Lõi sắt của máy biến áp

 

Lõi là bộ phận chính của mạch từ trong máy biến áp. Nó thường bao gồm các tấm thép silicon cán nóng hoặc cán nguội có hàm lượng silicon cao và bề mặt được phủ sơn cách điện. Lõi sắt và các cuộn dây xung quanh tạo thành một hệ thống cảm ứng điện từ hoàn chỉnh. Lượng điện năng được máy biến áp truyền tải phụ thuộc vào vật liệu và diện tích mặt cắt của lõi sắt.

 

 

2.1 Lõi vết thương và lõi nhiều lớp

2.1.1 lõi sắt vết thương

Lõi quấn thường được sử dụng trong các máy biến áp cỡ nhỏ và vừa (dưới 1000kVA), máy biến áp, bộ khuếch đại từ tính và máy biến dòng thứ tự 0 của thiết bị bảo vệ rò rỉ.

 

Vật liệu dùng làm lõi vết thương là tấm thép silic cán nguội siêu mỏng có độ thấm cao và dải từ mềm như permalloy. Độ dày của tấm thép silicon là 0.18~0.30; Độ dày của dải Permalloy là 0,03~0,10mm. Lấy máy biến áp cỡ vừa và nhỏ làm ví dụ, việc sử dụng lõi quấn có những ưu điểm sau:

1) Trong cùng điều kiện, tổn thất không tải của lõi vết thương giảm từ 7% đến 10% so với lõi nhiều lớp; Dòng không tải có thể giảm 50% ~ 75%.

2) Lõi vết thương có thể được làm bằng các tấm thép silic cán nguội có độ thấm cao rất mỏng, có thể sản xuất máy biến áp với tổn thất thấp hơn.

3) Lõi vết thương có khả năng xử lý tốt, không có chất thải cắt và tỷ lệ sử dụng gần như 100%. Nó cũng có thể áp dụng vận hành cơ giới hóa, loại bỏ quá trình xếp chồng và hiệu quả sản xuất cao gấp 5 đến 10 lần so với lõi nhiều lớp.

4) Bản thân lõi quấn là một tổng thể, không cần cố định bằng các bộ phận hỗ trợ kẹp và không có khớp nối, do đó, trong cùng điều kiện với lõi nhiều lớp, tiếng ồn của máy biến áp có thể giảm 5 ~ 10dB.

5) Hệ số quá trình của máy biến áp một pha lõi quấn khoảng 1,1; Ba pha dưới 1,15; Đối với lõi sắt nhiều lớp, hệ số xử lý công suất nhỏ khoảng 1,45, hệ số xử lý công suất lớn khoảng 1,15. Vì vậy, lõi quấn đặc biệt thích hợp cho các máy biến áp cỡ vừa và nhỏ.

 

 

2.1.2 lõi sắt nhiều lớp

Sự định nghĩa

Lõi sắt nhiều lớp là thành phần chính được sử dụng trong máy biến áp điện, cuộn cảm, máy biến áp và các thiết bị điện khác. Nó bao gồm nhiều tấm, có độ thấm cao và độ trễ thấp, có thể cải thiện hiệu quả hiệu quả làm việc và độ ổn định hiệu suất của thiết bị.

 

Kết cấu lõi sắt nhiều lớp

Lõi nhiều lớp bao gồm nhiều tấm, mỗi tấm được làm bằng vật liệu có độ thấm cao, chẳng hạn như thép silicon. Các tấm này được ngăn cách bằng vật liệu cách điện để tạo thành một cấu trúc duy nhất. Lõi sắt nhiều lớp thường có hình chữ nhật hoặc hình tròn để thích ứng với yêu cầu của các thiết bị khác nhau. Trong quá trình sản xuất lõi sắt nhiều lớp, cũng cần phải xem xét các yếu tố như độ dày của tấm, việc lựa chọn vật liệu cách nhiệt và quy trình xử lý để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của nó. Lõi sắt tạo thành một mạch từ kín trong máy biến áp, đồng thời nó cũng là bộ xương của cuộn dây lắp đặt, là bộ phận rất quan trọng đối với hiệu suất điện từ và độ bền cơ học của máy biến áp. Lõi sắt là phần mạch từ của máy biến áp, gồm có cột lõi sắt (cuộn dây đặt trên cột) và ách sắt (nối lõi sắt tạo thành mạch từ kín). Để giảm dòng điện xoáy và tổn thất trễ cũng như cải thiện độ dẫn từ của mạch từ, lõi sắt được làm bằng tấm thép silicon dày {{0}}, dày 35mm ~ 0,5mm phủ sơn cách điện. Phần lõi máy biến áp nhỏ có hình chữ nhật hoặc hình vuông, phần lõi máy biến áp lớn có bậc thang nhằm tận dụng tối đa không gian.

 

Tính năng cốt lõi nhiều lớp

Do lõi và cuộn dây của máy biến áp lõi nhiều lớp được sản xuất riêng biệt nên lõi được xếp chồng lên nhau trước, sau đó tháo ách phía trên, sau đó lắp cách điện lõi và cuộn dây, còn cuộn dây và trụ lõi được đỡ bằng một thanh nẹp, và cuối cùng là ách sắt được đưa vào để hoàn thiện việc lắp ráp thân xe.

 

Cấu trúc của máy biến áp lõi nhiều lớp có các đặc điểm sau:

1. Hướng kẹp của lõi là hướng độ dày của tấm lõi, có thể kẹp lõi tốt;

2. Đối với cuộn dây hình trụ hai lớp, lớp bên trong của cuộn dây không có khung cuộn dây;

3. Vì ách sắt phía trên được tháo ra trong quá trình lắp đặt nên cột lõi và cuộn dây có thể dễ dàng siết chặt bằng một chốt giữ;

4. Cuộn dây được quấn riêng và cuộn dây có thể được nhúng riêng sau khi cuộn dây.

 

 

2.1.3 So sánh lõi vết thương hình tam giác ba chiều, lõi nhiều lớp và lõi vết thương phẳng

1) Lõi sắt quấn hình tam giác ba chiều

Lõi vết thương ba chiều: Sự sắp xếp ba chiều hình tam giác của lõi sắt bao gồm ba lõi vết thương khung đơn có cùng kích thước hình học.

Máy biến áp lõi dây quấn ba chiều: máy biến áp phân phối có lõi dây quấn ba chiều làm mạch từ.

Đặc điểm quy trình: Toàn bộ lõi sắt được làm bằng ba khung đơn giống hệt nhau và ba cột lõi của lõi sắt được sắp xếp theo hình tam giác đều. Mỗi khung đơn được làm bằng một số đai vật liệu hình thang được quấn liên tiếp. Mặt cắt ngang của khung đơn sau khi cuộn dây gần như hình bán nguyệt, và mặt cắt ngang sau khi tách rất gần với toàn bộ hình tròn gần như đa giác. Đai vật liệu hình thang có kích thước khác nhau của khung đơn được quấn bằng máy cắt đường gấp đặc biệt. Loại xử lý cắt này có thể được thực hiện mà không cần xử lý vật liệu, nghĩa là khi cắt, tỷ lệ sử dụng vật liệu là 100%.

 

2) Lõi sắt nhiều lớp

Lõi sắt nhiều lớp: Nó bao gồm dây chuyền sản xuất cắt dọc và dây chuyền sản xuất cắt ngang, và dải thép silicon được xử lý thành một hình dạng nhất định của tấm thép silicon, sau đó tấm thép silicon được xếp chồng lên nhau theo một cách nhất định.

Lõi nhiều lớp có ba nhược điểm:

Trong mạch từ có các khe hở không khí được hình thành bởi nhiều khớp nối làm tăng điện trở từ của mạch từ, từ đó làm tăng tổn thất và dòng điện không tải.

Hướng của mạch từ ở một số nơi không phù hợp với hướng có tính thấm từ cao của dải thép silicon.

Việc thiếu độ kín giữa các lát cắt không chỉ làm giảm hệ số cán mà quan trọng hơn là làm tăng tiếng ồn.

Ảnh hưởng của quá trình đến tổn thất

Cắt dọc và cắt ngang làm tăng tổn thất ứng suất cơ học

Hướng của mạch từ trong góc không phù hợp với hướng của độ dẫn từ, làm tăng tổn hao rất nhiều

Các mối nối làm tăng tổn thất, đặc biệt là tăng dòng không tải

Hệ số quá trình là 1,15 ~ 1,3

 

3) Ảnh hưởng của cấu trúc đến mạch từ

Trong lõi ngăn truyền thống có khe hở không khí, mạch từ ghép giữa pha AC rõ ràng dài hơn 1/2 so với mạch từ của pha AB và pha BC, do đó mạch từ không cân bằng và điện trở từ của AC pha càng lớn. Khi đặt điện áp ba pha vào máy biến áp, lõi sẽ tạo ra từ thông cân bằng ba pha φA, φB và φC.

Khi từ thông của cân bằng ba pha đi qua mạch từ không cân bằng, độ sụt điện áp từ của pha A và C lớn, ảnh hưởng đến cân bằng điện áp ba pha. Sự mất cân bằng trong mạch từ này là một khiếm khuyết về cấu trúc không thể khắc phục được đối với máy biến áp phẳng.

 

4) Lõi sắt vết thương phẳng

Lõi quấn phẳng: Lõi sắt được sắp xếp phẳng bao gồm một hoặc nhiều khung đơn có lõi quấn.

Đặc điểm quy trình: Lõi vết thương phẳng trước tiên được quấn hai khung bên trong nhỏ hơn, sau khi kết hợp hai khung bên trong đã được quấn, sau đó quấn một khung bên ngoài lớn hơn trong thành phần bên ngoài của nó, ba cột lõi của lõi vết thương phẳng được sắp xếp trong một chiếc máy bay.

Khuyết tật cấu trúc lõi vết thương phẳng

Giống như lõi quấn phẳng và lõi nhiều lớp, ba cột lõi được sắp xếp trong một mặt phẳng, do đó chiều dài mạch từ của ba cột lõi không nhất quán: chiều dài mạch từ của cột giữa ngắn, mạch từ chiều dài của hai cột bên dài hơn và chiều dài mạch từ trung bình khoảng 20%, dẫn đến sự chênh lệch lớn về tổn thất không tải của ba cột lõi, tổn thất không tải của cột giữa thấp và tổn thất không tải của hai cột bên lớn dẫn đến trong sự mất cân bằng ba pha.

 

 

2.2 Lõi một pha và lõi ba pha

Lõi một pha có lõi nhiều lớp hai cột. Có năm loại lõi bốn cột loại một pha, lõi bốn cột một pha, lõi nhiều lớp loại hai pha một pha và lõi nhiều lớp loại bức xạ một pha. Có bốn loại lõi ba pha: lõi nhiều lớp cột ba pha, lõi năm cột ba pha, lõi nhiều lớp khung đôi ba pha và lõi nhiều lớp lò phản ứng ba pha.

Lõi sắt gồm hai phần: cột lõi sắt và ách sắt. Cột lõi được bọc bằng dây quấn, ách sắt nối cột lõi tạo thành mạch từ khép kín. Sơ đồ lõi của máy biến áp được thể hiện trên Hình 1, Hình 1a là máy biến áp một pha, Hình 1b là máy biến áp ba pha, kết cấu lõi có thể chia thành hai phần, C là phần của cuộn dây, gọi là cột lõi. Y dùng để đóng phần mạch từ gọi là ách. Máy biến áp một pha có hai cột lõi và máy biến áp ba pha có ba cột lõi.

 

 

Do từ thông trong lõi máy biến áp là từ thông xen kẽ nên để giảm tổn thất dòng điện xoáy, lõi máy biến áp thường được chế tạo từ các tấm thép silic có điện trở suất lớn thành một phoi sắt có kích thước nhất định, các tấm thép silic được cấu tạo từ lõi sắt được cắt thành hình dạng và kích thước theo yêu cầu, sau đó các tấm đục lỗ được kết hợp theo kiểu chồng lên nhau. Hình 2a thể hiện lõi sắt của máy biến áp một pha, mỗi lớp gồm 4 miếng đột lỗ. Hình 2b cho thấy lõi sắt của máy biến áp ba pha, mỗi lớp gồm có 6 mảnh và sự kết hợp của hai lớp chip mỗi lớp áp dụng một cách sắp xếp khác nhau để so le các khớp của từng lớp của mạch từ. Phương pháp lắp ráp này được gọi là lắp ráp chồng chéo và cách lắp ráp này có thể tránh được dòng điện xoáy giữa tấm thép và tấm thép. Và do mỗi lớp đục lỗ đan xen nhau nên có thể sử dụng ít ốc vít hơn để tạo kết cấu đơn giản khi ép lõi sắt. Trong quá trình lắp ráp, các tấm đột lỗ trước tiên được xếp chồng lên nhau để tạo thành một lõi sắt hoàn chỉnh, sau đó kẹp ách sắt phía dưới, tấm đột ách sắt phía trên được tháo ra để lộ cột lõi, cuộn dây đúc sẵn được đặt trên cột lõi và cuối cùng tấm đục lỗ ách sắt phía trên đã được tháo ra được lắp vào.

 

 

2.3 Vỏ và lõi lõi

Phần cuộn dây bọc trong lõi sắt gọi là “cột lõi”, phần cuộn dây không bọc chỉ đóng vai trò làm mạch từ được gọi là “ách sắt”. Trường hợp lõi sắt bao quanh cuộn dây gọi là loại vỏ; Nơi cuộn dây bao quanh cột lõi được gọi là loại lõi. Loại vỏ và loại lõi có những đặc điểm riêng, nhưng quy trình sản xuất máy biến áp được xác định bởi lõi sắt rất khác nhau và rất khó chuyển sang cấu trúc một khi đã chọn một cấu trúc nhất định. Hầu hết lõi máy biến áp ở nước ta đều sử dụng loại lõi xếp chồng lên nhau.

Theo cách sắp xếp cuộn dây trong lõi sắt, máy biến áp được chia thành loại lõi và loại vỏ. Khác nhau chủ yếu ở sự phân bố của mạch từ, ách của lõi biến áp vỏ bao quanh cuộn dây, lõi biến áp lõi hầu hết nằm trong cuộn dây, chỉ một phần ách sắt ở ngoài cuộn dây có tác dụng tạo thành từ trường. mạch.

 

 

 

Khi máy biến áp hoạt động bình thường, lõi sắt sẽ sinh ra nhiệt do hao hụt sắt, trọng lượng và thể tích của lõi sắt càng lớn thì nhiệt sinh ra càng nhiều. Nhiệt độ dầu máy biến áp trên 95 độ rất dễ bị lão hóa nên nhiệt độ bề mặt lõi phải được kiểm soát càng thấp càng tốt, điều này đòi hỏi cấu trúc tản nhiệt của lõi phải tản nhiệt nhanh chóng của lõi. Cấu trúc tản nhiệt chủ yếu là tăng bề mặt tản nhiệt của lõi sắt. Tản nhiệt của lõi sắt chủ yếu bao gồm tản nhiệt của kênh dầu lõi sắt và tản nhiệt của đường dẫn khí lõi sắt.

 

Ở các máy biến áp ngâm dầu có công suất lớn, các khe dầu thường được bố trí giữa các lớp của lõi sắt để tăng cường hiệu quả tản nhiệt. Thùng dầu được chia thành hai loại, một loại song song với tấm thép silicon, loại kia thẳng đứng với tấm thép, như trong Hình 4. Cách bố trí sau có tác dụng tản nhiệt tốt hơn nhưng kết cấu phức tạp hơn.

 

Trong lõi máy biến áp khô được làm mát bằng không khí, nhằm đảm bảo nhiệt độ lõi không vượt quá giá trị cho phép, người ta thường lắp đặt ở cột lõi và ống dẫn khí ách sắt.

 

 

 

Máy biến áp sẽ tạo ra tiếng ồn trong quá trình vận hành. Nguồn gốc của tiếng ồn thân máy biến áp là từ giảo của tấm thép silicon của lõi sắt, hoặc tiếng ồn của lõi máy biến áp về cơ bản là do từ giảo. Cái gọi là từ giảo dùng để chỉ sự tăng kích thước của tấm thép silicon dọc theo hướng của đường cảm ứng từ khi lõi sắt bị kích thích; Kích thước của tấm thép silicon giảm theo hướng vuông góc với đường cảm ứng từ và sự thay đổi kích thước này được gọi là hiện tượng từ giảo. Ngoài ra, cấu trúc và kích thước hình học của lõi sắt, quá trình gia công và sản xuất lõi sắt sẽ có ảnh hưởng nhất định đến độ ồn của nó.

 

Có thể giảm độ ồn của lõi sắt bằng các biện pháp kỹ thuật sau :(1) Việc sử dụng tấm thép silic chất lượng cao có tỷ số từ giảo nhỏ giá trị ε. (2) Giảm mật độ từ thông của lõi. (3) Cải thiện cấu trúc của lõi sắt. (4) Chọn kích thước lõi hợp lý. (5) Áp dụng công nghệ xử lý tiên tiến.

 

 

Trong hoạt động bình thường của máy biến áp, điện trường hình thành giữa cuộn dây tích điện, dây dẫn và bình nhiên liệu là điện trường không đều, lõi sắt và các bộ phận kim loại của nó nằm trong điện trường. Do điện thế cảm ứng tĩnh điện là khác nhau nên thế năng lơ lửng của lõi sắt và các bộ phận kim loại của nó không giống nhau, khi hiệu điện thế giữa hai điểm có thể phá vỡ lớp cách điện giữa chúng sẽ tạo ra tia lửa điện. Sự phóng điện này có thể làm hỏng dầu của máy biến áp và làm hỏng lớp cách điện rắn. Để tránh điều này, cả lõi và các thành phần kim loại của nó phải được nối đất chắc chắn.

 

Lõi phải được nối đất một chút. Khi lõi sắt hoặc các thành phần kim loại khác được nối đất ở hai điểm trở lên, giữa các điểm nối đất sẽ hình thành một vòng khép kín, tạo thành vòng tuần hoàn, dòng điện có khi lên tới hàng chục ampe sẽ gây quá nhiệt cục bộ, dẫn đến phân hủy dầu, cũng có thể làm cầu chì dải đất, đốt cháy lõi, những điều này không được phép. Vì vậy, lõi phải được nối đất, và phải được nối đất một chút.

 

 

Sự ra đời của lõi sắt nano tinh thể và vô định hình cung cấp vật liệu lý tưởng cho các máy biến áp trung và cao tần. Với sự phát triển của ngành công nghiệp, tần số hoạt động của nguồn điện đã tăng lên 20kHz và công suất đầu ra đã vượt quá 30kW. Vật liệu cốt lõi truyền thống như tấm thép silicon có tổn thất lớn và không thể đáp ứng các yêu cầu mới về cung cấp điện.

 

Lõi tinh thể nano vô định hình và gốc sắt có các đặc tính cảm ứng từ bão hòa cao, độ thấm cao, tổn thất thấp, ổn định nhiệt độ tốt, bảo vệ môi trường, v.v. và có giá trị ứng dụng quan trọng trong máy biến áp tần số cao công suất cao.

 

 

 

6.1 Lõi tinh thể nano

Vật liệu tinh thể nano chủ yếu bao gồm sắt, crom, đồng, silicon, boron và các nguyên tố khác, và các thành phần hợp kim cụ thể này được chế tạo thành trạng thái vô định hình bằng công nghệ làm nguội nhanh, sau đó được xử lý nhiệt để tạo thành các hạt có kích thước nano.

Lõi tinh thể nano thể hiện các đặc tính từ tính và độ ổn định nhiệt độ tuyệt vời, đặc biệt thích hợp để thay thế ferrite trong các máy biến áp có dải tần dưới 20kHz đến 50kHz.

Vật liệu tinh thể nano có điện trở suất 90 μ Ω.cm (sau khi xử lý nhiệt) và nhờ cấu trúc nano của nó, nó kết hợp các ưu điểm của thép silicon, permalloy và ferit.

 

 

 

Độ dày của vật liệu từ mềm mềm tinh thể nano sắt thông thường là khoảng 30μm. Do tính giòn và nhạy cảm với ứng suất nên tính chất từ ​​sẽ bị giảm đáng kể khi chịu tác động của ngoại lực trong quá trình gia công và sử dụng. Do đó, lõi tinh thể nano thường được chế tạo thành hình vòng hoặc hình móng ngựa và được đặt trong lớp vỏ bảo vệ. Chất liệu vỏ bảo vệ sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất tản nhiệt của lõi tinh thể nano.

Lõi tinh thể nano mới đã được ứng dụng cho máy biến áp, độ dày của vật liệu tinh thể nano chỉ 24μm, lõi được xử lý nhiệt sau xử lý nhiệt có ưu điểm vượt trội so với lõi máy biến áp truyền thống:

Lõi tinh thể nano mới được phủ một lớp màng cách điện, đạt được độ bền cần thiết cho cuộn dây và có thể quấn trực tiếp vào máy biến áp.

Lõi tinh thể nano được xử lý loại bỏ lớp vỏ bảo vệ, cung cấp nhiều không gian hơn cho tản nhiệt và cải thiện độ an toàn vận hành của máy biến áp.

Thiết kế này làm giảm ảnh hưởng của vật liệu vỏ bảo vệ lên lõi tinh thể nano, đồng thời tiết kiệm thiết kế cấu trúc và thời gian hình thành của lớp vỏ bảo vệ.

Thiết kế lõi tinh thể nano có thể linh hoạt hơn, cung cấp nhiều hình dạng khác nhau như lõi hình tròn, hình chữ nhật và hình chữ C, mang lại nhiều lựa chọn hơn cho thiết kế máy biến áp và quy trình cuộn dây tiếp theo.

 

6.2 Lõi từ vô định hình

Vật liệu vô định hình được sản xuất bằng công nghệ làm nguội cực nhanh với tốc độ làm nguội khoảng một triệu độ mỗi giây. Công nghệ này làm cứng thép nóng chảy chỉ trong một lần tôi thành dải hợp kim có độ dày 30 micron. Do tốc độ làm nguội nhanh nên kim loại không có thời gian để kết tinh, dẫn đến không có hạt hoặc ranh giới hạt trong hợp kim, dẫn đến hình thành cái gọi là hợp kim vô định hình.

Kim loại vô định hình có cấu trúc vi mô độc đáo khác với kim loại thông thường, thành phần và cấu trúc rối loạn của nó mang lại cho nó nhiều đặc tính độc đáo, như từ tính tuyệt vời, chống ăn mòn, chống mài mòn, độ bền cao, độ cứng, độ dẻo dai, điện trở suất cao, hệ số ghép cơ điện cao , vân vân.

 

 

 

Các thành phần chính của lõi vô định hình gốc sắt là sắt, silicon và boron, trong đó hàm lượng silicon cao tới 5,3% và cấu trúc độc đáo của trạng thái vô định hình, điện trở suất của nó là 130 μΩ.cm, gấp đôi con số đó của tấm thép silicon (47 μΩ.cm).

Độ dày của vật liệu vô định hình gốc sắt được sử dụng trong lõi vô định hình là khoảng 30nm, mỏng hơn nhiều so với độ dày của tấm thép silicon nên tổn thất dòng điện xoáy nhỏ khi hoạt động ở tần số cao. Ở dải tần 400Hz ~ 10kHz, tổn thất chỉ bằng 1/3 ~ 1/7 tấm thép silicon. Đồng thời, độ thấm của lõi sắt vô định hình gốc sắt cao hơn nhiều so với lõi sắt truyền thống.

Do những ưu điểm này, lõi vô định hình có thể giảm hơn 50% trọng lượng của máy biến áp và tăng nhiệt độ lên 50%.

Sau nhiều năm phát triển, lõi sắt vô định hình và tinh thể nano đã được sử dụng rộng rãi trong các máy biến áp tần số cao, máy biến dòng, nguồn điện chuyển mạch, thiết bị tương thích điện từ và các ứng dụng khác.