Železné jádro transformátoru

 

Jádro je hlavní částí magnetického obvodu v transformátoru. Obvykle se skládá z plechů z křemíkové oceli válcovaných za tepla nebo za studena s vysokým obsahem křemíku a povrchem potaženým izolační barvou. Železné jádro a cívky kolem něj tvoří kompletní elektromagnetický indukční systém. Množství výkonu přenášeného výkonovým transformátorem závisí na materiálu a ploše průřezu železného jádra.

 

 

2.1 Navinuté jádro a laminované jádro

2.1.1 vinuté železné jádro

Vinuté jádro se běžně používá v malých a středních transformátorech (pod 1000 kVA), transformátorech, magnetických zesilovačích a proudových transformátorech s nulovou složkou svodových ochran.

 

Materiály použité pro vinuté jádro jsou ultratenké za studena válcované křemíkové ocelové plechy s vysokou permeabilitou a měkký magnetický pás, jako je permalloy. Tloušťka plechu z křemíkové oceli je 0.18~0.30; Tloušťka proužku Permalloy je 0,03~0,10 mm. Vezmeme-li jako příklad malé a středně velké transformátory, použití vinutého jádra má následující výhody:

1) Za stejných podmínek je ztráta naprázdno navinutého jádra snížena o 7 % až 10 % ve srovnání s laminovaným jádrem; Proud naprázdno lze snížit o 50%~75%.

2) Navinuté jádro může být vyrobeno z velmi tenkých vysoce permeabilních za studena válcovaných křemíkových ocelových plechů, které mohou vyrábět transformátory s nižšími ztrátami.

3) Navinuté jádro má dobrou zpracovatelnost, žádný střihový odpad a míra využití je téměř 100 %. Může také přijmout mechanizovaný provoz, který eliminuje proces stohování a účinnost výroby je 5 až 10krát vyšší než u laminovaného jádra.

4) Samotné vinuté jádro je celek, nemusí být fixováno upínacími nosnými díly a nemá spoj, takže za stejných podmínek jako laminované jádro lze hluk transformátoru snížit o 5~10dB.

5) Procesní koeficient jednofázového transformátoru s vinutým jádrem je asi 1,1; Třífázový pod 1,15; U vrstvených železných jader je procesní koeficient malé kapacity přibližně 1,45 a procesní koeficient velké kapacity je přibližně 1,15. Proto je vinuté jádro vhodné zejména pro malé a středně velké transformátory.

 

 

2.1.2 vrstvená železná jádra

Definice

Laminované železné jádro je klíčovou komponentou používanou ve výkonových transformátorech, induktorech, transformátorech a dalších energetických zařízeních. Skládá se z více listů s vysokou propustností a nízkou hysterezní ztrátou, což může účinně zlepšit pracovní efektivitu a stabilitu výkonu zařízení.

 

Struktura vrstveného železného jádra

Laminované jádro se skládá z několika plátů, z nichž každý je vyroben z vysoce propustného materiálu, jako je silikonová ocel. Tyto desky jsou odděleny izolačním materiálem a tvoří jedinou strukturu. Laminovaná železná jádra mají obvykle obdélníkový nebo kruhový tvar, aby se přizpůsobila požadavkům různých zařízení. Při výrobním procesu vrstveného železného jádra je také nutné vzít v úvahu faktory, jako je tloušťka plechu, výběr izolačních materiálů a proces zpracování, aby byl zajištěn jeho výkon a spolehlivost. Železné jádro tvoří uzavřený magnetický obvod v transformátoru a je také kostrou instalační cívky, která je velmi důležitou součástí pro elektromagnetický výkon a mechanickou pevnost transformátoru. Železné jádro je součástí magnetického obvodu transformátoru, která se skládá ze sloupu železného jádra (vinutí na sloupu) a železného třmenu (spojujícího železné jádro do uzavřeného magnetického obvodu). Aby se snížila ztráta vířivých proudů a hystereze a zlepšila se magnetická vodivost magnetického obvodu, je železné jádro vyrobeno z {{0}} 0,35 mm ~ 0,5 mm silného silikonového ocelového plechu potaženého izolační barvou. Malá část jádra transformátoru je obdélníková nebo čtvercová a velká část jádra transformátoru je stupňovitá, což má plně využít prostor.

 

Vlastnosti laminovaného jádra

Vzhledem k tomu, že jádro a vinutí transformátoru s vrstveným jádrem jsou vyráběny odděleně, jádro se nejprve složí na sebe a poté se odstraní horní třmen a poté se nasadí izolace jádra a cívka a cívka a sloupek jádra jsou podepřeny vzpěrou, a nakonec je vložen železný třmen, aby se dokončila montáž těla.

 

Konstrukce transformátoru s laminovaným jádrem má následující vlastnosti:

1. Směr upnutí jádra je směr tloušťky jádrového plechu, který může jádro dobře upnout;

2. U dvouvrstvé válcové cívky nemá vnitřní vrstva cívky kostru cívky;

3. Protože je horní železný třmen během instalace odstraněn, lze sloupek jádra a cívku snadno utáhnout pomocí vzpěry;

4. Cívka je navinuta samostatně a cívku lze po navinutí samostatně ponořit.

 

 

2.1.3 Porovnání trojrozměrného trojúhelníkového vinutého jádra, vrstveného jádra a plochého vinutého jádra

1) Trojrozměrné trojúhelníkové vinuté železné jádro

Trojrozměrné vinuté jádro: Trojúhelníkové trojrozměrné uspořádání železného jádra složeného ze tří jednorámových vinutých jader stejné geometrické velikosti.

Trojrozměrný vinutý transformátor: distribuční transformátor s trojrozměrným vinutým jádrem jako magnetickým obvodem.

Vlastnosti procesu: Celé železné jádro je vyrobeno ze tří identických jednoduchých rámů a tři sloupy jádra železného jádra jsou uspořádány v rovnostranném trojúhelníku. Každý jednotlivý rám je vyroben z řady pásů trapézového materiálu, které jsou postupně navíjeny. Průřez jednotlivého rámu po navinutí je blízký půlkruhu a průřez po rozdělení je velmi blízký kvazipolygonu celého kruhu. Pás lichoběžníkového materiálu různých velikostí jednoho rámu je navíjen speciálním strojem na řezání skládacích linek. Tento typ zpracování řezáním lze provádět bez zpracování materiálu, to znamená, že při řezání je míra využití materiálu 100%.

 

2) Laminované železné jádro

Laminované železné jádro: Skládá se z podélné střižné výrobní linky a příčné střižné výrobní linky a pás z křemíkové oceli je zpracován do určitého tvaru křemíkového ocelového plechu a poté je křemíkový ocelový plech stohován určitým způsobem.

Laminované jádro má tři nevýhody:

V magnetickém obvodu jsou vzduchové mezery tvořené mnoha spoji, což zvyšuje magnetický odpor magnetického obvodu, čímž se zvyšuje ztrátový a proud naprázdno.

Směr magnetického obvodu je v některých místech nekonzistentní se směrem vysoké magnetické permeability pásu křemíkové oceli.

Nedostatek těsnosti mezi plátky nejen snižuje koeficient laminace, ale co je důležitější, zvyšuje hluk.

Vliv procesu na ztrátu

Podélný smyk a příčný smyk způsobují zvýšenou ztrátu mechanického napětí

Směr magnetického obvodu v rohu je nekonzistentní se směrem magnetické vodivosti, což značně zvyšuje ztrátu

Klouby zvyšují ztrátu, zejména nárůst proudu naprázdno

Koeficient procesu je 1,15 ~ 1,3

 

3) Vliv struktury na magnetický obvod

V tradičním jádru zásobníku se vzduchovou mezerou je spojovací magnetický obvod mezi fází střídavého proudu zjevně o 1/2 delší než magnetický obvod fáze AB a fáze BC, takže magnetický obvod je nevyvážený a magnetický odpor střídavého proudu fáze je větší. Když je na transformátor přivedeno třífázové napětí, jádro vytváří třífázový vyvážený magnetický tok φA, φB a φC.

Při průchodu magnetického toku třífázové rovnováhy nesymetrickým magnetickým obvodem je úbytek magnetického napětí fází A a C velký, což ovlivňuje trojfázovou rovnováhu napětí. Tato nerovnováha v magnetickém obvodu je u planárních transformátorů nepřekonatelnou konstrukční vadou.

 

4) Ploché vinuté železné jádro

Ploché vinuté jádro: Ploché uspořádané železné jádro sestávající z jednoho nebo více jednotlivých rámů s vinutými jádry.

Charakteristiky procesu: Ploché vinuté jádro se nejprve navine na dva menší vnitřní rámy, po spojení dvou vnitřních rámů, které byly navinuty, a poté se navine větší vnější rám ve svém vnějším složení, tři sloupce jádra plochého vinutého jádra se uspořádají v letadle.

Defekty struktury plochého vinutého jádra

Stejně jako ploché vinuté jádro a laminované jádro jsou tři sloupce jádra uspořádány v rovině, takže délka magnetického obvodu tří sloupců jádra je nekonzistentní: délka magnetického obvodu středního sloupce je krátká, magnetický obvod délka dvou bočních sloupů je delší a průměrná délka magnetického obvodu je asi 20 %, což má za následek velký rozdíl ve ztrátě naprázdno u tří hlavních sloupců, ztráta naprázdno středního sloupce je nízká a ztráta naprázdno obou boční sloupy jsou velké, což má za následek třífázovou nerovnováhu.

 

 

2.2 Jednofázová a třífázová jádra

Jednofázové jádro má jedno dvousloupové laminované jádro. Existuje pět druhů jednofázového jednosloupcového čtyřsloupového jádra s bočním třmenem, jednofázového dvousloupového vrstveného jádra a jednofázového sálavého vrstveného jádra. Existují čtyři druhy třífázového jádra: třífázové kolonové vrstvené jádro, třífázové boční třmenové pětisloupové jádro, třífázové dvourámové vrstvené jádro a třífázové reaktorové vrstvené jádro.

Železné jádro se skládá ze dvou částí: sloupu železného jádra a železného jha. Sloupec jádra je pokryt vinutím a železné jho spojuje sloup jádra a tvoří uzavřený magnetický obvod. Schéma jádra transformátoru je znázorněno na obrázku 1, obrázek 1a je jednofázový transformátor, obrázek 1b je třífázový transformátor, strukturu jádra lze rozdělit na dvě části, C je část cívky, tzv. jádrový sloup. Y se používá k uzavření části magnetického obvodu, nazývané jho. Jednofázový transformátor má dva jádrové sloupy a třífázový transformátor má tři jádrové sloupy.

 

 

Protože magnetický tok v jádru transformátoru je střídavý magnetický tok, aby se snížily ztráty vířivými proudy, je jádro transformátoru obecně vyrobeno z plechů z křemíkové oceli s velkým odporem do určité velikosti železných třísek, plechy z křemíkové oceli složené z železné jádro se vyřeže do požadovaného tvaru a velikosti a poté se děrovací plech spojí překrývajícím způsobem. Obrázek 2a ukazuje železné jádro jednofázového transformátoru, přičemž každá vrstva se skládá ze 4 děrovacích kusů. Obrázek 2b ukazuje železné jádro třífázového transformátoru, každá vrstva je složena ze 6 kusů a kombinace každé dvou vrstev čipu používá různé uspořádání pro rozmístění spojů každé vrstvy magnetického obvodu. Tento způsob montáže se nazývá překrývající se montáž a tato montáž může zabránit toku vířivých proudů mezi ocelovým plechem a ocelovým plechem. A protože je každá vrstva děrování propletena, lze použít méně spojovacích prvků, aby se struktura při lisování železného jádra zjednodušila. Během montáže se děrovací desky nejprve naskládají na sebe, aby vytvořily celé železné jádro, a poté se upne spodní železný třmen, horní železná děrovací deska se odstraní, aby se obnažil sloup jádra, prefabrikované vinutí se umístí na sloup jádra a nakonec se vloží vytažená horní železná třmenová děrovací deska.

 

 

2.3 Skořápková a jádrová jádra

Část plátovaného vinutí v železném jádru se nazývá "sloupec jádra" a část neplátovaného vinutí, která hraje pouze roli magnetického obvodu, se nazývá "železné jho". Tam, kde železné jádro obklopuje vinutí, se nazývá plášťový typ; Tam, kde vinutí obklopuje sloupek jádra, se nazývá typ jádra. Typ pláště a typ jádra mají své vlastní charakteristiky, ale proces výroby transformátoru určený železným jádrem je velmi odlišný a je obtížné obrátit se na strukturu, jakmile je vybrána určitá struktura. Většina jádra transformátoru v naší zemi přijímá typ složeného jádra.

Podle uspořádání vinutí v železném jádru se transformátor dělí na typ jádra a typ pláště. Rozdíl je především v rozložení magnetického obvodu, jho jádra plášťového transformátoru obklopuje cívku, jádro transformátoru jádra je většinou v cívce, pouze část železného jha mimo cívku, která slouží k vytvoření magnetické obvod.

 

 

 

Když je transformátor v normálním provozu, bude železné jádro generovat teplo v důsledku existence ztráty železa a čím větší je hmotnost a objem železného jádra, tím více tepla se bude generovat. Teplota transformátorového oleje nad 95 stupňů se snadno stárne, takže teplota povrchu jádra by měla být řízena pokud možno pod touto teplotou, což vyžaduje, aby struktura odvádějící teplo jádra rychle odváděla teplo jádra. Struktura odvodu tepla má hlavně zvýšit povrch železného jádra pro odvod tepla. Odvod tepla železným jádrem zahrnuje hlavně odvod tepla olejového kanálu železného jádra a odvod tepla vzduchovým kanálem železného jádra.

 

U transformátorů ponořených do oleje s velkou kapacitou jsou mezi lamináty železného jádra často uspořádány olejové štěrbiny, aby se zvýšil účinek rozptylu tepla. Olejová nádrž je rozdělena na dva druhy, jedna je rovnoběžná s plechem z křemíkové oceli a druhá je svislá s ocelovým plechem, jak je znázorněno na obrázku 4. Druhé uspořádání má lepší účinek rozptylu tepla, ale struktura je složitější.

 

V suchém jádru transformátoru je chlazení vzduchem, aby se zajistilo, že teplota jádra nepřekročí přípustnou hodnotu, často instalované ve sloupu jádra a vzduchovém potrubí železného třmenu.

 

 

 

Transformátor bude během provozu produkovat hluk. Zdrojem hluku těla transformátoru je magnetostrikce křemíkového ocelového plechu železného jádra, nebo je hluk jádra transformátoru v podstatě způsoben magnetostrikcí. Takzvaná magnetostrikce se týká zvětšování velikosti plechu z křemíkové oceli ve směru magnetické indukční čáry při buzení železného jádra; Velikost plechu z křemíkové oceli se zmenšuje ve směru kolmém na čáru magnetické indukčnosti a tato změna velikosti se nazývá magnetostrikce. Kromě toho struktura a geometrická velikost železného jádra, proces zpracování a výroby železného jádra bude mít určitý vliv na jeho hladinu hluku.

 

Hlučnost železného jádra lze snížit následujícími technickými opatřeními: (1) Použití vysoce kvalitních plechů z křemíkové oceli s malou hodnotou magnetostrikčního poměru ε. (2) Snižte hustotu magnetického toku jádra. (3) Zlepšit strukturu železného jádra. (4) Vyberte přiměřenou velikost jádra. (5) Přijměte pokročilou technologii zpracování.

 

 

Při normálním provozu transformátoru je elektrické pole vytvořené mezi nabitým vinutím a přívodním drátem a palivovou nádrží nerovnoměrné elektrické pole a železné jádro a jeho kovové části jsou v elektrickém poli. Protože potenciál elektrostatické indukce je různý, není závěsný potenciál železného jádra a jeho kovových částí stejný, a když je potenciálový rozdíl mezi těmito dvěma body schopen narušit izolaci mezi nimi, vzniká jiskrový výboj. Tento výboj může rozbít olej transformátoru a poškodit pevnou izolaci. Aby se tomu zabránilo, musí být jádro i jeho kovové součásti spolehlivě uzemněny.

 

Jádro musí být mírně uzemněno. Když jsou železné jádro nebo jiné kovové součásti uzemněny ve dvou nebo více bodech, mezi uzemňovacími body se vytvoří uzavřená smyčka, která vytvoří cirkulaci, proud může být někdy až desítky ampérů, způsobí místní přehřátí, což vede k rozkladem oleje, může také dojít k rozpálení zemního pásu, spálení jádra, to není povoleno. Proto musí být jádro uzemněno a musí být trochu uzemněno.

 

 

Nástup nanokrystalických a amorfních železných jader poskytuje ideální materiály pro středně a vysokofrekvenční transformátory. S rozvojem průmyslu se pracovní frekvence napájecího zdroje zvýšila na 20 kHz a výstupní výkon přesáhl 30 kW. Tradiční materiály jádra, jako je plech z křemíkové oceli, mají velké ztráty a nemohou splnit nové požadavky na napájení.

 

Amorfní nanokrystalické jádro na bázi železa má vlastnosti vysoké saturační magnetické indukce, vysokou permeabilitu, nízké ztráty, dobrou teplotní stabilitu, ochranu životního prostředí atd., a má důležitou aplikační hodnotu ve vysokovýkonných vysokofrekvenčních transformátorech.

 

 

 

6.1 Nanokrystalické jádro

Nanokrystalické materiály se skládají hlavně ze železa, chrómu, mědi, křemíku, boru a dalších prvků a tyto specifické slitinové složky jsou vyrobeny do amorfního stavu technologií rychlého kalení a poté tepelně zpracovány za vzniku nanočástic.

Nanokrystalické jádro vykazuje vynikající magnetické vlastnosti a teplotní stabilitu a je zvláště vhodné pro náhradu feritu v transformátorech pod frekvenčním rozsahem 20 kHz až 50 kHz.

Nanokrystalický materiál má měrný odpor 90 μ Ω.cm (po tepelném zpracování) a díky své nanostrukturě kombinuje výhody křemíkové oceli, permalloy a feritu.

 

 

 

Tloušťka běžných železných nanokrystalických měkkých magnetických materiálů je asi 30μm. Díky své křehkosti a citlivosti na namáhání se magnetické vlastnosti výrazně sníží při působení vnějších sil během zpracování a používání. Nanokrystalové jádro je proto obvykle vyrobeno do tvaru prstence nebo podkovy a umístěno do ochranného obalu. Materiál ochranného pláště ovlivní výkon odvádění tepla nanokrystalického jádra.

Nové nanokrystalické jádro bylo aplikováno na transformátory, tloušťka nanokrystalického materiálu je pouze 24μm a jádro vytvrzené po tepelném zpracování má oproti tradičnímu jádru transformátoru významné výhody:

Nové nanokrystalické jádro je potaženo izolační fólií, která dosahuje požadované pevnosti pro vinutí a lze ji navinout přímo do transformátorů.

Vytvrzené nanokrystalické jádro odstraňuje ochranný obal, poskytuje více prostoru pro odvod tepla a zlepšuje provozní bezpečnost transformátoru.

Tato konstrukce snižuje vliv materiálu ochranného pláště na nanokrystalické jádro a šetří konstrukční návrh a dobu tvarování ochranného pláště.

Konstrukce nanokrystalického jádra může být flexibilnější a nabízí různé tvary, jako je prstencové, obdélníkové jádro a jádro ve tvaru C, což poskytuje více možností pro návrh transformátoru a následný proces vinutí.

 

6.2 Amorfní magnetické jádro

Amorfní materiál se vyrábí pomocí technologie ultra rychlého kalení s rychlostí ochlazování asi jeden milion stupňů za sekundu. Tato technologie ztuhne roztavenou ocel v jediném kalení do slitinového pásu o tloušťce 30 mikronů. Díky rychlé rychlosti ochlazování nemá kov čas na krystalizaci, což má za následek, že ve slitině nejsou žádná zrna nebo hranice zrn, což má za následek tvorbu tzv. amorfních slitin.

Amorfní kov má jedinečnou mikrostrukturu, která se liší od konvenčního kovu, a jeho složení a neuspořádaná struktura mu dávají mnoho jedinečných vlastností, jako je vynikající magnetismus, odolnost proti korozi, odolnost proti opotřebení, vysoká pevnost, tvrdost, houževnatost, vysoký měrný odpor, vysoký koeficient elektromechanické vazby. atd.

 

 

 

Hlavními složkami amorfního jádra na bázi železa jsou železo, křemík a bor, z nichž obsah křemíku je až 5,3 %, a unikátní struktura amorfního stavu, jeho měrný odpor je 130 μΩ.cm, což je dvojnásobek. plechu z křemíkové oceli (47 μΩ.cm).

Tloušťka amorfního materiálu na bázi železa použitého v amorfním jádru je asi 30 nm, což je mnohem tenčí než tloušťka plechu z křemíkové oceli, takže ztráta vířivých proudů je při vysokofrekvenčním provozu malá. Ve frekvenčním rozsahu 400Hz~10kHz je ztráta pouze 1/3~1/7 křemíkového ocelového plechu. Současně je propustnost amorfního železného jádra na bázi železa mnohem vyšší než propustnost tradičního železného jádra.

Díky těmto výhodám může amorfní jádro snížit hmotnost transformátoru o více než 50 % a zvýšení teploty o 50 %.

Po letech vývoje byla amorfní a nanokrystalická železná jádra široce používána ve vysokofrekvenčních transformátorech, proudových transformátorech, spínacích zdrojích, zařízeních pro elektromagnetickou kompatibilitu a dalších aplikacích.