O núcleo de ferro do transformador

 

O núcleo é a parte principal do circuito magnético do transformador. Geralmente é composto por chapas de aço silício laminadas a quente ou a frio com alto teor de silício e superfície revestida com tinta isolante. O núcleo de ferro e as bobinas ao seu redor constituem um sistema completo de indução eletromagnética. A quantidade de energia transmitida pelo transformador de potência depende do material e da área da seção transversal do núcleo de ferro.

 

 

2.1 Núcleo enrolado e núcleo laminado

2.1.1 núcleo de ferro enrolado

O núcleo enrolado é comumente usado em transformadores de pequeno e médio porte (abaixo de 1000kVA), transformadores, amplificadores magnéticos e transformadores de corrente de sequência zero de protetores de vazamento.

 

Os materiais usados ​​para o núcleo enrolado são chapas de aço silício ultrafinas laminadas a frio com alta permeabilidade e tira magnética macia, como permalloy. A espessura da chapa de aço silício é 0,18~0,30; A espessura da tira Permalloy é 0,03 ~ 0,10 mm. Tomando como exemplo transformadores de pequeno e médio porte, o uso de núcleo enrolado apresenta as seguintes vantagens:

1) Nas mesmas condições, a perda sem carga do núcleo enrolado é reduzida em 7% a 10% em comparação com o núcleo laminado; A corrente sem carga pode ser reduzida em 50% ~ 75%.

2) O núcleo enrolado pode ser feito de chapas de aço silício laminadas a frio muito finas e de alta permeabilidade, que podem produzir transformadores com menores perdas.

3) O núcleo enrolado tem boa processabilidade, sem desperdício de cisalhamento e a taxa de utilização é de quase 100%. Também pode adotar operação mecanizada, eliminando o processo de empilhamento, e a eficiência de produção é 5 a 10 vezes maior que a do núcleo laminado.

4) O núcleo enrolado em si é um todo, não precisa ser fixado com fixação de peças de suporte e não possui junta, portanto, nas mesmas condições do núcleo laminado, o ruído do transformador pode ser reduzido em 5 ~ 10dB.

5) O coeficiente de processo do transformador monofásico com núcleo enrolado é de cerca de 1,1; Trifásico abaixo de 1,15; Para núcleos de ferro laminados, o coeficiente de processo de pequena capacidade é de cerca de 1,45 e o coeficiente de processo de grande capacidade é de cerca de 1,15. Portanto, o núcleo enrolado é particularmente adequado para transformadores de pequeno e médio porte.

 

 

2.1.2 núcleos de ferro laminado

Definição

O núcleo de ferro laminado é um componente chave usado em transformadores de potência, indutores, transformadores e outros equipamentos de potência. É composto por múltiplas folhas, com alta permeabilidade e baixa perda de histerese, o que pode efetivamente melhorar a eficiência de trabalho e a estabilidade de desempenho do equipamento.

 

Estrutura do núcleo de ferro laminado

Um núcleo laminado consiste em múltiplas folhas, cada uma feita de um material altamente permeável, como o aço silício. Essas folhas são separadas por material isolante para formar uma estrutura única. Os núcleos de ferro laminado são geralmente de formato retangular ou circular para se adaptarem aos requisitos de diferentes equipamentos. No processo de fabricação do núcleo de ferro laminado, também é necessário considerar fatores como a espessura da chapa, a seleção dos materiais isolantes e o processo de processamento para garantir seu desempenho e confiabilidade. O núcleo de ferro constitui um circuito magnético fechado no transformador, sendo também o esqueleto da bobina de instalação, que é uma parte muito importante para o desempenho eletromagnético e resistência mecânica do transformador. O núcleo de ferro é a parte do circuito magnético do transformador, que é composto por uma coluna de núcleo de ferro (enrolamento colocado na coluna) e uma culatra de ferro (conectando o núcleo de ferro para formar um circuito magnético fechado). A fim de reduzir a corrente parasita e a perda de histerese e melhorar a condutividade magnética do circuito magnético, o núcleo de ferro é feito de chapa de aço silício de {{0}},35 mm ~ 0,5 mm de espessura revestida com tinta isolante. A pequena seção do núcleo do transformador é retangular ou quadrada, e a grande seção do núcleo do transformador é escalonada, o que permite aproveitar ao máximo o espaço.

 

Recursos principais laminados

Como o núcleo e o enrolamento do transformador de núcleo laminado são fabricados separadamente, o núcleo é empilhado primeiro e, em seguida, a forquilha superior é removida e, em seguida, o isolamento do núcleo e a bobina são montados, e a bobina e o poste do núcleo são suportados com um suporte, e por fim é inserido o jugo de ferro para completar a montagem do corpo.

 

A estrutura do transformador de núcleo laminado possui as seguintes características:

1. A direção de fixação do núcleo é a direção da espessura da folha do núcleo, que pode fixar bem o núcleo;

2. Para a bobina cilíndrica de camada dupla, a camada interna da bobina não possui esqueleto de bobina;

3. Como o garfo de ferro superior é removido durante a instalação, a coluna central e a bobina podem ser facilmente apertadas com um suporte;

4. A bobina é enrolada separadamente e a bobina pode ser mergulhada separadamente após o enrolamento.

 

 

2.1.3 Comparação de núcleo enrolado triangular tridimensional, núcleo laminado e núcleo enrolado plano

1) Núcleo de ferro enrolado triangular tridimensional

Núcleo enrolado tridimensional: Um arranjo tridimensional triangular de um núcleo de ferro composto por três núcleos enrolados de estrutura única do mesmo tamanho geométrico.

Transformador de núcleo enrolado tridimensional: transformador de distribuição com núcleo enrolado tridimensional como circuito magnético.

Características do processo: Todo o núcleo de ferro é feito de três estruturas únicas idênticas, e as três colunas do núcleo de ferro são dispostas em um triângulo equilátero. Cada estrutura única é feita de uma série de correias de material trapezoidal enroladas sucessivamente. A seção transversal do quadro único após o enrolamento é quase semicircular, e a seção transversal após a divisão é muito próxima de todo o quase-polígono do círculo. A correia de material trapezoidal de diferentes tamanhos da estrutura única é enrolada pela máquina especial de corte de linha dobrável. Este tipo de processamento de corte pode ser feito sem processamento de material, ou seja, no corte o índice de aproveitamento do material é de 100%.

 

2) Núcleo de ferro laminado

Núcleo de ferro laminado: É composto por uma linha de produção de cisalhamento longitudinal e uma linha de produção de cisalhamento transversal, e a tira de aço silício é processada em um determinado formato de chapa de aço silício e, em seguida, a chapa de aço silício é empilhada de uma determinada maneira.

O núcleo laminado tem três desvantagens:

Existem entreferros formados por muitas juntas no circuito magnético, o que aumenta a resistência magnética do circuito magnético, aumentando assim a perda e a corrente sem carga.

A direção do circuito magnético em alguns lugares é inconsistente com a direção da alta permeabilidade magnética da tira de aço silício.

A falta de aperto entre as fatias não só reduz o coeficiente de laminação, mas, mais importante ainda, aumenta o ruído.

Efeito do processo na perda

O cisalhamento longitudinal e o cisalhamento transversal produzem maior perda de tensão mecânica

A direção do circuito magnético no canto é inconsistente com a direção da condutividade magnética, o que aumenta muito a perda

As juntas aumentam a perda, especialmente o aumento da corrente sem carga

O coeficiente do processo é 1,15 ~ 1,3

 

3) A influência da estrutura no circuito magnético

No núcleo de pilha tradicional com entreferro, o circuito magnético de acoplamento entre a fase CA é obviamente 1/2 mais longo do que o circuito magnético da fase AB e da fase BC, de modo que o circuito magnético está desequilibrado e a resistência magnética da CA fase é maior. Quando uma tensão trifásica é aplicada ao transformador, o núcleo produz um fluxo magnético trifásico balanceado φA, φB e φC.

Quando o fluxo magnético do equilíbrio trifásico passa pelo circuito magnético desequilibrado, a queda de tensão magnética das fases A e C é grande, o que afeta o equilíbrio de tensão trifásico. Este desequilíbrio no circuito magnético é um defeito estrutural intransponível para transformadores planares.

 

4) Núcleo de ferro enrolado plano

Núcleo enrolado plano: Um núcleo de ferro plano que consiste em uma ou mais estruturas únicas com núcleos enrolados.

Características do processo: O núcleo enrolado plano é primeiro enrolado em duas estruturas internas menores, após a combinação de duas estruturas internas que foram enroladas e, em seguida, enrolado em uma estrutura externa maior em sua composição externa, as três colunas do núcleo do núcleo enrolado plano são dispostas em um avião.

Defeitos na estrutura do núcleo enrolado plano

Da mesma forma que o núcleo enrolado plano e o núcleo laminado, as três colunas do núcleo são dispostas em um plano, de modo que o comprimento do circuito magnético das três colunas do núcleo é inconsistente: o comprimento do circuito magnético da coluna do meio é curto, o circuito magnético o comprimento das duas colunas laterais é maior e o comprimento médio do circuito magnético é de cerca de 20%, resultando em uma grande diferença na perda sem carga das três colunas centrais, a perda sem carga da coluna do meio é baixa, e a perda sem carga das duas colunas laterais é grande, resultando num desequilíbrio trifásico.

 

 

2.2 Núcleos monofásicos e trifásicos

O núcleo monofásico possui um único núcleo laminado de duas colunas. Existem cinco tipos de núcleo monofásico de quatro colunas tipo garfo lateral de coluna única, núcleo laminado monofásico tipo coluna dupla e núcleo laminado monofásico tipo radiante. Existem quatro tipos de núcleo trifásico: núcleo laminado de coluna trifásica, núcleo trifásico de cinco colunas com jugo lateral, núcleo laminado trifásico de estrutura dupla e núcleo laminado de reator trifásico.

O núcleo de ferro consiste em duas partes: uma coluna de núcleo de ferro e uma canga de ferro. A coluna central é coberta por enrolamento e o jugo de ferro conecta a coluna central para formar um circuito magnético fechado. O plano central do transformador é mostrado na Figura 1, a Figura 1a é um transformador monofásico, a Figura 1b é um transformador trifásico, a estrutura do núcleo pode ser dividida em duas partes, C é a parte da bobina, chamada de coluna central. Y é usado para fechar a parte do circuito magnético, chamada de jugo. O transformador monofásico possui duas colunas centrais e o transformador trifásico possui três colunas centrais.

 

 

Como o fluxo magnético no núcleo do transformador é um fluxo magnético alternado, a fim de reduzir a perda de corrente parasita, o núcleo do transformador é geralmente feito de chapas de aço silício com grande resistividade em um determinado tamanho de chip de ferro, as chapas de aço silício compostas de o núcleo de ferro é cortado no formato e tamanho necessários e, em seguida, a folha perfurada é combinada de forma sobreposta. A Figura 2a mostra o núcleo de ferro de um transformador monofásico, cada camada composta por 4 peças perfuradas. A Figura 2b mostra o núcleo de ferro do transformador trifásico, cada camada é composta por 6 peças, e a combinação de cada duas camadas do chip aplica um arranjo diferente para escalonar as juntas de cada camada do circuito magnético. Este método de montagem é chamado de montagem sobreposta e pode evitar o fluxo de correntes parasitas entre a chapa de aço e a chapa de aço. E como cada camada de punção é entrelaçada, menos fixadores podem ser usados ​​para simplificar a estrutura ao pressionar o núcleo de ferro. Durante a montagem, as placas de perfuração são primeiro empilhadas para formar um núcleo de ferro inteiro e, em seguida, a forquilha de ferro inferior é fixada, a placa de punção da forquilha de ferro superior é removida para expor a coluna central, o enrolamento pré-fabricado é colocado na coluna central e finalmente, a placa de perfuração da forquilha de ferro superior extraída é inserida.

 

 

2.3 Shell e núcleos

A parte do enrolamento revestido no núcleo de ferro é chamada de "coluna central", e a parte do enrolamento não revestido que desempenha apenas o papel do circuito magnético é chamada de "jugo de ferro". Onde o núcleo de ferro envolve o enrolamento, é chamado de tipo casca; Onde o enrolamento envolve a coluna central é chamado de tipo de núcleo. O tipo de casca e o tipo de núcleo possuem características próprias, mas o processo de fabricação do transformador determinado pelo núcleo de ferro é muito diferente, e é difícil recorrer a uma estrutura depois que uma determinada estrutura é selecionada. A maior parte do núcleo do transformador em nosso país adota o tipo de núcleo empilhado.

De acordo com a disposição do enrolamento no núcleo de ferro, o transformador é dividido em tipo de núcleo e tipo de casco. A diferença está principalmente na distribuição do circuito magnético, a culatra do núcleo do transformador envolve a bobina, o núcleo do transformador está principalmente na bobina, apenas parte da culatra de ferro fora da bobina, que é usada para formar o magnético circuito.

 

 

 

Quando o transformador estiver em operação normal, o núcleo de ferro gerará calor devido à existência de perdas de ferro, e quanto maior o peso e o volume do núcleo de ferro, mais calor será gerado. A temperatura do óleo do transformador acima de 95 graus é fácil de envelhecer, portanto, a temperatura da superfície do núcleo deve ser controlada abaixo dessa temperatura, tanto quanto possível, o que requer que a estrutura de dissipação de calor do núcleo dissipe rapidamente o calor do núcleo. A estrutura de dissipação de calor visa principalmente aumentar a superfície de dissipação de calor do núcleo de ferro. A dissipação de calor do núcleo de ferro inclui principalmente a dissipação de calor do canal de óleo do núcleo de ferro e a dissipação de calor das vias aéreas do núcleo de ferro.

 

Em transformadores imersos em óleo com grande capacidade, as ranhuras de óleo são frequentemente dispostas entre os laminados do núcleo de ferro para aumentar o efeito de dissipação de calor. O tanque de óleo é dividido em dois tipos, um paralelo à chapa de aço silício e outro vertical à chapa de aço, conforme mostrado na Figura 4. Este último arranjo tem melhor efeito de dissipação de calor, mas a estrutura é mais complexa.

 

No núcleo do transformador seco há resfriamento a ar, a fim de garantir que a temperatura do núcleo não exceda o valor permitido, muitas vezes instalado na coluna do núcleo e no duto de ar da forquilha de ferro.

 

 

 

O transformador produzirá ruído durante a operação. A fonte do ruído do corpo do transformador é a magnetostrição da chapa de aço silício do núcleo de ferro, ou o ruído do núcleo do transformador é basicamente causado pela magnetostrição. A chamada magnetostrição refere-se ao aumento do tamanho da chapa de aço silício ao longo da direção da linha de indução magnética quando o núcleo de ferro é excitado; O tamanho da chapa de aço silício diminui na direção perpendicular à linha de indutância magnética, e essa mudança de tamanho é chamada de magnetostrição. Além disso, a estrutura e o tamanho geométrico do núcleo de ferro, o processo de processamento e fabricação do núcleo de ferro terão um certo grau de impacto no seu nível de ruído.

 

O nível de ruído do núcleo de ferro pode ser reduzido pelas seguintes medidas técnicas: (1) O uso de chapas de aço silício de alta qualidade com pequeno valor de relação magnetostritiva ε. (2) Reduza a densidade do fluxo magnético do núcleo. (3) Melhorar a estrutura do núcleo de ferro. (4) Selecione um tamanho de núcleo razoável. (5) Adote tecnologia de processamento avançada.

 

 

Na operação normal do transformador, o campo elétrico formado entre o enrolamento carregado e o fio condutor e o tanque de combustível é um campo elétrico irregular, e o núcleo de ferro e suas partes metálicas estão no campo elétrico. Como o potencial de indução eletrostática é diferente, o potencial de suspensão do núcleo de ferro e suas partes metálicas não é o mesmo, e quando a diferença de potencial entre os dois pontos é capaz de quebrar o isolamento entre eles, é gerada uma descarga de faísca. Esta descarga pode quebrar o óleo do transformador e danificar o isolamento sólido. Para evitar isso, tanto o núcleo quanto seus componentes metálicos devem ser aterrados de forma confiável.

 

O núcleo deve estar ligeiramente aterrado. Quando o núcleo de ferro ou outros componentes metálicos são aterrados em dois ou mais pontos, um circuito fechado será formado entre os pontos de aterramento, formando uma circulação, a corrente às vezes pode ser tão alta quanto dezenas de amperes, causará superaquecimento local, levando a decomposição do óleo, também pode fazer com que a faixa de aterramento se funda, queime o núcleo, isso não é permitido. Portanto, o núcleo deve estar aterrado, e deve estar um pouco aterrado.

 

 

O advento de núcleos de ferro nanocristalinos e amorfos fornece materiais ideais para transformadores de média e alta frequência. Com o desenvolvimento da indústria, a frequência operacional da fonte de alimentação foi aumentada para 20kHz e a potência de saída excedeu 30kW. Os materiais de núcleo tradicionais, como chapas de aço silício, apresentam grandes perdas e não atendem aos novos requisitos de fornecimento de energia.

 

O núcleo nanocristalino amorfo e à base de ferro possui características de indução magnética de alta saturação, alta permeabilidade, baixa perda, boa estabilidade de temperatura, proteção ambiental, etc., e possui importante valor de aplicação em transformadores de alta potência e alta frequência.

 

 

 

6.1 Núcleo nanocristalino

Os materiais nanocristalinos são compostos principalmente de ferro, cromo, cobre, silício, boro e outros elementos, e esses componentes específicos da liga são transformados em estados amorfos por tecnologia de têmpera rápida e depois tratados termicamente para formar grãos em nanoescala.

O núcleo nanocristalino apresenta excelentes propriedades magnéticas e estabilidade de temperatura, sendo particularmente adequado para substituir a ferrita em transformadores abaixo da faixa de frequência de 20kHz a 50kHz.

O material nanocristalino possui resistividade de 90 μ Ω.cm (após tratamento térmico) e, graças à sua nanoestrutura, combina as vantagens do aço silício, permalói e ferrita.

 

 

 

A espessura dos materiais magnéticos macios nanocristalinos de ferro comum é de cerca de 30 μm. Devido à sua fragilidade e sensibilidade ao estresse, as propriedades magnéticas serão significativamente reduzidas quando submetidas a forças externas durante o processamento e uso. Portanto, o núcleo do nanocristal é geralmente feito em forma de anel ou ferradura e colocado em uma concha protetora. O material do invólucro protetor afetará o desempenho de dissipação de calor do núcleo nanocristalino.

O novo núcleo nanocristalino foi aplicado em transformadores, a espessura do material nanocristalino é de apenas 24μm, e o núcleo curado após tratamento térmico tem vantagens significativas sobre o núcleo do transformador tradicional:

O novo núcleo nanocristalino é revestido com uma película isolante, que atinge a resistência necessária para o enrolamento e pode ser enrolado diretamente nos transformadores.

O núcleo nanocristalino curado elimina o invólucro protetor, proporcionando mais espaço para dissipação de calor e melhorando a segurança operacional do transformador.

Este projeto reduz a influência do material do invólucro protetor no núcleo nanocristalino e economiza o projeto estrutural e o tempo de formação do invólucro protetor.

O design do núcleo nanocristalino pode ser mais flexível, oferecendo uma variedade de formatos, como anel, núcleo retangular e em forma de C, fornecendo mais opções para o design do transformador e subsequente processo de enrolamento.

 

6.2 Núcleo magnético amorfo

O material amorfo é produzido usando tecnologia de têmpera ultrarrápida com uma taxa de resfriamento de cerca de um milhão de graus por segundo. Esta tecnologia solidifica o aço fundido em uma única têmpera em uma tira de liga com espessura de 30 mícrons. Devido à rápida taxa de resfriamento, o metal não tem tempo para cristalizar, resultando na ausência de grãos ou limites de grãos na liga, resultando na formação das chamadas ligas amorfas.

O metal amorfo possui uma microestrutura única que é diferente do metal convencional, e sua composição e estrutura desordenada conferem-lhe muitas propriedades únicas, como excelente magnetismo, resistência à corrosão, resistência ao desgaste, alta resistência, dureza, tenacidade, alta resistividade, alto coeficiente de acoplamento eletromecânico , etc.

 

 

 

Os principais componentes do núcleo amorfo à base de ferro são ferro, silício e boro, cujo teor de silício chega a 5,3%, e a estrutura única do estado amorfo, sua resistividade é de 130 μΩ.cm, que é o dobro disso. da chapa de aço silício (47 μΩ.cm).

A espessura do material amorfo à base de ferro usado no núcleo amorfo é de cerca de 30 nm, que é muito mais fino que a espessura da chapa de aço silício, de modo que a perda de corrente parasita é pequena na operação de alta frequência. Na faixa de frequência de 400 Hz ~ 10 kHz, a perda é de apenas 1/3 ~ 1/7 da chapa de aço silício. Ao mesmo tempo, a permeabilidade do núcleo de ferro amorfo à base de ferro é muito maior do que a do núcleo de ferro tradicional.

Devido a estas vantagens, o núcleo amorfo pode reduzir o peso do transformador em mais de 50% e o aumento da temperatura em 50%.

Após anos de desenvolvimento, núcleos de ferro amorfo e nanocristalino têm sido amplamente utilizados em transformadores de alta frequência, transformadores de corrente, fontes de alimentação chaveadas, equipamentos de compatibilidade eletromagnética e outras aplicações.