mnogo tanje od debljine lima od silikonskog čelika, tako da je gubitak vrtložne struje mali pri visokofrekventnom radu. U frekvencijskom opsegu od 400Hz~10kHz, gubitak je samo 1/3~1/7 od silikonskog čeličnog lima. U isto vrijeme, propusnost amorfnog željeznog jezgra na bazi željeza je mnogo veća od one kod tradicionalnog željeznog jezgra.

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

Nakon godina razvoja, amorfna i nanokristalna željezna jezgra su naširoko korištena u visokofrekventnim transformatorima, strujnim transformatorima, prekidačkim izvorima napajanja, opremi za elektromagnetnu kompatibilnost i drugim aplikacijama.