Jernkjernen til transformatoren

 

Kjernen er hoveddelen av den magnetiske kretsen i transformatoren. Den er vanligvis sammensatt av varmvalsede eller kaldvalsede silisiumstålplater med høyt silisiuminnhold og en overflate belagt med isolerende maling. Jernkjernen og spolene rundt den utgjør et komplett elektromagnetisk induksjonssystem. Mengden kraft som overføres av krafttransformatoren avhenger av materialet og tverrsnittsarealet til jernkjernen.

 

 

2.1 Sårkjerne og laminert kjerne

2.1.1 viklet jernkjerne

Sårkjerne brukes ofte i små og mellomstore transformatorer (under 1000kVA), transformatorer, magnetiske forsterkere og nullsekvensstrømtransformatorer til lekkasjebeskyttere.

 

Materialene som brukes til sårkjerne er ultratynne kaldvalset silisiumstålplate med høy permeabilitet og myk magnetstripe som permalloy. Tykkelsen på silisiumstålplaten er 0.18~0.30; Tykkelsen på Permalloy-stripen er 0,03~0,10 mm. Med små og mellomstore transformatorer som eksempel, har bruken av viklet kjerne følgende fordeler:

1) Under de samme forholdene reduseres ubelastetapet av sårkjernen med 7 % til 10 % sammenlignet med den laminerte kjernen; Strøm uten belastning kan reduseres med 50% ~ 75%.

2) Den viklede kjernen kan være laget av svært tynne høypermeabilitet kaldvalsede silisiumstålplater, som kan produsere transformatorer med lavere tap.

3) Sårkjernen har god bearbeidbarhet, ingen skjæravfall, og utnyttelsesgraden er nesten 100 %. Den kan også ta i bruk mekanisert drift, eliminere stablingsprosessen, og produksjonseffektiviteten er 5 til 10 ganger høyere enn for den laminerte kjernen.

4) Selve den viklede kjernen er en helhet, trenger ikke å festes ved å klemme støttedeler og har ikke en skjøt, så under samme forhold som den laminerte kjernen kan transformatorstøyen reduseres med 5~10dB.

5) Prosesskoeffisienten til den viklede enfasetransformatoren er omtrent 1,1; Trefase under 1,15; For laminerte jernkjerner er prosesskoeffisienten for liten kapasitet omtrent 1,45, og prosesskoeffisienten for stor kapasitet er omtrent 1,15. Derfor er den viklede kjernen spesielt egnet for små og mellomstore transformatorer.

 

 

2.1.2 laminerte jernkjerner

Definisjon

Laminert jernkjerne er en nøkkelkomponent som brukes i krafttransformatorer, induktorer, transformatorer og annet kraftutstyr. Den er sammensatt av flere ark, med høy permeabilitet og lavt hysteresetap, som effektivt kan forbedre arbeidseffektiviteten og ytelsesstabiliteten til utstyret.

 

Struktur av laminert jernkjerne

En laminert kjerne består av flere ark, hver laget av et svært permeabelt materiale, for eksempel silisiumstål. Disse arkene er atskilt med isolasjonsmateriale for å danne en enkelt struktur. Laminerte jernkjerner er vanligvis rektangulære eller sirkulære i form for å tilpasse seg kravene til forskjellig utstyr. I produksjonsprosessen av laminert jernkjerne er det også nødvendig å vurdere faktorer som tykkelsen på arket, valg av isolasjonsmaterialer og prosesseringsprosessen for å sikre ytelsen og påliteligheten. Jernkjernen utgjør en lukket magnetisk krets i transformatoren, og den er også skjelettet til installasjonsspolen, som er en svært viktig del for transformatorens elektromagnetiske ytelse og mekaniske styrke. Jernkjernen er den magnetiske kretsdelen av transformatoren, som er sammensatt av en jernkjernesøyle (viklingssett på søylen) og et jernåk (forbinder jernkjernen for å danne en lukket magnetisk krets). For å redusere virvelstrøm og hysterese tap og forbedre den magnetiske ledningsevnen til den magnetiske kretsen, er jernkjernen laget av {{0}}.35 mm ~ 0.5 mm tykk silisium stålplate belagt med isolerende maling. Den lille transformatorkjerneseksjonen er rektangulær eller kvadratisk, og den store transformatorkjerneseksjonen er avtrappet, som skal utnytte plassen fullt ut.

 

Laminerte kjernefunksjoner

Siden kjernen og viklingen til den laminerte kjernetransformatoren er produsert separat, stables kjernen først, og deretter fjernes det øvre åket, og deretter er kjerneisolasjonen og spolen montert, og spolen og kjernestolpen støttes med en avstiver, og til slutt settes jernåket inn for å fullføre monteringen av kroppen.

 

Strukturen til den laminerte kjernetransformatoren har følgende egenskaper:

1. Klemretningen til kjernen er tykkelsesretningen til kjerneplaten, som kan klemme kjernen godt;

2. For den dobbeltlags sylindriske spolen har det indre laget av spolen ikke noe spoleskjelett;

3. Fordi det øvre jernåket fjernes under installasjonen, kan kjernesøylen og spolen lett strammes med et stag;

4. Spolen vikles separat, og spiralen kan dyppes separat etter vikling.

 

 

2.1.3 Sammenligning av tredimensjonal trekantet sårkjerne, laminert kjerne og flat sårkjerne

1) Tredimensjonal trekantet viklet jernkjerne

Tredimensjonal sårkjerne: Et trekantet tredimensjonalt arrangement av en jernkjerne sammensatt av tre enkeltrammeviklede kjerner av samme geometriske størrelse.

Tredimensjonal viklet kjernetransformator: distribusjonstransformator med tredimensjonal viklet kjerne som magnetisk krets.

Prosessegenskaper: Hele jernkjernen er laget av tre identiske enkeltrammer, og de tre kjernesøylene i jernkjernen er arrangert i en likesidet trekant. Hver enkelt ramme er laget av et antall trapesformede materialbelter som er viklet etter hverandre. Tverrsnittet av enkeltrammen etter vikling er nær halvsirkulært, og tverrsnittet etter splitting er veldig nær hele sirkelen kvasi-polygon. Det trapesformede materialbeltet av forskjellige størrelser av enkeltrammen vikles av den spesielle foldelinjeskjæremaskinen. Denne typen skjærebehandling kan gjøres uten materialbehandling, det vil si at ved skjæring er materialutnyttelsesgraden 100%.

 

2) Laminert jernkjerne

Laminert jernkjerne: Den består av langsgående skjærproduksjonslinje og tverrgående skjærproduksjonslinje, og silisiumstålstripen behandles til en viss form av silisiumstålplate, og deretter stables silisiumstålplaten på en bestemt måte.

Laminert kjerne har tre ulemper:

Det er luftgap dannet av mange ledd i den magnetiske kretsen, noe som øker den magnetiske motstanden til den magnetiske kretsen, og dermed øker tapet og tomgangsstrømmen.

Retningen til den magnetiske kretsen er noen steder inkonsistent med retningen til den høye magnetiske permeabiliteten til silisiumstålstripen.

Mangelen på tetthet mellom skivene reduserer ikke bare lamineringskoeffisienten, men enda viktigere, øker støyen.

Effekt av prosess på tap

Langsgående skjær og tverrskjær gir økt mekanisk spenningstap

Retningen til den magnetiske kretsen i hjørnet er inkonsistent med retningen til den magnetiske ledningsevnen, noe som øker tapet betydelig.

Skjøter øker tapet, spesielt økningen i tomgangsstrøm

Prosesskoeffisienten er 1,15 ~ 1,3

 

3) Strukturens påvirkning på magnetkretsen

I den tradisjonelle stabelkjernen med luftgap er den magnetiske koblingskretsen mellom AC-fasen åpenbart 1/2 lengre enn den magnetiske kretsen til AB-fasen og BC-fasen, så den magnetiske kretsen er ubalansert, og den magnetiske motstanden til AC-en fase er større. Når en trefasespenning påføres transformatoren, produserer kjernen en trefasebalansert magnetisk fluks φA, φB og φC.

Når den magnetiske fluksen til trefasebalansen passerer gjennom den ubalanserte magnetiske kretsen, er det magnetiske spenningsfallet til A- og C-fasene stort, noe som påvirker den trefasede spenningsbalansen. Denne ubalansen i den magnetiske kretsen er en uoverkommelig strukturell defekt for plane transformatorer.

 

4) Flat viklet jernkjerne

Flat viklet kjerne: En flat anordnet jernkjerne bestående av en eller flere enkeltrammer med viklede kjerner.

Prosessegenskaper: Den flate sårkjernen vikles først to mindre indre rammer, etter kombinasjonen av to indre rammer som er viklet, og deretter viklet en større ytre ramme i dens ytre sammensetning, er de tre kjernesøylene til den flate sårkjernen arrangert i et fly.

Flate sårkjernestrukturdefekter

Det samme som den flate viklede kjernen og den laminerte kjernen, er de tre kjernesøylene arrangert i et plan, slik at den magnetiske kretslengden til de tre kjernesøylene er inkonsekvent: den magnetiske kretslengden til den midterste kolonnen er kort, den magnetiske kretsen lengden på de to sidesøylene er lengre, og den gjennomsnittlige magnetiske kretslengden er omtrent 20 %, noe som resulterer i en stor forskjell i tomgangstapet til de tre kjernesøylene, tomgangstapet av midtsøylen er lav, og tomgangstapet til de to sidesøylene er stort, noe som resulterer i en trefase ubalanse.

 

 

2.2 Enfase- og trefasekjerner

Enfasekjerne har en enkelt tosøylet laminert kjerne. Det er fem typer enfase en-kolonne side-åk type fire-kolonne kjerne, en-fase dobbel kolonne type laminert kjerne og en-fase strålende type laminert kjerne. Det er fire typer trefasekjerne: trefaset kolonnelaminert kjerne, trefaset sideåk femkolonnekjerne, trefaset dobbeltrammelaminert kjerne og trefaset reaktorlaminert kjerne.

Jernkjernen består av to deler: en jernkjernesøyle og et jernåk. Kjernesøylen er dekket med vikling, og jernåket forbinder kjernesøylen for å danne en lukket magnetisk krets. Kjerneplanen til transformatoren er vist i figur 1, figur 1a er en enfasetransformator, figur 1b er en trefasetransformator, kjernestrukturen kan deles i to deler, C er delen av spolen, kalt kjernekolonne. Y brukes til å lukke den delen av magnetkretsen, kalt åket. Enfasetransformatoren har to kjernekolonner, og trefasetransformatoren har tre kjernekolonner.

 

 

Fordi den magnetiske fluksen i transformatorkjernen er en vekslende magnetisk fluks, for å redusere virvelstrømtapet, er transformatorkjernen vanligvis laget av silisiumstålplater med stor resistivitet til en viss størrelse jernbrikker, silisiumstålplatene består av jernkjernen kuttes i ønsket form og størrelse, og deretter kombineres stansearket på den overlappende måten. Figur 2a viser jernkjernen til en enfaset transformator, hvert lag består av 4 stansestykker. Figur 2b viser jernkjernen til den trefasede transformatoren, hvert lag er sammensatt av 6 deler, og kombinasjonen av hvert av de to lagene av brikken påfører et annet arrangement for å forskyve skjøtene til hvert lag i den magnetiske kretsen. Denne monteringsmetoden kalles overlappende montering, og denne sammenstillingen kan unngå virvelstrøm mellom stålplaten og stålplaten. Og fordi hvert lag med stansing er sammenvevd, kan færre festemidler brukes for å gjøre strukturen enkel når du presser jernkjernen. Under monteringen stables stanseplatene først for å danne en hel jernkjerne, og deretter klemmes det nedre jernåket, den øvre jernåkstanseplaten fjernes for å avdekke kjernesøylen, den prefabrikkerte viklingen plasseres på kjernesøylen, og til slutt settes den uttrukket øvre stanseplaten av jernåk inn.

 

 

2.3 Skall- og kjernekjerner

Den delen av den kledde viklingen i jernkjernen kalles "kjernesøylen", og den delen av den ikke-kledde viklingen som kun spiller rollen som magnetkretsen kalles "jernåk". Der jernkjernen omgir viklingen, kalles det skalltype; Der viklingen omgir kjernesøylen kalles kjernetypen. Skalltype og kjernetype har sine egne egenskaper, men transformatorproduksjonsprosessen bestemt av jernkjernen er veldig forskjellig, og det er vanskelig å vende seg til en struktur når en bestemt struktur er valgt. Det meste av transformatorkjernen i vårt land bruker stablet kjernetype.

I henhold til arrangementet av viklingen i jernkjernen er transformatoren delt inn i kjernetype og skalltype. Forskjellen er hovedsakelig i fordelingen av den magnetiske kretsen, åket til skalltransformatorkjernen omgir spolen, kjernetransformatorkjernen er for det meste i spolen, bare en del av jernåket utenfor spolen, som brukes til å danne den magnetiske krets.

 

 

 

Når transformatoren er i normal drift, vil jernkjernen generere varme på grunn av eksistensen av jerntap, og jo større vekt og volum av jernkjernen, desto mer varme vil det genereres. Transformatoroljetemperatur over 95 grader er lett å eldes, så temperaturen på kjerneoverflaten bør kontrolleres under denne temperaturen så langt som mulig, noe som krever at varmeavledningsstrukturen til kjernen raskt sprer varmen fra kjernen. Varmespredningsstrukturen er hovedsakelig for å øke varmeavledningsoverflaten til jernkjernen. Varmespredningen av jernkjernen inkluderer hovedsakelig varmespredningen av jernkjerneoljekanalen og varmespredningen av jernkjernens luftvei.

 

I oljenedsenkede transformatorer med stor kapasitet er det ofte anordnet oljespalter mellom jernkjernens laminater for å forsterke varmeavledningseffekten. Oljetanken er delt inn i to typer, den ene er parallell med silisiumstålplaten, og den andre er vertikal til stålplaten, som vist i figur 4. Sistnevnte arrangement har bedre varmeavledningseffekt, men strukturen er mer kompleks.

 

I den tørre transformatorkjernen er luftkjøling, for å sikre at kjernetemperaturen ikke overstiger den tillatte verdien, ofte installert i kjernekolonnen og jernåkluftkanalen.

 

 

 

Transformatoren vil produsere støy under drift. Kilden til transformatorkroppsstøyen er magnetostriksjonen til silisiumstålplaten til jernkjernen, eller støyen fra transformatorkjernen er i utgangspunktet forårsaket av magnetostriksjon. Den såkalte magnetostriksjonen refererer til økningen av størrelsen på silisiumstålplaten langs retningen av den magnetiske induksjonslinjen når jernkjernen er eksitert; Størrelsen på silisiumstålplaten avtar i retningen vinkelrett på den magnetiske induktanslinjen, og denne størrelsesendringen kalles magnetostriksjon. I tillegg vil strukturen og den geometriske størrelsen til jernkjernen, prosessen med jernkjernebearbeiding og produksjon ha en viss grad av innvirkning på støynivået.

 

Støynivået til jernkjernen kan reduseres ved følgende tekniske tiltak:(1) Bruk av høykvalitets silisiumstålplater med lite magnetostriktivt forhold ε-verdi. (2) Reduser den magnetiske flukstettheten til kjernen. (3) Forbedre strukturen til jernkjernen. (4) Velg en rimelig kjernestørrelse. (5) Vedta avansert prosesseringsteknologi.

 

 

Ved normal drift av transformatoren er det elektriske feltet som dannes mellom den ladede viklingen og ledningsledningen og drivstofftanken et ujevnt elektrisk felt, og jernkjernen og dens metalldeler er i det elektriske feltet. Fordi potensialet for elektrostatisk induksjon er forskjellig, er suspensjonspotensialet til jernkjernen og dens metalldeler ikke det samme, og når potensialforskjellen mellom de to punktene er i stand til å bryte ned isolasjonen mellom dem, genereres gnistutladning. Denne utladningen kan bryte ned oljen til transformatoren og skade den solide isolasjonen. For å unngå dette må både kjernen og metallkomponentene være pålitelig jordet.

 

Kjernen må være lett jordet. Når jernkjernen eller andre metallkomponenter er jordet på to eller flere punkter, vil det dannes en lukket sløyfe mellom jordingspunktene som danner en sirkulasjon, strømmen kan noen ganger være så høy som titalls ampere, vil forårsake lokal overoppheting, som fører til oljedekomponering, kan også få jordstripen til å smelte sammen, brenne kjernen, disse er ikke tillatt. Derfor må kjernen jordes, og den må være litt jordet.

 

 

Fremkomsten av nanokrystallinske og amorfe jernkjerner gir ideelle materialer for mellom- og høyfrekvente transformatorer. Med utviklingen av industrien er driftsfrekvensen til strømforsyningen økt til 20kHz, og utgangseffekten har oversteget 30kW. Tradisjonelle kjernematerialer som silisiumstål har et stort tap og kan ikke oppfylle de nye kravene til strømforsyning.

 

Den amorfe og jernbaserte nanokrystallinske kjernen har egenskapene til magnetisk induksjon med høy metning, høy permeabilitet, lavt tap, god temperaturstabilitet, miljøvern, etc., og har viktig bruksverdi i høyfrekvente transformatorer med høy effekt.

 

 

 

6.1 Nanokrystallinsk kjerne

Nanokrystallinske materialer er hovedsakelig sammensatt av jern, krom, kobber, silisium, bor og andre elementer, og disse spesifikke legeringskomponentene blir gjort til amorfe tilstander ved hurtigkjølingsteknologi, og deretter varmebehandlet for å danne nanoskala korn.

Den nanokrystallinske kjernen viser utmerkede magnetiske egenskaper og temperaturstabilitet, og er spesielt egnet for å erstatte ferritt i transformatorer under frekvensområdet 20kHz til 50kHz.

Det nanokrystallinske materialet har en resistivitet på 90 μ Ω.cm (etter varmebehandling) og kombinerer takket være sin nanostruktur fordelene til silisiumstål, permalloy og ferritt.

 

 

 

Tykkelsen på vanlige nanokrystallinske myke magnetiske materialer av jern er omtrent 30 μm. På grunn av sin sprøhet og følsomhet for stress, vil de magnetiske egenskapene reduseres betydelig når de utsettes for ytre krefter under bearbeiding og bruk. Derfor lages nanokrystallkjernen vanligvis til en ring- eller hesteskoform og plasseres i et beskyttende skall. Det beskyttende skallmaterialet vil påvirke varmeavledningsytelsen til den nanokrystallinske kjernen.

Den nye nanokrystallinske kjernen har blitt brukt på transformatorer, tykkelsen på nanokrystallinsk materiale er bare 24μm, og kjernen herdet etter varmebehandling har betydelige fordeler i forhold til den tradisjonelle transformatorkjernen:

Den nye nanokrystallinske kjernen er belagt med en isolerende film, som oppnår nødvendig styrke for vikling og kan vikles direkte inn i transformatorer.

Den herdede nanokrystallinske kjernen eliminerer det beskyttende huset, gir mer plass for varmeavledning og forbedrer transformatorens driftssikkerhet.

Denne utformingen reduserer påvirkningen av det beskyttende skallmaterialet på den nanokrystallinske kjernen, og sparer den strukturelle utformingen og formingstiden til det beskyttende skallet.

Nanokrystallinsk kjernedesign kan være mer fleksibel, og tilby en rekke former som ring, rektangulær og C-formet kjerne, noe som gir flere muligheter for transformatordesign og påfølgende viklingsprosess.

 

6.2 Amorf magnetisk kjerne

Det amorfe materialet er produsert ved hjelp av ultrarask bråkjølingsteknologi med en kjølehastighet på omtrent en million grader per sekund. Denne teknologien størkner smeltet stål i en enkelt bråkjøling til en legeringsstrimmel med en tykkelse på 30 mikron. På grunn av den raske avkjølingshastigheten har metallet ikke tid til å krystallisere, noe som resulterer i ingen korn eller korngrenser i legeringen, noe som resulterer i dannelsen av såkalte amorfe legeringer.

Amorft metall har en unik mikrostruktur som er forskjellig fra konvensjonelt metall, og dets sammensetning og uordnede struktur gir det mange unike egenskaper, som utmerket magnetisme, korrosjonsmotstand, slitestyrke, høy styrke, hardhet, seighet, høy resistivitet, høy elektromekanisk koblingskoeffisient , osv.

 

 

 

Hovedkomponentene i den jernbaserte amorfe kjernen er jern, silisium og bor, hvorav silisiuminnholdet er så høyt som 5,3%, og den unike strukturen til den amorfe tilstanden, dens resistivitet er 130 μΩ.cm, som er det dobbelte av det. av silisiumstålplaten (47 μΩ.cm).

Tykkelsen på det ferrobaserte amorfe materialet som brukes i den amorfe kjernen er omtrent 30 nm, som er mye tynnere enn tykkelsen på silisiumstålplaten, så virvelstrømtapet er lite ved høyfrekvent drift. I frekvensområdet 400Hz~10kHz er tapet bare 1/3~1/7 av silisiumstålplaten. Samtidig er permeabiliteten til jernbasert amorf jernkjerne mye høyere enn for tradisjonell jernkjerne.

På grunn av disse fordelene kan den amorfe kjernen redusere vekten av transformatoren med mer enn 50 % og temperaturøkningen med 50 %.

Etter år med utvikling har amorfe og nanokrystallinske jernkjerner blitt mye brukt i høyfrekvente transformatorer, strømtransformatorer, byttestrømforsyninger, elektromagnetisk kompatibilitetsutstyr og andre applikasjoner.