El núcleo de hierro del transformador.

 

El núcleo es la parte principal del circuito magnético del transformador. Suele estar compuesto por láminas de acero al silicio laminadas en caliente o en frío con un alto contenido en silicio y una superficie recubierta con pintura aislante. El núcleo de hierro y las bobinas que lo rodean constituyen un completo sistema de inducción electromagnética. La cantidad de potencia transmitida por el transformador de potencia depende del material y del área de la sección transversal del núcleo de hierro.

 

 

2.1 Núcleo enrollado y núcleo laminado

2.1.1 núcleo de hierro enrollado

El núcleo bobinado se usa comúnmente en transformadores pequeños y medianos (por debajo de 1000 kVA), transformadores, amplificadores magnéticos y transformadores de corriente de secuencia cero de protectores contra fugas.

 

Los materiales utilizados para el núcleo enrollado son láminas de acero al silicio laminadas en frío ultrafinas con alta permeabilidad y una banda magnética suave como la aleación permanente. El espesor de la lámina de acero al silicio es 0.18~0.30; El espesor de la tira Permalloy es 0.03~0,10 mm. Tomando como ejemplo transformadores pequeños y medianos, el uso de núcleo bobinado tiene las siguientes ventajas:

1) En las mismas condiciones, la pérdida sin carga del núcleo enrollado se reduce entre un 7% y un 10% en comparación con el núcleo laminado; La corriente sin carga se puede reducir entre un 50% y un 75%.

2) El núcleo bobinado puede estar hecho de láminas de acero al silicio laminadas en frío de alta permeabilidad muy delgadas, que pueden producir transformadores con menores pérdidas.

3) El núcleo enrollado tiene buena procesabilidad, no tiene desperdicio por corte y la tasa de utilización es casi del 100%. También puede adoptar una operación mecanizada, eliminando el proceso de apilamiento, y la eficiencia de producción es de 5 a 10 veces mayor que la del núcleo laminado.

4) El núcleo enrollado en sí es un todo, no necesita ser fijado mediante piezas de soporte de sujeción y no tiene una junta, por lo que en las mismas condiciones que el núcleo laminado, el ruido del transformador se puede reducir en 5 ~ 10 dB.

5) El coeficiente de proceso del transformador monofásico de núcleo bobinado es aproximadamente 1,1; Trifásico por debajo de 1,15; Para los núcleos de hierro laminado, el coeficiente de proceso de pequeña capacidad es aproximadamente 1,45 y el coeficiente de proceso de gran capacidad es aproximadamente 1,15. Por lo tanto, el núcleo bobinado es especialmente adecuado para transformadores pequeños y medianos.

 

 

2.1.2 núcleos de hierro laminado

Definición

El núcleo de hierro laminado es un componente clave utilizado en transformadores de potencia, inductores, transformadores y otros equipos eléctricos. Está compuesto por múltiples láminas, con alta permeabilidad y baja pérdida por histéresis, lo que puede mejorar eficazmente la eficiencia de trabajo y la estabilidad del rendimiento del equipo.

 

Estructura de núcleo de hierro laminado.

Un núcleo laminado consta de varias láminas, cada una de ellas hecha de un material altamente permeable, como el acero al silicio. Estas láminas están separadas por material aislante para formar una única estructura. Los núcleos de hierro laminado suelen tener forma rectangular o circular para adaptarse a los requisitos de los diferentes equipos. En el proceso de fabricación de núcleos de hierro laminado, también es necesario considerar factores como el espesor de la lámina, la selección de materiales aislantes y el proceso de procesamiento para garantizar su rendimiento y confiabilidad. El núcleo de hierro constituye un circuito magnético cerrado en el transformador, y también es el esqueleto de la bobina de instalación, que es una parte muy importante para el rendimiento electromagnético y la resistencia mecánica del transformador. El núcleo de hierro es la parte del circuito magnético del transformador, que se compone de una columna de núcleo de hierro (devanado en la columna) y un yugo de hierro (que conecta el núcleo de hierro para formar un circuito magnético cerrado). Para reducir las corrientes parásitas y las pérdidas por histéresis y mejorar la conductividad magnética del circuito magnético, el núcleo de hierro está hecho de {{0}}. Hoja de acero al silicio de 35 mm ~ 0,5 mm de espesor recubierta con pintura aislante. La sección del núcleo del transformador pequeño es rectangular o cuadrada, y la sección del núcleo del transformador grande es escalonada, para aprovechar al máximo el espacio.

 

Características del núcleo laminado

Dado que el núcleo y el devanado del transformador de núcleo laminado se fabrican por separado, primero se apila el núcleo y luego se retira el yugo superior, luego se coloca el aislamiento del núcleo y la bobina, y la bobina y el poste del núcleo se sostienen con un soporte. y finalmente se introduce el yugo de hierro para completar el montaje del cuerpo.

 

La estructura del transformador de núcleo laminado tiene las siguientes características:

1. La dirección de sujeción del núcleo es la dirección del espesor de la lámina del núcleo, que puede sujetar bien el núcleo;

2. Para la bobina cilíndrica de doble capa, la capa interna de la bobina no tiene esqueleto de bobina;

3. Debido a que el yugo de hierro superior se retira durante la instalación, la columna central y la bobina se pueden apretar fácilmente con un tirante;

4. La bobina se enrolla por separado y se puede sumergir por separado después de enrollarla.

 

 

2.1.3 Comparación de núcleo enrollado triangular tridimensional, núcleo laminado y núcleo enrollado plano

1) Núcleo de hierro enrollado triangular tridimensional

Núcleo enrollado tridimensional: disposición tridimensional triangular de un núcleo de hierro compuesto por tres núcleos enrollados de un solo marco del mismo tamaño geométrico.

Transformador de núcleo enrollado tridimensional: transformador de distribución con núcleo enrollado tridimensional como circuito magnético.

Características del proceso: todo el núcleo de hierro está formado por tres estructuras individuales idénticas y las tres columnas del núcleo de hierro están dispuestas en un triángulo equilátero. Cada bastidor está formado por varias correas de material trapezoidal enrolladas sucesivamente. La sección transversal del marco único después del bobinado es casi semicircular, y la sección transversal después de la división es muy cercana al cuasi-polígono del círculo completo. La correa de material trapezoidal de diferentes tamaños del marco único se enrolla mediante una máquina cortadora de línea de plegado especial. Este tipo de procesamiento de corte se puede realizar sin procesamiento de material, es decir, al cortar, la tasa de utilización del material es del 100%.

 

2) Núcleo de hierro laminado

Núcleo de hierro laminado: se compone de una línea de producción de corte longitudinal y una línea de producción de corte transversal, y la tira de acero al silicio se procesa en una determinada forma de lámina de acero al silicio, y luego la lámina de acero al silicio se apila de una manera determinada.

El núcleo laminado tiene tres desventajas:

Hay espacios de aire formados por muchas juntas en el circuito magnético, lo que aumenta la resistencia magnética del circuito magnético, aumentando así la pérdida y la corriente sin carga.

La dirección del circuito magnético en algunos lugares no coincide con la dirección de la alta permeabilidad magnética de la banda de acero al silicio.

La falta de estanqueidad entre las rodajas no sólo reduce el coeficiente de laminación, sino que, lo que es más importante, aumenta el ruido.

Efecto del proceso sobre la pérdida.

El corte longitudinal y el corte transversal producen una mayor pérdida de tensión mecánica

La dirección del circuito magnético en la esquina no coincide con la dirección de la conductividad magnética, lo que aumenta considerablemente la pérdida.

Las juntas aumentan la pérdida, especialmente el aumento de la corriente sin carga.

El coeficiente del proceso es 1,15 ~ 1,3.

 

3) La influencia de la estructura en el circuito magnético.

En el núcleo de pila tradicional con espacio de aire, el circuito magnético de acoplamiento entre la fase de CA es obviamente 1/2 más largo que el circuito magnético de la fase AB y la fase BC, por lo que el circuito magnético está desequilibrado y la resistencia magnética de la fase AC fase es mayor. Cuando se aplica un voltaje trifásico al transformador, el núcleo produce un flujo magnético trifásico equilibrado φA, φB y φC.

Cuando el flujo magnético del equilibrio trifásico pasa a través del circuito magnético desequilibrado, la caída de voltaje magnético de las fases A y C es grande, lo que afecta el equilibrio de voltaje trifásico. Este desequilibrio en el circuito magnético es un defecto estructural insuperable para los transformadores planos.

 

4) Núcleo de hierro enrollado plano

Núcleo enrollado plano: Núcleo de hierro dispuesto de forma plana que consta de uno o más marcos individuales con núcleos enrollados.

Características del proceso: El núcleo enrollado plano se enrolla primero con dos marcos internos más pequeños, después de la combinación de los dos marcos internos que se han enrollado y luego se enrolla un marco externo más grande en su composición externa, se disponen las tres columnas centrales del núcleo enrollado plano. en un avión.

Defectos de la estructura del núcleo de herida plana

Al igual que el núcleo enrollado plano y el núcleo laminado, las tres columnas del núcleo están dispuestas en un plano, de modo que la longitud del circuito magnético de las tres columnas del núcleo es inconsistente: la longitud del circuito magnético de la columna del medio es corta, el circuito magnético La longitud de las dos columnas laterales es más larga y la longitud promedio del circuito magnético es de aproximadamente 20%, lo que resulta en una gran diferencia en la pérdida sin carga de las tres columnas centrales, la pérdida sin carga de la columna central es baja y la pérdida sin carga de las dos columnas laterales es grande, lo que resulta en un desequilibrio trifásico.

 

 

2.2 Núcleos monofásicos y trifásicos

El núcleo monofásico tiene un único núcleo laminado de dos columnas. Hay cinco tipos de núcleo monofásico de cuatro columnas con yugo lateral de una sola columna, núcleo laminado monofásico de doble columna y núcleo laminado monofásico de tipo radiante. Hay cuatro tipos de núcleos trifásicos: núcleo laminado de columna trifásico, núcleo de cinco columnas con yugo lateral trifásico, núcleo laminado de doble marco trifásico y núcleo laminado de reactor trifásico.

El núcleo de hierro consta de dos partes: una columna con núcleo de hierro y un yugo de hierro. La columna central está cubierta con un devanado y el yugo de hierro conecta la columna central para formar un circuito magnético cerrado. El plano central del transformador se muestra en la Figura 1, la Figura 1a es un transformador monofásico, la Figura 1b es un transformador trifásico, la estructura del núcleo se puede dividir en dos partes, C es la parte de la bobina, llamada columna central. Y se utiliza para cerrar la parte del circuito magnético, llamada yugo. El transformador monofásico tiene dos columnas centrales y el transformador trifásico tiene tres columnas centrales.

 

 

Debido a que el flujo magnético en el núcleo del transformador es un flujo magnético alterno, para reducir la pérdida de corriente parásita, el núcleo del transformador generalmente está hecho de láminas de acero al silicio con gran resistividad en un cierto tamaño de viruta de hierro, las láminas de acero al silicio compuestas de el núcleo de hierro se corta en la forma y el tamaño requeridos, y luego la hoja de perforación se combina de forma superpuesta. La Figura 2a muestra el núcleo de hierro de un transformador monofásico, cada capa consta de 4 piezas perforadas. La Figura 2b muestra el núcleo de hierro del transformador trifásico, cada capa está compuesta por 6 piezas, y la combinación de cada dos capas del chip aplica una disposición diferente para escalonar las uniones de cada capa del circuito magnético. Este método de ensamblaje se llama ensamblaje superpuesto y este ensamblaje puede evitar el flujo de corrientes parásitas entre la lámina de acero y la lámina de acero. Y debido a que cada capa de perforación está entretejida, se pueden usar menos sujetadores para simplificar la estructura al presionar el núcleo de hierro. Durante el ensamblaje, las placas de perforación se apilan primero para formar un núcleo de hierro completo, y luego se sujeta el yugo de hierro inferior, se retira la placa de perforación del yugo de hierro superior para exponer la columna del núcleo, se coloca el devanado prefabricado en la columna del núcleo y finalmente se inserta la placa punzonadora del yugo de hierro superior extraída.

 

 

2.3 Núcleos de carcasa y núcleo

La parte del devanado revestido en el núcleo de hierro se llama "columna del núcleo", y la parte del devanado no revestido que sólo desempeña el papel del circuito magnético se llama "yugo de hierro". Cuando el núcleo de hierro rodea el devanado, se denomina tipo concha; Cuando el devanado rodea la columna central se denomina tipo de núcleo. El tipo de carcasa y el tipo de núcleo tienen sus propias características, pero el proceso de fabricación del transformador determinado por el núcleo de hierro es muy diferente y es difícil recurrir a una estructura una vez que se selecciona una determinada estructura. La mayoría de los núcleos de transformadores en nuestro país adoptan el tipo de núcleo apilado.

Según la disposición del devanado en el núcleo de hierro, el transformador se divide en tipo de núcleo y tipo de carcasa. La diferencia está principalmente en la distribución del circuito magnético, el yugo del núcleo del transformador de carcasa rodea la bobina, el núcleo del transformador está principalmente en la bobina, solo una parte del yugo de hierro fuera de la bobina, que se utiliza para formar el circuito magnético. circuito.

 

 

 

Cuando el transformador está en funcionamiento normal, el núcleo de hierro generará calor debido a la existencia de pérdida de hierro, y cuanto mayor sea el peso y volumen del núcleo de hierro, más calor se generará. La temperatura del aceite del transformador por encima de 95 grados es fácil de envejecer, por lo que la temperatura de la superficie del núcleo debe controlarse por debajo de esta temperatura en la medida de lo posible, lo que requiere que la estructura de disipación de calor del núcleo disipe rápidamente el calor del núcleo. La estructura de disipación de calor tiene como objetivo principal aumentar la superficie de disipación de calor del núcleo de hierro. La disipación de calor del núcleo de hierro incluye principalmente la disipación de calor del canal de aceite del núcleo de hierro y la disipación de calor de las vías respiratorias del núcleo de hierro.

 

En los transformadores sumergidos en aceite de gran capacidad, a menudo se disponen ranuras de aceite entre los laminados del núcleo de hierro para mejorar el efecto de disipación de calor. El tanque de aceite se divide en dos tipos, uno es paralelo a la lámina de acero al silicio y el otro es vertical a la lámina de acero, como se muestra en la Figura 4. La última disposición tiene un mejor efecto de disipación de calor, pero la estructura es más compleja.

 

En el núcleo seco del transformador hay refrigeración por aire, para garantizar que la temperatura del núcleo no exceda el valor permitido, a menudo se instala en la columna del núcleo y en el conducto de aire del yugo de hierro.

 

 

 

El transformador producirá ruido durante el funcionamiento. La fuente del ruido del cuerpo del transformador es la magnetoestricción de la lámina de acero al silicio del núcleo de hierro, o el ruido del núcleo del transformador es causado básicamente por la magnetoestricción. La llamada magnetoestricción se refiere al aumento del tamaño de la lámina de acero al silicio a lo largo de la dirección de la línea de inducción magnética cuando se excita el núcleo de hierro; El tamaño de la lámina de acero al silicio disminuye en la dirección perpendicular a la línea de inductancia magnética, y este cambio de tamaño se denomina magnetoestricción. Además, la estructura y el tamaño geométrico del núcleo de hierro, el proceso de procesamiento y fabricación del núcleo de hierro tendrán un cierto grado de impacto en su nivel de ruido.

 

El nivel de ruido del núcleo de hierro se puede reducir mediante las siguientes medidas técnicas: (1) El uso de láminas de acero al silicio de alta calidad con un valor ε de relación magnetoestrictiva pequeña. (2) Reducir la densidad de flujo magnético del núcleo. (3) Mejorar la estructura del núcleo de hierro. (4) Seleccione un tamaño de núcleo razonable. (5) Adoptar tecnología de procesamiento avanzada.

 

 

En el funcionamiento normal del transformador, el campo eléctrico formado entre el devanado cargado y el cable conductor y el tanque de combustible es un campo eléctrico desigual, y el núcleo de hierro y sus partes metálicas están en el campo eléctrico. Debido a que el potencial de inducción electrostática es diferente, el potencial de suspensión del núcleo de hierro y sus partes metálicas no es el mismo, y cuando la diferencia de potencial entre los dos puntos es capaz de romper el aislamiento entre ellos, se genera una descarga de chispa. Esta descarga puede descomponer el aceite del transformador y dañar el aislamiento sólido. Para evitarlo, tanto el núcleo como sus componentes metálicos deben estar conectados a tierra de forma fiable.

 

El núcleo debe estar ligeramente puesto a tierra. Cuando el núcleo de hierro u otros componentes metálicos se conectan a tierra en dos o más puntos, se formará un circuito cerrado entre los puntos de tierra, formando una circulación; la corriente a veces puede ser tan alta como decenas de amperios, lo que provocará un sobrecalentamiento local, lo que provocará La descomposición del aceite también puede hacer que la tira de tierra se funda y queme el núcleo, esto no está permitido. Por lo tanto, el núcleo debe estar conectado a tierra, y debe estar un poco conectado a tierra.

 

 

La llegada de núcleos de hierro nanocristalinos y amorfos proporciona materiales ideales para transformadores de media y alta frecuencia. Con el desarrollo de la industria, la frecuencia de funcionamiento de la fuente de alimentación se ha incrementado a 20 kHz y la potencia de salida ha superado los 30 kW. Los materiales centrales tradicionales, como las láminas de acero al silicio, tienen una gran pérdida y no pueden cumplir con los nuevos requisitos de suministro de energía.

 

El núcleo nanocristalino amorfo y a base de hierro tiene las características de inducción magnética de alta saturación, alta permeabilidad, baja pérdida, buena estabilidad de temperatura, protección ambiental, etc., y tiene un valor de aplicación importante en transformadores de alta frecuencia y alta potencia.

 

 

 

6.1 Núcleo nanocristalino

Los materiales nanocristalinos se componen principalmente de hierro, cromo, cobre, silicio, boro y otros elementos, y estos componentes de aleación específicos se transforman en estados amorfos mediante tecnología de enfriamiento rápido y luego se tratan térmicamente para formar granos a nanoescala.

El núcleo nanocristalino exhibe excelentes propiedades magnéticas y estabilidad de temperatura, y es particularmente adecuado para reemplazar la ferrita en transformadores por debajo del rango de frecuencia de 20 kHz a 50 kHz.

El material nanocristalino tiene una resistividad de 90 μ Ω.cm (después del tratamiento térmico) y, gracias a su nanoestructura, combina las ventajas del acero al silicio, la aleación permanente y la ferrita.

 

 

 

El espesor de los materiales magnéticos blandos nanocristalinos de hierro comunes es de aproximadamente 30 μm. Debido a su fragilidad y sensibilidad al estrés, las propiedades magnéticas se reducirán significativamente cuando se sometan a fuerzas externas durante el procesamiento y uso. Por lo tanto, el núcleo de nanocristal generalmente tiene forma de anillo o herradura y se coloca en una cubierta protectora. El material de la cubierta protectora afectará el rendimiento de disipación de calor del núcleo nanocristalino.

El nuevo núcleo nanocristalino se ha aplicado a transformadores, el espesor del material nanocristalino es de solo 24 μm y el núcleo curado después del tratamiento térmico tiene ventajas significativas sobre el núcleo de transformador tradicional:

El nuevo núcleo nanocristalino está recubierto con una película aislante, que alcanza la resistencia necesaria para el bobinado y puede enrollarse directamente en transformadores.

El núcleo nanocristalino curado elimina la carcasa protectora, proporcionando más espacio para la disipación del calor y mejorando la seguridad operativa del transformador.

Este diseño reduce la influencia del material de la cubierta protectora sobre el núcleo nanocristalino y ahorra el diseño estructural y el tiempo de formación de la cubierta protectora.

El diseño del núcleo nanocristalino puede ser más flexible y ofrece una variedad de formas, como núcleo de anillo, rectangular y en forma de C, lo que brinda más opciones para el diseño del transformador y el posterior proceso de bobinado.

 

6.2 Núcleo magnético amorfo

El material amorfo se produce mediante tecnología de enfriamiento ultrarrápido con una velocidad de enfriamiento de aproximadamente un millón de grados por segundo. Esta tecnología solidifica el acero fundido en un solo enfriamiento en una tira de aleación con un espesor de 30 micras. Debido a la rápida velocidad de enfriamiento, el metal no tiene tiempo para cristalizar, por lo que no hay granos ni límites de grano en la aleación, lo que da lugar a la formación de las llamadas aleaciones amorfas.

El metal amorfo tiene una microestructura única que es diferente del metal convencional, y su composición y estructura desordenada le otorgan muchas propiedades únicas, como excelente magnetismo, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste, alta resistencia, dureza, tenacidad, alta resistividad, alto coeficiente de acoplamiento electromecánico. , etc.

 

 

 

Los principales componentes del núcleo amorfo a base de hierro son hierro, silicio y boro, de los cuales el contenido de silicio llega al 5,3%, y la estructura única del estado amorfo, su resistividad es de 130 μΩ.cm, que es el doble. de la lámina de acero al silicio (47 μΩ.cm).

El espesor del material amorfo de base ferro utilizado en el núcleo amorfo es de aproximadamente 30 nm, que es mucho más delgado que el espesor de la lámina de acero al silicio, por lo que la pérdida por corrientes parásitas es pequeña en el funcionamiento de alta frecuencia. En el rango de frecuencia de 400 Hz ~ 10 kHz, la pérdida es solo de 1/3 ~ 1/7 de la lámina de acero al silicio. Al mismo tiempo, la permeabilidad del núcleo de hierro amorfo a base de hierro es mucho mayor que la del núcleo de hierro tradicional.

Debido a estas ventajas, el núcleo amorfo puede reducir el peso del transformador en más del 50% y el aumento de temperatura en un 50%.

Después de años de desarrollo, los núcleos de hierro amorfo y nanocristalino se han utilizado ampliamente en transformadores de alta frecuencia, transformadores de corriente, fuentes de alimentación conmutadas, equipos de compatibilidad electromagnética y otras aplicaciones.