Le noyau de fer du transformateur

 

Le noyau est la partie principale du circuit magnétique du transformateur. Il est généralement composé de tôles d'acier au silicium laminées à chaud ou à froid, à haute teneur en silicium et dont la surface est recouverte d'une peinture isolante. Le noyau de fer et les bobines qui l’entourent constituent un système d’induction électromagnétique complet. La quantité de puissance transmise par le transformateur de puissance dépend du matériau et de la section transversale du noyau de fer.

 

 

2.1 Noyau enroulé et noyau laminé

2.1.1 noyau de fer enroulé

Le noyau enroulé est couramment utilisé dans les transformateurs de petite et moyenne taille (inférieurs à 1 000 kVA), les transformateurs, les amplificateurs magnétiques et les transformateurs de courant homopolaire des protecteurs de fuite.

 

Les matériaux utilisés pour le noyau enroulé sont des tôles d'acier au silicium ultra-minces laminées à froid à haute perméabilité et une bande magnétique douce telle que le permalloy. L'épaisseur de la tôle d'acier au silicium est de 0,18~0,30 ; L'épaisseur de la bande Permalloy est de 0,03 ~ 0,10 mm. En prenant comme exemple les transformateurs de petite et moyenne taille, l'utilisation de noyaux bobinés présente les avantages suivants :

1) Dans les mêmes conditions, la perte à vide du noyau enroulé est réduite de 7 % à 10 % par rapport au noyau laminé ; Le courant à vide peut être réduit de 50 % à 75 %.

2) Le noyau enroulé peut être constitué de tôles d'acier au silicium laminées à froid très fines et à haute perméabilité, ce qui peut produire des transformateurs avec des pertes moindres.

3) Le noyau enroulé a une bonne aptitude au traitement, aucun déchet de cisaillement et le taux d'utilisation est de près de 100 %. Il peut également adopter un fonctionnement mécanisé, éliminant le processus d'empilage, et l'efficacité de production est 5 à 10 fois supérieure à celle du noyau laminé.

4) Le noyau enroulé lui-même est un tout, n'a pas besoin d'être fixé par des pièces de support de serrage et n'a pas de joint, donc dans les mêmes conditions que le noyau laminé, le bruit du transformateur peut être réduit de 5 à 10 dB.

5) Le coefficient de processus du transformateur monophasé à noyau enroulé est d'environ 1,1 ; Triphasé en dessous de 1,15 ; Pour les noyaux de fer laminés, le coefficient de traitement de petite capacité est d'environ 1,45 et le coefficient de traitement de grande capacité est d'environ 1,15. Le noyau bobiné est donc particulièrement adapté aux transformateurs de petite et moyenne taille.

 

 

2.1.2 noyaux de fer laminés

Définition

Le noyau de fer laminé est un composant clé utilisé dans les transformateurs de puissance, les inductances, les transformateurs et autres équipements électriques. Il est composé de plusieurs feuilles, avec une perméabilité élevée et une faible perte d'hystérésis, ce qui peut améliorer efficacement l'efficacité de travail et la stabilité des performances de l'équipement.

 

Structure du noyau de fer laminé

Un noyau laminé est constitué de plusieurs feuilles, chacune constituée d'un matériau hautement perméable, tel que l'acier au silicium. Ces feuilles sont séparées par un matériau isolant pour former une structure unique. Les noyaux de fer laminé sont généralement de forme rectangulaire ou circulaire pour s'adapter aux exigences des différents équipements. Dans le processus de fabrication du noyau de fer laminé, il est également nécessaire de prendre en compte des facteurs tels que l'épaisseur de la tôle, la sélection des matériaux isolants et le processus de traitement pour garantir ses performances et sa fiabilité. Le noyau de fer constitue un circuit magnétique fermé dans le transformateur, et c'est également le squelette de la bobine d'installation, qui est un élément très important pour les performances électromagnétiques et la résistance mécanique du transformateur. Le noyau de fer est la partie du circuit magnétique du transformateur, qui est composée d'une colonne de noyau de fer (enroulement placé sur la colonne) et d'une culasse de fer (reliant le noyau de fer pour former un circuit magnétique fermé). Afin de réduire les pertes par courants de Foucault et par hystérésis et d'améliorer la conductivité magnétique du circuit magnétique, le noyau de fer est constitué de {{0}} tôle d'acier au silicium de 0,35 mm ~ 0,5 mm d'épaisseur recouverte d'une peinture isolante. La petite section du noyau du transformateur est rectangulaire ou carrée, et la grande section du noyau du transformateur est étagée, ce qui permet d'utiliser pleinement l'espace.

 

Caractéristiques principales laminées

Étant donné que le noyau et l'enroulement du transformateur à noyau feuilleté sont fabriqués séparément, le noyau est empilé en premier, puis la culasse supérieure est retirée, puis l'isolation du noyau et la bobine sont installées, et la bobine et le poteau du noyau sont soutenus par un renfort. et enfin le joug de fer est inséré pour compléter l'assemblage du corps.

 

La structure du transformateur à noyau feuilleté présente les caractéristiques suivantes :

1. La direction de serrage du noyau est la direction de l’épaisseur de la feuille centrale, qui peut bien serrer le noyau ;

2. Pour la bobine cylindrique à double couche, la couche interne de la bobine n'a pas de squelette de bobine ;

3. Étant donné que l'étrier en fer supérieur est retiré lors de l'installation, la colonne centrale et la bobine peuvent être facilement serrées à l'aide d'un support ;

4. La bobine est enroulée séparément et la bobine peut être plongée séparément après l'enroulement.

 

 

2.1.3 Comparaison du noyau enroulé triangulaire tridimensionnel, du noyau laminé et du noyau enroulé plat

1) Noyau de fer enroulé triangulaire tridimensionnel

Noyau enroulé tridimensionnel : arrangement tridimensionnel triangulaire d'un noyau de fer composé de trois noyaux enroulés à cadre unique de même taille géométrique.

Transformateur à noyau enroulé tridimensionnel : transformateur de distribution avec noyau enroulé tridimensionnel comme circuit magnétique.

Caractéristiques du processus : L'ensemble du noyau de fer est constitué de trois cadres simples identiques et les trois colonnes centrales du noyau de fer sont disposées dans un triangle équilatéral. Chaque cadre est constitué d'un certain nombre de courroies en matériau trapézoïdal enroulées successivement. La section transversale du cadre unique après enroulement est proche du semi-circulaire, et la section transversale après division est très proche du quasi-polygone du cercle entier. La ceinture matérielle trapézoïdale de différentes tailles du cadre unique est enroulée par la machine de découpe spéciale à ligne pliante. Ce type de traitement de découpe peut être effectué sans traitement de matériau, c'est-à-dire que lors de la découpe, le taux d'utilisation du matériau est de 100 %.

 

2) Noyau de fer laminé

Noyau de fer laminé : il est composé d'une ligne de production de cisaillement longitudinal et d'une ligne de production de cisaillement transversal, et la bande d'acier au silicium est transformée en une certaine forme de tôle d'acier au silicium, puis la tôle d'acier au silicium est empilée d'une certaine manière.

Le noyau laminé présente trois inconvénients :

Il existe des entrefers formés par de nombreux joints dans le circuit magnétique, ce qui augmente la résistance magnétique du circuit magnétique, augmentant ainsi la perte et le courant à vide.

La direction du circuit magnétique à certains endroits n'est pas cohérente avec la direction de la perméabilité magnétique élevée de la bande d'acier au silicium.

Le manque d’étanchéité entre les tranches réduit non seulement le coefficient de laminage, mais surtout augmente le bruit.

Effet du processus sur la perte

Le cisaillement longitudinal et le cisaillement transversal produisent une perte de contrainte mécanique accrue

La direction du circuit magnétique dans le coin ne correspond pas à la direction de la conductivité magnétique, ce qui augmente considérablement la perte

Les joints augmentent la perte, en particulier l'augmentation du courant à vide

Le coefficient de processus est de 1,15 ~ 1,3

 

3) L'influence de la structure sur le circuit magnétique

Dans le noyau de pile traditionnel avec entrefer, le circuit magnétique de couplage entre la phase AC est évidemment 1/2 plus long que le circuit magnétique de la phase AB et de la phase BC, donc le circuit magnétique est déséquilibré, et la résistance magnétique du AC la phase est plus grande. Lorsqu'une tension triphasée est appliquée au transformateur, le noyau produit un flux magnétique triphasé équilibré φA, φB et φC.

Lorsque le flux magnétique de l'équilibre triphasé traverse le circuit magnétique déséquilibré, la chute de tension magnétique des phases A et C est importante, ce qui affecte l'équilibre de tension triphasé. Ce déséquilibre du circuit magnétique constitue un défaut structurel insurmontable pour les transformateurs planaires.

 

4) Noyau de fer enroulé plat

Noyau enroulé plat : Un noyau de fer disposé à plat composé d'un ou plusieurs cadres simples avec des noyaux enroulés.

Caractéristiques du processus : le noyau enroulé plat est d'abord enroulé sur deux cadres intérieurs plus petits, après la combinaison de deux cadres intérieurs qui ont été enroulés, puis enroulé sur un cadre extérieur plus grand dans sa composition externe, les trois colonnes centrales du noyau enroulé plat sont disposées dans un avion.

Défauts de structure du noyau enroulé plat

Tout comme le noyau enroulé plat et le noyau laminé, les trois colonnes centrales sont disposées dans un plan, de sorte que la longueur du circuit magnétique des trois colonnes centrales est incohérente : la longueur du circuit magnétique de la colonne centrale est courte, le circuit magnétique la longueur des deux colonnes latérales est plus longue et la longueur moyenne du circuit magnétique est d'environ 20 %, ce qui entraîne une grande différence dans la perte à vide des trois colonnes centrales, la perte à vide de la colonne centrale est faible, et la perte à vide du deux colonnes latérales est grande, ce qui entraîne un déséquilibre triphasé.

 

 

2.2 Noyaux monophasés et triphasés

Le noyau monophasé possède un seul noyau laminé à deux colonnes. Il existe cinq types de noyau à quatre colonnes monophasé à colonne unique de type à culasse latérale, à noyau laminé de type monophasé à double colonne et de noyau laminé de type radiant monophasé. Il existe quatre types de noyau triphasé : noyau laminé à colonne triphasé, noyau laminé à cinq colonnes à culasse latérale triphasée, noyau laminé à double cadre triphasé et noyau laminé de réacteur triphasé.

Le noyau de fer se compose de deux parties : une colonne de noyau de fer et un joug de fer. La colonne centrale est recouverte d'un enroulement et le joug en fer relie la colonne centrale pour former un circuit magnétique fermé. Le plan du noyau du transformateur est illustré à la figure 1, la figure 1a est un transformateur monophasé, la figure 1b est un transformateur triphasé, la structure du noyau peut être divisée en deux parties, C est la partie de la bobine, appelée le colonne centrale. Y sert à fermer la partie du circuit magnétique, appelée culasse. Le transformateur monophasé a deux colonnes centrales et le transformateur triphasé a trois colonnes centrales.

 

 

Étant donné que le flux magnétique dans le noyau du transformateur est un flux magnétique alternatif, afin de réduire les pertes par courants de Foucault, le noyau du transformateur est généralement constitué de tôles d'acier au silicium à grande résistivité dans une certaine taille de copeaux de fer, les tôles d'acier au silicium composées de le noyau de fer est découpé dans la forme et la taille requises, puis la feuille de poinçonnage est combinée de manière superposée. La figure 2a montre le noyau de fer d'un transformateur monophasé, chaque couche étant constituée de 4 pièces de poinçonnage. La figure 2b montre le noyau de fer du transformateur triphasé, chaque couche est composée de 6 pièces, et la combinaison de chacune des deux couches de la puce applique un agencement différent pour décaler les joints de chaque couche du circuit magnétique. Cette méthode d'assemblage est appelée assemblage par chevauchement, et cet assemblage peut éviter la circulation des courants de Foucault entre la tôle d'acier et la tôle d'acier. Et comme chaque couche de poinçonnage est entrelacée, moins de fixations peuvent être utilisées pour simplifier la structure lors du pressage du noyau de fer. Lors de l'assemblage, les plaques de poinçonnage sont d'abord empilées pour former un noyau de fer entier, puis l'étrier de fer inférieur est serré, la plaque de poinçonnage de l'étrier de fer supérieur est retirée pour exposer la colonne de noyau, l'enroulement préfabriqué est placé sur la colonne de noyau et enfin, la plaque de poinçonnage de l'arcade supérieure en fer extraite est insérée.

 

 

2.3 Noyaux de coque et de noyau

La partie de l'enroulement plaqué dans le noyau de fer est appelée « colonne de noyau », et la partie de l'enroulement non plaqué qui joue uniquement le rôle de circuit magnétique est appelée « culasse de fer ». Lorsque le noyau de fer entoure l’enroulement, on parle de type coque ; L'endroit où l'enroulement entoure la colonne centrale est appelé type de noyau. Le type de coque et le type de noyau ont leurs propres caractéristiques, mais le processus de fabrication du transformateur déterminé par le noyau de fer est très différent et il est difficile de se tourner vers une structure une fois qu'une certaine structure est sélectionnée. La plupart des noyaux de transformateur dans notre pays adoptent un type de noyau empilé.

Selon la disposition de l'enroulement dans le noyau de fer, le transformateur est divisé en type noyau et type coque. La différence réside principalement dans la distribution du circuit magnétique, la culasse du noyau du transformateur à coque entoure la bobine, le noyau du transformateur à noyau se trouve principalement dans la bobine, seule une partie de la culasse en fer à l'extérieur de la bobine, qui est utilisée pour former le circuit magnétique. circuit.

 

 

 

Lorsque le transformateur fonctionne normalement, le noyau de fer générera de la chaleur en raison de l'existence d'une perte de fer, et plus le poids et le volume du noyau de fer sont importants, plus la chaleur sera générée. La température de l'huile du transformateur supérieure à 95 degrés est facile à vieillir, de sorte que la température de la surface du noyau doit être contrôlée autant que possible en dessous de cette température, ce qui nécessite que la structure de dissipation thermique du noyau dissipe rapidement la chaleur du noyau. La structure de dissipation thermique vise principalement à augmenter la surface de dissipation thermique du noyau de fer. La dissipation thermique du noyau de fer comprend principalement la dissipation thermique du canal d'huile du noyau de fer et la dissipation thermique des voies respiratoires du noyau de fer.

 

Dans les transformateurs immergés dans l'huile de grande capacité, des fentes d'huile sont souvent disposées entre les stratifiés du noyau de fer pour améliorer l'effet de dissipation thermique. Le réservoir d'huile est divisé en deux types, l'un est parallèle à la tôle d'acier au silicium et l'autre est vertical par rapport à la tôle d'acier, comme le montre la figure 4. Cette dernière disposition a un meilleur effet de dissipation thermique, mais la structure est plus complexe.

 

Dans le noyau sec du transformateur se trouve le refroidissement par air, afin de garantir que la température du noyau ne dépasse pas la valeur admissible, souvent installé dans la colonne centrale et le conduit d'air du joug en fer.

 

 

 

Le transformateur produira du bruit pendant le fonctionnement. La source du bruit du corps du transformateur est la magnétostriction de la tôle d'acier au silicium du noyau de fer, ou le bruit du noyau du transformateur est essentiellement causé par la magnétostriction. La magnétostriction fait référence à l'augmentation de la taille de la tôle d'acier au silicium dans la direction de la ligne d'induction magnétique lorsque le noyau de fer est excité ; La taille de la tôle d'acier au silicium diminue dans la direction perpendiculaire à la ligne d'inductance magnétique, et ce changement de taille est appelé magnétostriction. De plus, la structure et la taille géométrique du noyau de fer, ainsi que le processus de traitement et de fabrication du noyau de fer auront un certain degré d'impact sur son niveau sonore.

 

Le niveau de bruit du noyau de fer peut être réduit par les mesures techniques suivantes : (1) L'utilisation de tôles d'acier au silicium de haute qualité avec une faible valeur de rapport magnétostrictif ε. (2) Réduisez la densité de flux magnétique du noyau. (3) Améliorer la structure du noyau de fer. (4) Sélectionnez une taille de noyau raisonnable. (5) Adopter une technologie de traitement avancée.

 

 

Dans le fonctionnement normal du transformateur, le champ électrique formé entre l'enroulement chargé et le fil conducteur et le réservoir de carburant est un champ électrique inégal, et le noyau de fer et ses parties métalliques sont dans le champ électrique. Étant donné que le potentiel d'induction électrostatique est différent, le potentiel de suspension du noyau de fer et de ses parties métalliques n'est pas le même, et lorsque la différence de potentiel entre les deux points est capable de briser l'isolation entre eux, une décharge d'étincelle est générée. Cette décharge peut décomposer l'huile du transformateur et endommager l'isolation solide. Pour éviter cela, le noyau et ses composants métalliques doivent être mis à la terre de manière fiable.

 

Le noyau doit être légèrement mis à la terre. Lorsque le noyau de fer ou d'autres composants métalliques sont mis à la terre en deux points ou plus, une boucle fermée se formera entre les points de terre, formant une circulation, le courant peut parfois atteindre des dizaines d'ampères, provoquera une surchauffe locale, conduisant à la décomposition de l'huile peut également faire fondre la bande de terre, brûler le noyau, cela n'est pas autorisé. Par conséquent, le noyau doit être mis à la terre, et il doit être un peu mis à la terre.

 

 

L’avènement des noyaux de fer nanocristallins et amorphes fournit des matériaux idéaux pour les transformateurs moyenne et haute fréquence. Avec le développement de l'industrie, la fréquence de fonctionnement de l'alimentation électrique a été augmentée à 20 kHz et la puissance de sortie a dépassé 30 kW. Les matériaux de base traditionnels tels que la tôle d'acier au silicium présentent des pertes importantes et ne peuvent pas répondre aux nouvelles exigences d'alimentation électrique.

 

Le noyau nanocristallin amorphe et à base de fer présente les caractéristiques d'une induction magnétique à saturation élevée, d'une perméabilité élevée, d'une faible perte, d'une bonne stabilité de température, d'une protection de l'environnement, etc., et présente une valeur d'application importante dans les transformateurs haute fréquence de puissance élevée.

 

 

 

6.1 Noyau nanocristallin

Les matériaux nanocristallins sont principalement composés de fer, de chrome, de cuivre, de silicium, de bore et d'autres éléments, et ces composants d'alliage spécifiques sont transformés en états amorphes par une technologie de trempe rapide, puis traités thermiquement pour former des grains à l'échelle nanométrique.

Le noyau nanocristallin présente d'excellentes propriétés magnétiques et stabilité en température, et est particulièrement adapté au remplacement de la ferrite dans les transformateurs en dessous de la plage de fréquences de 20 kHz à 50 kHz.

Le matériau nanocristallin présente une résistivité de 90 μ Ω.cm (après traitement thermique) et combine grâce à sa nanostructure les avantages de l'acier au silicium, du permalloy et de la ferrite.

 

 

 

L'épaisseur des matériaux magnétiques doux nanocristallins de fer courants est d'environ 30 μm. En raison de sa fragilité et de sa sensibilité aux contraintes, les propriétés magnétiques seront considérablement réduites lorsqu'elles seront soumises à des forces externes pendant le traitement et l'utilisation. Par conséquent, le noyau du nanocristal est généralement transformé en forme d’anneau ou de fer à cheval et placé dans une coque protectrice. Le matériau de la coque de protection affectera les performances de dissipation thermique du noyau nanocristallin.

Le nouveau noyau nanocristallin a été appliqué aux transformateurs, l'épaisseur du matériau nanocristallin n'est que de 24 μm et le noyau durci après traitement thermique présente des avantages significatifs par rapport au noyau de transformateur traditionnel :

Le nouveau noyau nanocristallin est recouvert d'un film isolant qui atteint la résistance requise pour l'enroulement et peut être enroulé directement dans les transformateurs.

Le noyau nanocristallin durci élimine le boîtier de protection, offrant ainsi plus d'espace pour la dissipation thermique et améliorant la sécurité de fonctionnement du transformateur.

Cette conception réduit l'influence du matériau de la coque protectrice sur le noyau nanocristallin et permet d'économiser la conception structurelle et le temps de formation de la coque protectrice.

La conception du noyau nanocristallin peut être plus flexible, offrant une variété de formes telles qu'un noyau en anneau, rectangulaire et en forme de C, offrant ainsi plus d'options pour la conception du transformateur et le processus d'enroulement ultérieur.

 

6.2 Noyau magnétique amorphe

Le matériau amorphe est produit à l’aide d’une technologie de trempe ultra-rapide avec une vitesse de refroidissement d’environ un million de degrés par seconde. Cette technologie solidifie l'acier en fusion en une seule trempe en une bande d'alliage d'une épaisseur de 30 microns. En raison de la vitesse de refroidissement rapide, le métal n'a pas le temps de cristalliser, ce qui entraîne l'absence de grains ou de joints de grains dans l'alliage, ce qui entraîne la formation d'alliages dits amorphes.

Le métal amorphe a une microstructure unique qui est différente du métal conventionnel, et sa composition et sa structure désordonnée lui confèrent de nombreuses propriétés uniques, telles qu'un excellent magnétisme, une résistance à la corrosion, une résistance à l'usure, une résistance élevée, une dureté, une ténacité, une résistivité élevée, un coefficient de couplage électromécanique élevé. , etc.

 

 

 

Les principaux composants du noyau amorphe à base de fer sont le fer, le silicium et le bore, dont la teneur en silicium atteint 5,3 %, et la structure unique de l'état amorphe, sa résistivité est de 130 μΩ.cm, soit le double de celle de la tôle d'acier au silicium (47 μΩ.cm).

L'épaisseur du matériau amorphe à base de fer utilisé dans le noyau amorphe est d'environ 30 nm, ce qui est beaucoup plus fin que l'épaisseur de la tôle d'acier au silicium, de sorte que la perte par courants de Foucault est faible en fonctionnement à haute fréquence. Dans la plage de fréquences de 400 Hz à 10 kHz, la perte n'est que de 1/3 à 1/7 de la tôle d'acier au silicium. Dans le même temps, la perméabilité du noyau de fer amorphe à base de fer est beaucoup plus élevée que celle du noyau de fer traditionnel.

Grâce à ces avantages, le noyau amorphe peut réduire le poids du transformateur de plus de 50 % et l'augmentation de la température de 50 %.

Après des années de développement, les noyaux de fer amorphe et nanocristallin ont été largement utilisés dans les transformateurs haute fréquence, les transformateurs de courant, les alimentations à découpage, les équipements de compatibilité électromagnétique et d'autres applications.