De ijzeren kern van de transformator

 

De kern is het grootste deel van het magnetische circuit in de transformator. Het bestaat meestal uit warmgewalste of koudgewalste siliciumstaalplaten met een hoog siliciumgehalte en een oppervlak bedekt met isolerende verf. De ijzeren kern en de spoelen eromheen vormen een compleet elektromagnetisch inductiesysteem. De hoeveelheid stroom die door de vermogenstransformator wordt overgedragen, is afhankelijk van het materiaal en het dwarsdoorsnedeoppervlak van de ijzeren kern.

 

 

2.1 Gewikkelde kern en gelamineerde kern

2.1.1 gewonden ijzeren kern

Gewikkelde kern wordt vaak gebruikt in kleine en middelgrote transformatoren (onder 1000 kVA), transformatoren, magnetische versterkers en nulsequentiestroomtransformatoren of lekbeschermers.

 

De materialen die voor de gewikkelde kern worden gebruikt, zijn ultradunne koudgewalste siliciumstaalplaten met hoge permeabiliteit en zachte magnetische strips zoals permalloy. De dikte van de siliciumstaalplaat is 0.18~0.30; De dikte van de Permalloy-strip is 0,03~0,10 mm. Als we kleine en middelgrote transformatoren als voorbeeld nemen, heeft het gebruik van een gewikkelde kern de volgende voordelen:

1) Onder dezelfde omstandigheden wordt het nullastverlies van de gewonden kern met 7% tot 10% verminderd in vergelijking met de gelamineerde kern; De nullaststroom kan met 50% ~ 75% worden verminderd.

2) De gewikkelde kern kan worden gemaakt van zeer dunne, koudgewalste siliciumstaalplaten met hoge permeabiliteit, die transformatoren met lagere verliezen kunnen produceren.

3) De wondkern heeft een goede verwerkbaarheid, geen snijafval en de bezettingsgraad is bijna 100%. Het kan ook een gemechaniseerde werking aannemen, waardoor het stapelproces wordt geëlimineerd, en de productie-efficiëntie is 5 tot 10 keer hoger dan die van de gelamineerde kern.

4) De gewikkelde kern zelf is een geheel, hoeft niet te worden vastgezet door steundelen vast te klemmen en heeft geen verbinding, dus onder dezelfde omstandigheden als de gelamineerde kern kan het transformatorgeluid met 5 ~ 10 dB worden verminderd.

5) De procescoëfficiënt van de eenfasige transformator met gewikkelde kern is ongeveer 1,1; Driefasig onder 1,15; Voor gelamineerde ijzeren kernen is de procescoëfficiënt van kleine capaciteit ongeveer 1,45 en de procescoëfficiënt van grote capaciteit ongeveer 1,15. Daarom is de gewikkelde kern bijzonder geschikt voor kleine en middelgrote transformatoren.

 

 

2.1.2 gelamineerde ijzeren kernen

Definitie

Gelamineerde ijzeren kern is een belangrijk onderdeel dat wordt gebruikt in stroomtransformatoren, inductoren, transformatoren en andere stroomapparatuur. Het is samengesteld uit meerdere platen, met een hoge permeabiliteit en een laag hysteresisverlies, wat de werkefficiëntie en prestatiestabiliteit van de apparatuur effectief kan verbeteren.

 

Structuur van gelamineerde ijzeren kern

Een gelamineerde kern bestaat uit meerdere platen, elk gemaakt van een goed doorlatend materiaal, zoals siliciumstaal. Deze platen worden gescheiden door isolatiemateriaal om een ​​enkele structuur te vormen. Gelamineerde ijzeren kernen zijn meestal rechthoekig of rond van vorm om zich aan te passen aan de eisen van verschillende apparatuur. Bij het productieproces van gelamineerde ijzeren kern moet ook rekening worden gehouden met factoren zoals de dikte van de plaat, de selectie van isolatiematerialen en het verwerkingsproces om de prestaties en betrouwbaarheid ervan te garanderen. De ijzeren kern vormt een gesloten magnetisch circuit in de transformator en vormt tevens het skelet van de installatiespoel, wat een zeer belangrijk onderdeel is voor de elektromagnetische prestaties en mechanische sterkte van de transformator. De ijzeren kern is het magnetische circuitgedeelte van de transformator, dat bestaat uit een ijzeren kernkolom (wikkeling op de kolom) en een ijzeren juk (dat de ijzeren kern verbindt om een ​​gesloten magnetisch circuit te vormen). Om wervelstroom- en hysteresisverlies te verminderen en de magnetische geleidbaarheid van het magnetische circuit te verbeteren, is de ijzeren kern gemaakt van {{0}}.35 mm ~ 0,5 mm dikke siliciumstaalplaat bedekt met isolerende verf. Het kleine transformatorkerngedeelte is rechthoekig of vierkant en het grote transformatorkerngedeelte is getrapt, zodat de ruimte volledig wordt benut.

 

Gelamineerde kernfuncties

Omdat de kern en de wikkeling van de gelamineerde kerntransformator afzonderlijk worden vervaardigd, wordt de kern eerst gestapeld en vervolgens wordt het bovenste juk verwijderd, waarna de kernisolatie en de spoel worden aangebracht en de spoel en de kernstijl worden ondersteund met een beugel, en tenslotte wordt het ijzeren juk geplaatst om de montage van het lichaam te voltooien.

 

De structuur van de gelamineerde kerntransformator heeft de volgende kenmerken:

1. De klemrichting van de kern is de dikterichting van de kernplaat, die de kern goed kan vastklemmen;

2. Voor de dubbellaagse cilindrische spoel heeft de binnenlaag van de spoel geen spoelskelet;

3. Omdat het bovenste ijzeren juk tijdens de installatie wordt verwijderd, kunnen de kernkolom en de spoel eenvoudig worden vastgezet met een beugel;

4. De spoel wordt afzonderlijk opgewonden en de spoel kan na het opwinden afzonderlijk worden ondergedompeld.

 

 

2.1.3 Vergelijking van driedimensionale driehoekige gewikkelde kern, gelamineerde kern en platte gewikkelde kern

1) Driedimensionale driehoekige gewikkelde ijzeren kern

Driedimensionale gewikkelde kern: een driehoekige driedimensionale opstelling van een ijzeren kern, bestaande uit drie gewikkelde kernen met één frame van dezelfde geometrische grootte.

Driedimensionale gewikkelde kerntransformator: distributietransformator met driedimensionale gewikkelde kern als magnetisch circuit.

Proceskenmerken: De gehele ijzeren kern is gemaakt van drie identieke enkele frames en de drie kernkolommen van de ijzeren kern zijn gerangschikt in een gelijkzijdige driehoek. Elk afzonderlijk frame is gemaakt van een aantal trapeziumvormige materiaalbanden die achtereenvolgens zijn opgewikkeld. De dwarsdoorsnede van het enkele frame na het opwinden is bijna halfrond, en de dwarsdoorsnede na het splitsen ligt zeer dicht bij de quasi-polygoon van de hele cirkel. De trapeziumvormige materiaalriem van verschillende afmetingen van het enkele frame wordt gewikkeld door de speciale vouwlijnsnijmachine. Dit type snijverwerking kan worden uitgevoerd zonder materiaalverwerking, dat wil zeggen dat bij het snijden de materiaalbenuttingsgraad 100% is.

 

2) Gelamineerde ijzeren kern

Gelamineerde ijzeren kern: het is samengesteld uit een productielijn met longitudinale afschuiving en een productielijn met transversale afschuiving, en de siliciumstaalstrip wordt verwerkt tot een bepaalde vorm van siliciumstaalplaat, en vervolgens wordt de siliciumstaalplaat op een bepaalde manier gestapeld.

Gelamineerde kern heeft drie nadelen:

Er zijn luchtspleten gevormd door veel verbindingen in het magnetische circuit, waardoor de magnetische weerstand van het magnetische circuit toeneemt, waardoor het verlies en de nullaststroom toenemen.

De richting van het magnetische circuit is op sommige plaatsen inconsistent met de richting van de hoge magnetische permeabiliteit van de siliciumstaalstrip.

Het gebrek aan dichtheid tussen de plakjes vermindert niet alleen de lamineringscoëfficiënt, maar, nog belangrijker, verhoogt het geluid.

Effect van proces op verlies

Longitudinale afschuiving en transversale afschuiving veroorzaken een groter mechanisch spanningsverlies

De richting van het magnetische circuit in de hoek is inconsistent met de richting van de magnetische geleidbaarheid, waardoor het verlies aanzienlijk toeneemt

Gewrichten vergroten het verlies, vooral de toename van de nullaststroom

De procescoëfficiënt is 1,15 ~ 1,3

 

3) De invloed van de structuur op het magnetische circuit

In de traditionele stapelkern met luchtspleet is het magnetische koppelingscircuit tussen de AC-fase duidelijk 1/2 langer dan het magnetische circuit van de AB-fase en de BC-fase, dus het magnetische circuit is uit balans en de magnetische weerstand van de AC fase is groter. Wanneer een driefasige spanning op de transformator wordt aangelegd, produceert de kern een driefasige gebalanceerde magnetische flux φA, φB en φC.

Wanneer de magnetische flux van de driefasige balans door het ongebalanceerde magnetische circuit gaat, is de magnetische spanningsval van de A- en C-fasen groot, wat de driefasige spanningsbalans beïnvloedt. Deze onbalans in het magnetische circuit is een onoverkomelijk structureel defect voor vlakke transformatoren.

 

4) Platgewonden ijzeren kern

Platgewonden kern: Een plat opgestelde ijzeren kern bestaande uit één of meer enkele frames met omwonden kernen.

Proceskenmerken: De platgewonden kern wordt eerst twee kleinere binnenframes gewikkeld, na de combinatie van twee binnenframes die zijn gewikkeld, en vervolgens een groter buitenframe in zijn externe samenstelling gewikkeld, de drie kernkolommen van de platgewonden kern zijn gerangschikt in een vliegtuig.

Defecten in de platgewonden kernstructuur

Hetzelfde als de platgewonden kern en de gelamineerde kern, de drie kernkolommen zijn in een vlak gerangschikt, zodat de magnetische circuitlengte van de drie kernkolommen inconsistent is: de magnetische circuitlengte van de middelste kolom is kort, het magnetische circuit de lengte van de twee zijkolommen is langer en de gemiddelde magnetische circuitlengte is ongeveer 20%, wat resulteert in een groot verschil in het nullastverlies van de drie kernkolommen, het nullastverlies van de middelste kolom is laag, en het nullastverlies van beide zijden kolommen is groot, wat resulteert in een driefasige onbalans.

 

 

2.2 Eenfasige en driefasige kernen

Eenfasige kern heeft een enkele gelamineerde kern met twee kolommen. Er zijn vijf soorten eenfasige, enkelkoloms zijjuktype kern met vier kolommen, eenfasige gelamineerde kern met dubbele kolom en eenfasige gelamineerde kern van het stralingstype. Er zijn vier soorten driefasige kernen: driefasige kolomgelamineerde kern, driefasige zijjukkern met vijf kolommen, driefasige dubbelframe gelamineerde kern en driefasige reactorgelamineerde kern.

De ijzeren kern bestaat uit twee delen: een ijzeren kernkolom en een ijzeren juk. De kernkolom is bedekt met wikkeling en het ijzeren juk verbindt de kernkolom om een ​​gesloten magnetisch circuit te vormen. Het kernplan van de transformator wordt getoond in figuur 1, figuur 1a is een eenfasige transformator, figuur 1b is een driefasige transformator, de kernstructuur kan in twee delen worden verdeeld, C is het deel van de spoel, de zogenaamde kern kolom. Y wordt gebruikt om het deel van het magnetische circuit, het juk genaamd, te sluiten. De eenfasige transformator heeft twee kernkolommen en de driefasige transformator heeft drie kernkolommen.

 

 

Omdat de magnetische flux in de transformatorkern een wisselende magnetische flux is, wordt de transformatorkern, om het wervelstroomverlies te verminderen, over het algemeen gemaakt van siliciumstaalplaten met een grote weerstand tot een bepaalde grootte ijzeren chip, waarbij de siliciumstaalplaten zijn samengesteld uit de ijzeren kern wordt in de gewenste vorm en maat gesneden en vervolgens wordt de ponsplaat overlappend gecombineerd. Figuur 2a toont de ijzeren kern van een enkelfasige transformator, waarbij elke laag bestaat uit 4 stansstukken. Figuur 2b toont de ijzeren kern van de driefasige transformator, elke laag bestaat uit zes delen, en de combinatie van elke twee lagen van de chip past een andere opstelling toe om de verbindingen van elke laag van het magnetische circuit te spreiden. Deze montagemethode wordt overlappende montage genoemd en deze montage kan wervelstroom tussen de staalplaat en de staalplaat voorkomen. En omdat elke ponslaag met elkaar verweven is, kunnen er minder bevestigingsmiddelen gebruikt worden om de constructie eenvoudig te maken bij het aandrukken van de ijzeren kern. Tijdens de montage worden de ponsplaten eerst gestapeld om een ​​hele ijzeren kern te vormen, en vervolgens wordt het onderste ijzeren juk vastgeklemd, wordt de bovenste ijzeren juk-ponsplaat verwijderd om de kernkolom bloot te leggen, wordt de geprefabriceerde wikkeling op de kernkolom geplaatst en tenslotte wordt de uitgetrokken bovenste ijzeren jukponsplaat geplaatst.

 

 

2.3 Shell- en kernkernen

Het deel van de beklede wikkeling in de ijzeren kern wordt de "kernkolom" genoemd, en het deel van de niet-beklede wikkeling dat alleen de rol van het magnetische circuit speelt, wordt het "ijzeren juk" genoemd. Waar de ijzeren kern de wikkeling omringt, wordt dit het schaaltype genoemd; Waar de wikkeling de kernkolom omringt, wordt het kerntype genoemd. Shell-type en kerntype hebben hun eigen kenmerken, maar het productieproces van de transformator, bepaald door de ijzeren kern, is heel anders, en het is moeilijk om naar een structuur te gaan zodra een bepaalde structuur is geselecteerd. Het grootste deel van de transformatorkern in ons land maakt gebruik van het gestapelde kerntype.

Afhankelijk van de opstelling van de wikkeling in de ijzeren kern, is de transformator verdeeld in kerntype en schaaltype. Het verschil zit voornamelijk in de verdeling van het magnetische circuit, het juk van de schaaltransformatorkern omringt de spoel, de kerntransformatorkern bevindt zich meestal in de spoel, slechts een deel van het ijzeren juk buiten de spoel, dat wordt gebruikt om de magnetische te vormen circuit.

 

 

 

Wanneer de transformator normaal werkt, zal de ijzeren kern warmte genereren vanwege het bestaan ​​van ijzerverlies, en hoe groter het gewicht en het volume van de ijzeren kern, hoe meer warmte er zal worden gegenereerd. De temperatuur van de transformatorolie boven de 95 graden is gemakkelijk te verouderen, dus de temperatuur van het kernoppervlak moet zoveel mogelijk onder deze temperatuur worden geregeld, wat vereist dat de warmtedissipatiestructuur van de kern de warmte van de kern snel afvoert. De warmtedissipatiestructuur is voornamelijk bedoeld om het warmtedissipatieoppervlak van de ijzeren kern te vergroten. De warmteafvoer van de ijzeren kern omvat hoofdzakelijk de warmteafvoer van het ijzeren kernoliekanaal en de warmteafvoer van de ijzeren kernluchtweg.

 

In in olie ondergedompelde transformatoren met een grote capaciteit zijn vaak oliesleuven tussen de laminaten van de ijzeren kern aangebracht om het warmtedissipatie-effect te versterken. De olietank is verdeeld in twee soorten: de ene is evenwijdig aan de siliciumstaalplaat en de andere is verticaal ten opzichte van de staalplaat, zoals weergegeven in figuur 4. De laatste opstelling heeft een beter warmteafvoereffect, maar de structuur is complexer.

 

In de droge transformatorkern bevindt zich luchtkoeling, om ervoor te zorgen dat de kerntemperatuur de toegestane waarde niet overschrijdt, vaak geïnstalleerd in de kernkolom en het luchtkanaal van het ijzeren juk.

 

 

 

De transformator zal tijdens bedrijf geluid produceren. De bron van het geluid van het transformatorlichaam is de magnetostrictie van de siliciumstaalplaat van de ijzeren kern, of het geluid van de transformatorkern wordt in principe veroorzaakt door magnetostrictie. De zogenaamde magnetostrictie verwijst naar de toename van de afmeting van de siliciumstaalplaat in de richting van de magnetische inductielijn wanneer de ijzeren kern wordt opgewonden; De grootte van de siliciumstaalplaat neemt af in de richting loodrecht op de magnetische inductielijn, en deze verandering in grootte wordt magnetostrictie genoemd. Bovendien zullen de structuur en de geometrische afmetingen van de ijzeren kern, het proces van verwerking en productie van ijzeren kernen een zekere mate van invloed hebben op het geluidsniveau.

 

Het geluidsniveau van de ijzeren kern kan worden verminderd door de volgende technische maatregelen: (1) Het gebruik van hoogwaardige siliciumstaalplaten met een kleine magnetostrictieve verhouding ε-waarde. (2) Verminder de magnetische fluxdichtheid van de kern. (3) Verbeter de structuur van de ijzeren kern. (4) Selecteer een redelijke kerngrootte. (5) Gebruik geavanceerde verwerkingstechnologie.

 

 

Bij de normale werking van de transformator is het elektrische veld dat wordt gevormd tussen de geladen wikkeling en de voedingsdraad en de brandstoftank een ongelijkmatig elektrisch veld, en bevinden de ijzeren kern en zijn metalen delen zich in het elektrische veld. Omdat het potentieel van elektrostatische inductie verschillend is, is het ophangpotentieel van de ijzeren kern en de metalen onderdelen ervan niet hetzelfde, en wanneer het potentiaalverschil tussen de twee punten de isolatie ertussen kan afbreken, wordt er vonkontlading gegenereerd. Deze ontlading kan de olie van de transformator afbreken en de vaste isolatie beschadigen. Om dit te voorkomen, moeten zowel de kern als de metalen componenten betrouwbaar worden geaard.

 

De kern moet licht geaard zijn. Wanneer de ijzeren kern of andere metalen componenten op twee of meer punten zijn geaard, zal er een gesloten lus worden gevormd tussen de aardingspunten, waardoor een circulatie ontstaat. De stroom kan soms oplopen tot tientallen ampère, wat lokale oververhitting zal veroorzaken, wat leidt tot olieafbraak, kan ook de aardstrip doen smelten, de kern verbranden, dit is niet toegestaan. Daarom moet de kern geaard zijn, en wel een beetje geaard.

 

 

De komst van nanokristallijne en amorfe ijzerkernen biedt ideale materialen voor midden- en hoogfrequente transformatoren. Met de ontwikkeling van de industrie is de werkfrequentie van de voeding verhoogd tot 20 kHz en is het uitgangsvermogen groter dan 30 kW. Traditionele kernmaterialen zoals siliciumstaalplaten hebben een groot verlies en kunnen niet voldoen aan de nieuwe eisen van de stroomvoorziening.

 

De amorfe en op ijzer gebaseerde nanokristallijne kern heeft de kenmerken van magnetische inductie met hoge verzadiging, hoge permeabiliteit, laag verlies, goede temperatuurstabiliteit, milieubescherming, enz., En heeft een belangrijke toepassingswaarde in hoogfrequente hoogfrequente transformatoren.

 

 

 

6.1 Nanokristallijne kern

Nanokristallijne materialen bestaan ​​voornamelijk uit ijzer, chroom, koper, silicium, boor en andere elementen, en deze specifieke legeringscomponenten worden door middel van snelle blustechnologie in amorfe toestanden gebracht en vervolgens met warmte behandeld om korrels op nanoschaal te vormen.

De nanokristallijne kern vertoont uitstekende magnetische eigenschappen en temperatuurstabiliteit en is bijzonder geschikt voor het vervangen van ferriet in transformatoren onder het frequentiebereik van 20 kHz tot 50 kHz.

Het nanokristallijne materiaal heeft een soortelijke weerstand van 90 μ Ω.cm (na warmtebehandeling) en combineert dankzij de nanostructuur de voordelen van siliciumstaal, permalloy en ferriet.

 

 

 

De dikte van gewone ijzeren nanokristallijne zachte magnetische materialen is ongeveer 30 μm. Vanwege de broosheid en gevoeligheid voor spanning zullen de magnetische eigenschappen aanzienlijk worden verminderd wanneer ze worden blootgesteld aan externe krachten tijdens verwerking en gebruik. Daarom wordt de kern van nanokristallen meestal in de vorm van een ring of een hoefijzer gemaakt en in een beschermende schaal geplaatst. Het beschermende schaalmateriaal zal de warmteafvoerprestaties van de nanokristallijne kern beïnvloeden.

De nieuwe nanokristallijne kern is toegepast op transformatoren, de dikte van nanokristallijn materiaal is slechts 24 μm en de kern die is uitgehard na warmtebehandeling heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van de traditionele transformatorkern:

De nieuwe nanokristallijne kern is bedekt met een isolerende film, die de vereiste sterkte voor de wikkeling bereikt en direct in transformatoren kan worden gewikkeld.

De uitgeharde nanokristallijne kern elimineert de beschermende behuizing, waardoor er meer ruimte is voor warmteafvoer en de operationele veiligheid van de transformator wordt verbeterd.

Dit ontwerp vermindert de invloed van het beschermende schaalmateriaal op de nanokristallijne kern en bespaart het structurele ontwerp en de vormingstijd van de beschermende schaal.

Het nanokristallijne kernontwerp kan flexibeler zijn en biedt een verscheidenheid aan vormen, zoals ring-, rechthoekige en C-vormige kern, waardoor er meer opties zijn voor het ontwerp van de transformator en het daaropvolgende wikkelproces.

 

6.2 Amorfe magnetische kern

Het amorfe materiaal wordt geproduceerd met behulp van ultrasnelle blustechnologie met een koelsnelheid van ongeveer een miljoen graden per seconde. Deze technologie stolt gesmolten staal in één keer afschrikken tot een legeringsstrip met een dikte van 30 micron. Door de snelle afkoeling heeft het metaal geen tijd om te kristalliseren, waardoor er geen korrels of korrelgrenzen in de legering ontstaan, waardoor zogenaamde amorfe legeringen ontstaan.

Amorf metaal heeft een unieke microstructuur die verschilt van conventioneel metaal, en de samenstelling en ongeordende structuur geven het veel unieke eigenschappen, zoals uitstekend magnetisme, corrosieweerstand, slijtvastheid, hoge sterkte, hardheid, taaiheid, hoge weerstand, hoge elektromechanische koppelingscoëfficiënt enz.

 

 

 

De belangrijkste componenten van de op ijzer gebaseerde amorfe kern zijn ijzer, silicium en boor, waarvan het siliciumgehalte maar liefst 5,3% bedraagt, en de unieke structuur van de amorfe toestand, de soortelijke weerstand ervan is 130 μΩ.cm, wat twee keer zo hoog is van de siliciumstaalplaat (47 μΩ.cm).

De dikte van het op ferro gebaseerde amorfe materiaal dat in de amorfe kern wordt gebruikt, is ongeveer 30 nm, wat veel dunner is dan de dikte van de siliciumstaalplaat, dus het wervelstroomverlies is klein bij werking met hoge frequentie. In het frequentiebereik van 400 Hz ~ 10 kHz bedraagt ​​het verlies slechts 1/3 ~ 1/7 van de siliciumstaalplaat. Tegelijkertijd is de permeabiliteit van op ijzer gebaseerde amorfe ijzeren kern veel hoger dan die van traditionele ijzeren kern.

Dankzij deze voordelen kan de amorfe kern het gewicht van de transformator met meer dan 50% verminderen en de temperatuurstijging met 50%.

Na jaren van ontwikkeling zijn amorfe en nanokristallijne ijzerkernen op grote schaal gebruikt in hoogfrequente transformatoren, stroomtransformatoren, schakelende voedingen, apparatuur voor elektromagnetische compatibiliteit en andere toepassingen.