Železno jedro transformatorja

 

Jedro je glavni del magnetnega vezja v transformatorju. Običajno je sestavljen iz vroče ali hladno valjanih silikonskih jeklenih plošč z visoko vsebnostjo silicija in površino, prevlečeno z izolacijsko barvo. Železno jedro in tuljave okoli njega sestavljajo popoln elektromagnetni indukcijski sistem. Količina moči, ki jo prenaša močnostni transformator, je odvisna od materiala in površine prečnega prereza železnega jedra.

 

 

2.1 Navito jedro in laminirano jedro

2.1.1 navito železno jedro

Navito jedro se običajno uporablja v majhnih in srednje velikih transformatorjih (pod 1000 kVA), transformatorjih, magnetnih ojačevalnikih in tokovnih transformatorjih ničelnega zaporedja za zaščito pred uhajanjem.

 

Materiali, uporabljeni za navito jedro, so ultratanka hladno valjana silicijeva jeklena pločevina z visoko prepustnostjo in mehki magnetni trak, kot je permalloy. Debelina pločevine iz silicijevega jekla je 0.18~0.30; Debelina permalloy traku je 0.03~0.10 mm. Če vzamemo za primer majhne in srednje velike transformatorje, ima uporaba navitega jedra naslednje prednosti:

1) Pod enakimi pogoji se izguba brez obremenitve navitega jedra zmanjša za 7 % do 10 % v primerjavi z laminiranim jedrom; Tok brez obremenitve se lahko zmanjša za 50%~75%.

2) Navito jedro je lahko izdelano iz zelo tankih visoko prepustnih hladno valjanih silicijevih jeklenih plošč, ki lahko proizvajajo transformatorje z nižjimi izgubami.

3) Zvito jedro ima dobro sposobnost obdelave, brez odpadkov pri striženju in stopnja izkoriščenosti je skoraj 100 %. Prav tako lahko sprejme mehanizirano delovanje, odpravlja postopek zlaganja, proizvodna učinkovitost pa je 5- do 10-krat večja kot pri laminiranem jedru.

4) Samo navito jedro je celota, ni ga treba pritrditi z vpenjanjem podpornih delov in nima spoja, tako da se pod enakimi pogoji kot laminirano jedro lahko hrup transformatorja zmanjša za 5 ~ 10 dB.

5) Procesni koeficient enofaznega transformatorja z navitim jedrom je približno 1,1; Trifazni pod 1,15; Za jedra iz laminiranega železa je procesni koeficient majhne zmogljivosti približno 1,45, procesni koeficient velike zmogljivosti pa približno 1,15. Zato je navito jedro še posebej primerno za male in srednje velike transformatorje.

 

 

2.1.2 jedra iz lepljenega železa

Opredelitev

Laminirano železno jedro je ključna komponenta, ki se uporablja v močnostnih transformatorjih, induktorjih, transformatorjih in drugi energetski opremi. Sestavljen je iz več listov z visoko prepustnostjo in nizko histerezno izgubo, kar lahko učinkovito izboljša delovno učinkovitost in stabilnost delovanja opreme.

 

Struktura jedra iz laminiranega železa

Laminirano jedro je sestavljeno iz več plošč, od katerih je vsaka izdelana iz zelo prepustnega materiala, kot je silikonsko jeklo. Te plošče so ločene z izolacijskim materialom, da tvorijo eno samo strukturo. Jedra iz laminiranega železa so običajno pravokotne ali krožne oblike, da se prilagodijo zahtevam različne opreme. V procesu izdelave laminiranega železnega jedra je treba upoštevati tudi dejavnike, kot so debelina pločevine, izbira izolacijskih materialov in proces obdelave, da se zagotovi njegova učinkovitost in zanesljivost. Železno jedro tvori zaprt magnetni tokokrog v transformatorju in je tudi okostje namestitvene tuljave, ki je zelo pomemben del za elektromagnetno delovanje in mehansko trdnost transformatorja. Železno jedro je del magnetnega vezja transformatorja, ki je sestavljen iz stebra z železnim jedrom (navitje na stebru) in železnega jarma (ki povezuje železno jedro, da tvori zaprt magnetni krog). Da bi zmanjšali izgubo vrtinčnega toka in histerezo ter izboljšali magnetno prevodnost magnetnega vezja, je železno jedro izdelano iz {{0}}.35 mm ~ 0,5 mm debele pločevine iz silicijevega jekla, prevlečenega z izolacijsko barvo. Majhen odsek jedra transformatorja je pravokoten ali kvadraten, odsek jedra velikega transformatorja pa je stopničast, kar omogoča popoln izkoristek prostora.

 

Lastnosti laminiranega jedra

Ker sta jedro in navitje transformatorja z laminiranim jedrom izdelana ločeno, se jedro najprej zloži, nato se odstrani zgornji jarem, nato se namestita izolacija jedra in tuljava, tuljava in stebriček jedra pa sta podprta z oporo, in končno se vstavi železni jarem, da se dokonča sestavljanje telesa.

 

Struktura transformatorja z laminiranim jedrom ima naslednje značilnosti:

1. Smer vpenjanja jedra je smer debeline jedra, ki lahko dobro vpne jedro;

2. Za dvoslojno cilindrično tuljavo notranja plast tuljave nima okostja tuljave;

3. Ker je zgornji železni jarem med namestitvijo odstranjen, je mogoče jedrni steber in tuljavo enostavno zategniti z oporo;

4. Tuljava je navita ločeno, po navijanju pa jo lahko ločeno potopite.

 

 

2.1.3 Primerjava tridimenzionalnega trikotnega zvitega jedra, laminiranega jedra in ploščatega zvitega jedra

1) Tridimenzionalno trikotno navito železno jedro

Tridimenzionalno navito jedro: trikotna tridimenzionalna razporeditev železnega jedra, sestavljenega iz treh enojnih navitih jeder enake geometrijske velikosti.

Tridimenzionalni transformator z navitim jedrom: razdelilni transformator s tridimenzionalnim navitim jedrom kot magnetnim vezjem.

Značilnosti postopka: Celotno železno jedro je izdelano iz treh enakih enojnih okvirjev, trije jedrni stebri železnega jedra pa so razporejeni v enakostraničnem trikotniku. Vsak posamezen okvir je izdelan iz več zaporedno navitih trapeznih trakov. Prerez posameznega okvirja po navitju je blizu polkrožnemu, prerez po razcepu pa je zelo blizu kvazipoligonu celega kroga. Trapezoidni materialni trak različnih velikosti enojnega okvirja je navit s posebnim strojem za rezanje pregibne linije. Tovrstno obdelavo z razrezom je mogoče izvesti brez obdelave materiala, to je, da je pri razrezu stopnja izkoristka materiala 100%.

 

2) Jedro iz laminiranega železa

Jedro iz laminiranega železa: sestavljeno je iz proizvodne linije za vzdolžni strig in proizvodne linije za prečni strig, trak iz silicijevega jekla pa se predela v določeno obliko pločevine iz silicijevega jekla, nato pa je pločevina iz silicijevega jekla zložena na določen način.

Laminirano jedro ima tri slabosti:

Obstajajo zračne reže, ki jih tvorijo številni spoji v magnetnem vezju, kar poveča magnetni upor magnetnega vezja, s čimer se povečajo izgube in tok brez obremenitve.

Smer magnetnega tokokroga ponekod ni v skladu s smerjo visoke magnetne prepustnosti traku iz silicijevega jekla.

Pomanjkanje tesnosti med rezinami ne le zmanjša koeficient laminacije, ampak, kar je še pomembneje, poveča hrup.

Vpliv postopka na izgubo

Vzdolžni in prečni strig povzročata povečano izgubo mehanske napetosti

Smer magnetnega kroga v kotu ni v skladu s smerjo magnetne prevodnosti, kar močno poveča izgubo

Spoji povečajo izgubo, zlasti povečanje toka brez obremenitve

Procesni koeficient je 1,15 ~ 1,3

 

3) Vpliv strukture na magnetno vezje

V tradicionalnem jedru sklada z zračno režo je sklopni magnetni tokokrog med fazo izmeničnega toka očitno 1/2 daljši od magnetnega tokokroga faze AB in faze BC, zato je magnetni tokokrog neuravnotežen in magnetni upor izmeničnega toka faza je večja. Ko je na transformator priključena trifazna napetost, jedro proizvede trifazni uravnoteženi magnetni pretok φA, φB in φC.

Ko magnetni tok trifazne tehtnice prehaja skozi neuravnotežen magnetni krog, je padec magnetne napetosti faz A in C velik, kar vpliva na trifazno napetostno bilanco. To neravnovesje v magnetnem vezju je nepremostljiva strukturna napaka za planarne transformatorje.

 

4) Ravno navito železno jedro

Ploščato navito jedro: Ploščato urejeno železno jedro, sestavljeno iz enega ali več posameznih okvirjev z navitimi jedri.

Značilnosti postopka: Ploščato navito jedro najprej navijeta dva manjša notranja okvirja, po kombinaciji dveh notranjih okvirjev, ki sta bila navita, in nato navije večji zunanji okvir v svoji zunanji sestavi, so razporejeni trije jedrni stebri ploščatega navitega jedra v letalu.

Napake strukture ploščatega jedra

Enako kot ravno navito jedro in laminirano jedro so trije jedrni stebri razporejeni v ravnini, tako da je dolžina magnetnega vezja treh jedrnih stebrov nedosledna: dolžina magnetnega vezja srednjega stebra je kratka, magnetno vezje dolžina obeh stranskih stebrov je daljša, povprečna dolžina magnetnega vezja pa je približno 20 %, kar ima za posledico veliko razliko v izgubi brez obremenitve treh jedrnih stebrov, izguba brez obremenitve srednji stolpec je nizek, izguba brez obremenitve obeh stranskih stolpcev pa je velika, kar povzroči trifazno neravnovesje.

 

 

2.2 Enofazna in trifazna jedra

Enofazno jedro ima eno laminirano jedro z dvema stebroma. Obstaja pet vrst enofaznega jedra s štirimi stebri z enim stebrom in stranskim jarmom, enofaznega laminiranega jedra z dvojnim stebrom in enofaznega sevalnega laminiranega jedra. Obstajajo štiri vrste trifaznega jedra: trifazno laminirano jedro s kolono, trifazno jedro s petimi stebri s stranskim jarmom, trifazno laminirano jedro z dvojnim okvirjem in trifazno laminirano jedro reaktorja.

Železno jedro je sestavljeno iz dveh delov: stebra železnega jedra in železnega jarma. Jedrni steber je prekrit z navitjem, železni jarem pa povezuje jedrni steber v sklenjen magnetni krog. Načrt jedra transformatorja je prikazan na sliki 1, slika 1a je enofazni transformator, slika 1b je trifazni transformator, strukturo jedra lahko razdelimo na dva dela, C je del tuljave, imenovan jedrni stolpec. Y se uporablja za zapiranje dela magnetnega kroga, imenovanega jarem. Enofazni transformator ima dva jedrna stebra, trifazni transformator pa tri jedrne stebre.

 

 

Ker je magnetni tok v jedru transformatorja izmenični magnetni tok, je za zmanjšanje izgube vrtinčnih tokov jedro transformatorja na splošno izdelano iz silicijevih jeklenih plošč z veliko upornostjo v železni čip določene velikosti, silicijeve jeklene plošče, sestavljene iz železno jedro se razreže v zahtevano obliko in velikost, nato pa se plošča za luknjanje združi na način prekrivanja. Slika 2a prikazuje železno jedro enofaznega transformatorja, pri čemer je vsaka plast sestavljena iz 4 luknjačev. Slika 2b prikazuje železno jedro trifaznega transformatorja, vsaka plast je sestavljena iz 6 kosov, kombinacija vsakih dveh plasti čipa pa uporablja drugačno razporeditev za razporeditev spojev vsake plasti magnetnega vezja. Ta metoda sestavljanja se imenuje prekrivajoča sestava in s to sestavo se je mogoče izogniti pretoku vrtinčnih tokov med jekleno pločevino in jekleno pločevino. In ker je vsaka plast luknjanja prepletena, je mogoče uporabiti manj pritrdilnih elementov, da je struktura preprosta pri stiskanju železnega jedra. Med montažo se prebijalne plošče najprej zložijo, da tvorijo celotno železno jedro, nato pa se spodnji železni jarem vpne, zgornja prebijalna plošča železnega jarma se odstrani, da se izpostavi jedrni steber, montažno navitje se namesti na jedrni steber in končno se vstavi izvlečena zgornja plošča za luknjanje železnega jarma.

 

 

2.3 Jedra lupine in jedra

Del prevlečenega navitja v železnem jedru se imenuje "jedrni stolpec", del neobloženega navitja, ki igra samo vlogo magnetnega kroga, pa se imenuje "železni jarem". Kjer železno jedro obdaja navitje, se imenuje lupina; Kjer navitje obdaja jedrni steber, se imenuje tip jedra. Vrsta lupine in vrsta jedra imata svoje značilnosti, vendar je proizvodni proces transformatorja, ki ga določa železno jedro, zelo različen in težko se je obrniti na strukturo, ko je določena struktura izbrana. Večina transformatorskega jedra v naši državi sprejme vrsto zloženega jedra.

Glede na razporeditev navitja v železnem jedru je transformator razdeljen na tip jedra in tip lupine. Razlika je predvsem v porazdelitvi magnetnega vezja, jarem lupinskega transformatorskega jedra obdaja tuljavo, jedro transformatorskega jedra je večinoma v tuljavi, le del železnega jarma zunaj tuljave, ki se uporablja za oblikovanje magnetnega vezje.

 

 

 

Ko transformator normalno deluje, bo železno jedro proizvajalo toploto zaradi obstoja izgube železa in večja ko je teža in prostornina železnega jedra, več toplote bo proizvedeno. Temperaturo transformatorskega olja nad 95 stopinj je enostavno starati, zato je treba temperaturo površine jedra nadzorovati pod to temperaturo, kolikor je to mogoče, kar zahteva strukturo odvajanja toplote jedra, da hitro odvaja toploto jedra. Struktura odvajanja toplote je namenjena predvsem povečanju površine odvajanja toplote železnega jedra. Odvajanje toplote železnega jedra vključuje predvsem odvajanje toplote oljnega kanala železnega jedra in odvajanje toplote dihalne poti železnega jedra.

 

V oljnih transformatorjih z veliko zmogljivostjo so oljne reže pogosto razporejene med laminati železnega jedra, da se poveča učinek odvajanja toplote. Rezervoar za olje je razdeljen na dve vrsti, ena je vzporedna s silikonsko jekleno pločevino, druga pa je navpična na jekleno pločevino, kot je prikazano na sliki 4. Slednja razporeditev ima boljši učinek odvajanja toplote, vendar je struktura bolj zapletena.

 

V jedru suhega transformatorja je zračno hlajenje, da se zagotovi, da temperatura jedra ne preseže dovoljene vrednosti, pogosto nameščeno v jedrnem stolpcu in zračnem kanalu železnega jarma.

 

 

 

Transformator bo med delovanjem proizvajal hrup. Vir hrupa ohišja transformatorja je magnetostrikcijska plošča iz silicijevega jekla železnega jedra ali pa je hrup jedra transformatorja v bistvu posledica magnetostrikcije. Tako imenovana magnetostrikcija se nanaša na povečanje velikosti silicijeve jeklene pločevine vzdolž smeri črte magnetne indukcije, ko je železno jedro vzbujeno; Velikost silicijeve jeklene pločevine se zmanjšuje v smeri, ki je pravokotna na linijo magnetne induktivnosti, in to spremembo velikosti imenujemo magnetostrikcijska. Poleg tega bodo struktura in geometrijska velikost železnega jedra, proces obdelave železnega jedra in izdelave imeli določeno stopnjo vpliva na njegovo raven hrupa.

 

Raven hrupa železnega jedra je mogoče zmanjšati z naslednjimi tehničnimi ukrepi: (1) Uporaba visokokakovostnih pločevin iz silicijevega jekla z majhno vrednostjo magnetostrikcijskega razmerja ε. (2) Zmanjšajte gostoto magnetnega pretoka jedra. (3) Izboljšajte strukturo železnega jedra. (4) Izberite razumno velikost jedra. (5) Sprejmite napredno tehnologijo obdelave.

 

 

Pri normalnem delovanju transformatorja je električno polje, ki nastane med nabitim navitjem in vodilno žico ter rezervoarjem za gorivo, neenakomerno električno polje, železno jedro in njegovi kovinski deli pa so v električnem polju. Ker je potencial elektrostatične indukcije drugačen, potencial vzmetenja železnega jedra in njegovih kovinskih delov ni enak, in ko potencialna razlika med obema točkama lahko poruši izolacijo med njima, nastane iskričasta razelektritev. Ta razelektritev lahko razgradi olje transformatorja in poškoduje trdno izolacijo. Da bi se temu izognili, je treba jedro in njegove kovinske komponente zanesljivo ozemljiti.

 

Jedro mora biti rahlo ozemljeno. Ko so železno jedro ali druge kovinske komponente ozemljene na dveh ali več točkah, se bo med ozemljitvenimi točkami oblikovala zaprta zanka, ki tvori kroženje, tok je lahko včasih celo desetine amperov, kar bo povzročilo lokalno pregrevanje, kar vodi do razpad olja, lahko povzroči tudi zgorevanje ozemljitvenega traku, sežiganje jedra, to ni dovoljeno. Zato mora biti jedro ozemljeno in mora biti malo ozemljeno.

 

 

Pojav nanokristalnih in amorfnih železnih jeder zagotavlja idealne materiale za srednje- in visokofrekvenčne transformatorje. Z razvojem industrije se je delovna frekvenca napajalnika povečala na 20kHz, izhodna moč pa je presegla 30kW. Tradicionalni materiali jedra, kot je silicijeva jeklena pločevina, imajo velike izgube in ne morejo izpolniti novih zahtev glede napajanja.

 

Amorfno in nanokristalno jedro na osnovi železa ima značilnosti magnetne indukcije z visoko nasičenostjo, visoko prepustnostjo, nizko izgubo, dobro temperaturno stabilnostjo, zaščito okolja itd., in ima pomembno uporabniško vrednost v visokofrekvenčnih transformatorjih visoke moči.

 

 

 

6.1 Nanokristalno jedro

Nanokristalni materiali so v glavnem sestavljeni iz železa, kroma, bakra, silicija, bora in drugih elementov, te posebne komponente zlitin pa so s tehnologijo hitrega kaljenja pretvorjene v amorfna stanja in nato toplotno obdelane, da se oblikujejo zrna v nanometrskem merilu.

Nanokristalno jedro ima odlične magnetne lastnosti in temperaturno stabilnost ter je posebej primerno za zamenjavo ferita v transformatorjih pod frekvenčnim območjem od 20kHz do 50kHz.

Nanokristalni material ima upornost 90 μ Ω.cm (po toplotni obdelavi) in zahvaljujoč svoji nanostrukturi združuje prednosti silicijevega jekla, permaloja in ferita.

 

 

 

Debelina običajnih železovih nanokristalnih mehkih magnetnih materialov je približno 30 μm. Zaradi njegove krhkosti in občutljivosti na obremenitve se bodo magnetne lastnosti znatno zmanjšale, če bodo izpostavljene zunanjim silam med obdelavo in uporabo. Zato je nanokristalno jedro običajno oblikovano v obliki obroča ali podkve in nameščeno v zaščitni ovoj. Material zaščitne lupine bo vplival na zmogljivost odvajanja toplote nanokristalnega jedra.

Novo nanokristalno jedro je bilo uporabljeno za transformatorje, debelina nanokristalnega materiala je le 24 μm, jedro, strjeno po toplotni obdelavi, pa ima pomembne prednosti pred tradicionalnim transformatorskim jedrom:

Novo nanokristalno jedro je prevlečeno z izolacijsko folijo, ki dosega zahtevano trdnost za navijanje in se lahko navije neposredno v transformatorje.

Utrjeno nanokristalno jedro odpravlja zaščitno ohišje, kar zagotavlja več prostora za odvajanje toplote in izboljša varnost delovanja transformatorja.

Ta zasnova zmanjša vpliv materiala zaščitne lupine na nanokristalno jedro in prihrani strukturno zasnovo in čas oblikovanja zaščitne lupine.

Zasnova nanokristalnega jedra je lahko bolj prilagodljiva, saj ponuja različne oblike, kot so obročasto, pravokotno jedro in jedro v obliki črke C, kar zagotavlja več možnosti za načrtovanje transformatorja in kasnejši postopek navijanja.

 

6.2 Amorfno magnetno jedro

Amorfni material se proizvaja s tehnologijo ultra hitrega kaljenja s hitrostjo ohlajanja približno milijon stopinj na sekundo. Ta tehnologija strdi staljeno jeklo v enem samem kaljenju v trak zlitine z debelino 30 mikronov. Zaradi hitrega ohlajanja kovina nima časa kristalizirati, zaradi česar v zlitini ni zrn ali meja zrn, kar povzroči nastanek tako imenovanih amorfnih zlitin.

Amorfna kovina ima edinstveno mikrostrukturo, ki se razlikuje od običajne kovine, njena sestava in neurejena struktura pa ji dajeta številne edinstvene lastnosti, kot so odličen magnetizem, odpornost proti koroziji, odpornost proti obrabi, visoka trdnost, trdota, žilavost, visoka upornost, visok elektromehanski sklopni koeficient itd.

 

 

 

Glavne komponente amorfnega jedra na osnovi železa so železo, silicij in bor, od katerih je vsebnost silicija kar 5,3 %, edinstvena struktura amorfnega stanja pa je njegova upornost 130 μΩ.cm, kar je dvakrat več kot silicijeve jeklene pločevine (47 μΩ.cm).

Debelina amorfnega materiala na osnovi železa, uporabljenega v amorfnem jedru, je približno 30 nm, kar je veliko tanjše od debeline pločevine iz silicijevega jekla, zato je izguba vrtinčnega toka pri visokofrekvenčnem delovanju majhna. V frekvenčnem območju 400Hz~10kHz je izguba le 1/3~1/7 silicijeve jeklene pločevine. Hkrati je prepustnost amorfnega železnega jedra na osnovi železa veliko višja od prepustnosti tradicionalnega železnega jedra.

Zaradi teh prednosti lahko amorfno jedro zmanjša težo transformatorja za več kot 50 % in dvig temperature za 50 %.

Po letih razvoja se amorfna in nanokristalna železna jedra pogosto uporabljajo v visokofrekvenčnih transformatorjih, tokovnih transformatorjih, stikalnih napajalnikih, opremi za elektromagnetno združljivost in drugih aplikacijah.