Почему сердечники из аморфного сплава обеспечивают меньшие потери холостого хода, чем кремнистая сталь

Трансформатор с аморфным сплавом с низкими потерями снижает потери холостого хода главным образом потому, что материал его сердечника требует меньше энергии для изменения направления намагничивания в каждом цикле переменного тока. Различие начинается на атомном уровне. Кремнистая сталь имеет упорядоченную кристаллическую структуру, тогда как аморфный сплав быстро затвердевает в тонкую ленту до образования кристаллов. Его атомы остаются расположенными неупорядоченно, что обеспечивает материалу значительно меньшее сопротивление повторному намагничиванию и размагничиванию.

Потери холостого хода существуют всякий раз, когда трансформатор находится под напряжением, даже если его вторичная сторона обеспечивает малую нагрузку или не обеспечивает ее вовсе. Поэтому они в основном определяются сердечником, приложенным напряжением, частотой, плотностью магнитного потока, состоянием материала и качеством сборки сердечника. Сопротивление обмоток мало влияет на эту категорию потерь. Следовательно, сравнение аморфного сплава и кремнистой стали должно быть сосредоточено на магнитных характеристиках, а не только на номинальной выходной мощности.

Перемещение магнитных доменов требует меньше энергии

Ферромагнитные материалы содержат магнитные домены — небольшие области, магнитные моменты которых внутренне выровнены. При подаче переменного напряжения на обмотку трансформатора магнитный поток сердечника меняет направление в каждом полупериоде. В ответ перемещаются доменные стенки и поворачиваются ориентации доменов. Энергия, затрачиваемая в этом повторяющемся процессе, превращается в потери на гистерезис.

Анизотропная кремнистая сталь разработана для эффективного направления магнитного потока вдоль направления прокатки. Она остается эффективным материалом для сердечников трансформаторов, особенно там, где важны механическая прочность, отработанные методы обработки и компактная геометрия сердечника. Однако ее кристаллические зерна, границы зерен и кристаллическая анизотропия создают препятствия для движения доменов. Для перемагничивания требуется измеримое магнитное поле, представленное площадью, заключенной петлей гистерезиса материала.

Аморфный сплав не имеет дальнего кристаллического порядка и обычных границ зерен. Отсутствие регулярной кристаллической структуры уменьшает магнитокристаллическую анизотропию, поэтому магнитные домены сталкиваются с меньшим количеством фиксированных структурных препятствий при переориентации. Соответственно, его петля гистерезиса имеет малую ширину. Меньшая площадь петли означает меньшую энергию, рассеиваемую за цикл намагничивания, что напрямую снижает гистерезисную составляющую потерь холостого хода.

Это свойство материала особенно существенно, поскольку распределительный трансформатор может оставаться под напряжением большую часть срока службы. Потери нагрузки возрастают и снижаются вместе с током, тогда как потери в сердечнике сохраняются всякий раз при наличии номинального напряжения. Поэтому даже умеренное снижение непрерывно возникающих потерь может иметь эксплуатационное значение в течение длительных периодов нахождения под напряжением.

Тонкие ленты подавляют циркулирующие вихревые токи

Потери в сердечнике также включают потери на вихревые токи. Изменяющийся магнитный поток индуцирует напряжения в самом проводящем материале сердечника. Эти напряжения вызывают локальные циркулирующие токи, а их резистивный нагрев потребляет энергию. Потери на вихревые токи сильно зависят от толщины пластин, электрического сопротивления, частоты и плотности магнитного потока.

Сердечники из кремнистой стали собираются из изолированных пластин для прерывания путей этих токов. Такой подход эффективен, однако отдельные листы существенно толще аморфной металлической ленты. Аморфный сплав обычно изготавливается в виде очень тонкой полосы, затем покрывается изоляционным слоем и наматывается в сердечник. Малый размер по толщине ленты резко ограничивает площадь, доступную для петель индуцированных токов.

Состав аморфного сплава также обладает сравнительно высоким электрическим сопротивлением. В сочетании с толщиной ленты это свойство снижает составляющую вихревых токов, не полагаясь исключительно на межслойную изоляцию. В результате преимущество обеспечивается на уровне материала, а не создается только изменением внешней конфигурации трансформатора.

Ни один из этих эффектов не следует рассматривать изолированно. Материал с низким гистерезисом все равно может иметь избыточные потери на вихревые токи, если изоляция ленты повреждена или при сборке сердечника образованы проводящие мостики. И наоборот, одни лишь тонкие пластины не обеспечивают низкогистерезисное поведение, характерное для аморфного металла. Снижение потерь холостого хода достигается сочетанием низкой коэрцитивности, высокого электрического сопротивления и очень тонкой изолированной ленты.

Плотность магнитного потока изменяет условия сравнения

Аморфный сплав обычно не выбирают путем простой замены кремнистой стали равной массой материала. Его индукция насыщения ниже, чем у распространенных марок электротехнической стали. Чтобы избежать приближения к насыщению при номинальном напряжении, в конструкции трансформатора часто используют большее эффективное сечение сердечника или работают при более низкой плотности магнитного потока. Такая геометрия влияет на распределение окна сердечника, размеры обмоток, компоновку бака, акустические характеристики и общую массу.

Это частый источник вводящих в заблуждение сравнений. Сердечник из кремнистой стали меньшего размера и более крупный аморфный сердечник могут иметь одинаковую номинальную мощность, но их плотность магнитного потока, токи возбуждения и производственные ограничения могут различаться. Сравнение значений потерь только с номиналом трансформатора в kVA скрывает фактическую основу конструкции. Корректным является сравнение комплектных трансформаторов, испытанных при одинаковой форме напряжения, частоте, положении ответвления, температурных условиях и применимом методе испытаний.

Чувствительность к напряжению также заслуживает внимания. Магнитный поток сердечника приблизительно пропорционален приложенному напряжению, деленному на частоту. Длительное перенапряжение, работа на пониженной частоте или гармонические искажения напряжения могут увеличить пиковый поток и повысить потери возбуждения. Поскольку аморфные конструкции часто оптимизированы для контролируемой номинальной плотности магнитного потока, необходимо учитывать условия напряжения на объекте, а не считать их идеальными.

Гармоники не одинаково влияют на все механизмы потерь. Компоненты магнитного потока более высокой частоты обычно усиливают эффекты вихревых токов, тогда как пики формы волны могут приблизить локальные участки сердечника к насыщению. Низкие потери холостого хода на основной частоте не позволяют автоматически прогнозировать поведение при сильно искаженном питании. Заявленная точка испытания трансформатора на потери холостого хода остается действительной, однако ее не следует считать универсальным представлением для любой формы волны.

Конструкция сердечника может сохранить или снизить преимущество материала

Аморфная лента тоньше и более чувствительна к механическим воздействиям, чем обычные пластины из кремнистой стали. Поэтому производственные детали имеют необычно прямую связь с конечными характеристиками. Изгиб, штамповка, чрезмерное усилие стяжки, локальные напряжения и грубое обращение могут создавать магнитно неблагоприятные состояния напряжения. Эти напряжения препятствуют перемещению доменов и увеличивают потери в сердечнике или шум, связанный с магнитострикцией.

Во многих сердечниках аморфных трансформаторов применяются намоточные или разрезные конструкции, поскольку ленту нельзя обрабатывать как стандартные штампованные пластины без ухудшения характеристик. После резки и формовки сердечнику может требоваться контролируемая термообработка для снятия внутренних напряжений и формирования требуемых магнитных характеристик. Затем стыки сердечника должны собираться с точным перекрытием и равномерным замыканием. Неплотно закрытый стык увеличивает локальное магнитное сопротивление, повышает ток намагничивания и может создавать локальную концентрацию магнитного потока.

Транспортировка и монтаж также имеют значение. Механический удар, ослабленные зажимные конструкции или чрезмерная вибрация могут изменить распределение напряжений в сердечнике. Эти проблемы не обязательно вызывают немедленную электрическую неисправность, однако они могут привести к отклонению слышимого шума или тока холостого хода от ожидаемых значений. При появлении неожиданно высокого результата потерь холостого хода расследование должно различать ошибку испытательной системы, влияние формы напряжения, состояние стыков сердечника, связанные с обмотками проблемы возбуждения и механические напряжения, возникшие после изготовления.

Показатели потерь требуют общей основы испытаний

Потери холостого хода измеряются при подаче номинального напряжения на одну обмотку, когда другая обмотка разомкнута. Измеренная входная мощность включает потери в сердечнике и небольшую величину потерь в обмотке, вызванных током возбуждения. Поскольку ток возбуждения сравнительно мал, преобладают потери в сердечнике, но схема испытания по-прежнему важна. Напряжение должно регулироваться, искажения формы волны должны контролироваться, а измерительное оборудование должно быть пригодно для условий низкого коэффициента мощности.

В протоколах испытаний должны быть четко указаны номинальное напряжение, частота, обмотка под напряжением, положение ответвления, измеренный ток холостого хода, а также использованная температура или правило коррекции. Значения без этого контекста трудно сравнивать. Трансформатор, рассчитанный на одну частоту, не следует оценивать по показателю потерь, полученному при другой частоте, а измерение при пониженном напряжении не может заменять результат потерь холостого хода при номинальном напряжении.

Меньшие потери холостого хода не устраняют компромиссы конструкции

Аморфный сплав наиболее целесообразен там, где трансформатор остается под напряжением длительные промежутки времени, а средняя нагрузка не определяет суммарные потери энергии. У непрерывно находящегося под напряжением агрегата, обслуживающего прерывистую нагрузку, имеется значительное количество часов, в течение которых потери в сердечнике составляют большую долю энергопотребления. При стабильно высокой нагрузке потери в обмотках, размер проводников, схема охлаждения и импеданс могут иметь больший вес в общем расчете эффективности.

Уровень шума также необходимо оценивать отдельно от потерь холостого хода. Магнитострикция вызывает изменения размеров при изменении магнитного потока, создавая вибрацию, которая может передаваться через сердечник, систему стяжки, бак и монтажную конструкцию. Выбор материала влияет на это поведение, однако уровень шума также зависит от геометрии сердечника, усилия сборки, резонанса и условий монтажа. Два трансформатора с аналогичными значениями потерь в сердечнике могут иметь разные акустические характеристики.

Для установок возобновляемой энергетики и объектов электросетевой инфраструктуры при выборе трансформатора также следует учитывать рабочий профиль подключенного оборудования. Контейнерная система хранения энергии, такая как контейнерная система накопления энергии с жидкостным охлаждением 1MW/2MWh, может создавать изменяющиеся токи заряда и разряда, тогда как связанный с ней трансформатор может оставаться под напряжением между событиями диспетчеризации. Преимущество по потерям в сердечнике оценивается по этой продолжительности нахождения под напряжением, в то время как потери в меди должны оцениваться по фактическому профилю тока и содержанию гармоник системы преобразования электроэнергии.

Как читать спецификацию, не завышая значение результата

Низкое значение потерь холостого хода имеет смысл только тогда, когда оно относится к полной и совместимой конструкции. Один лишь материал сердечника не определяет характеристики трансформатора. Один и тот же аморфный сплав может давать разные результаты при изменении сечения сердечника, схемы стыков, процесса отжига, плотности магнитного потока, конструкции обмоток и метода стяжки. Аналогично, трансформатор из кремнистой стали может быть хорошо спроектирован и подходить для условий, где конструкцию определяют физические размеры, ограничения по шуму, работа с перегрузками или ограничения существующей установки.

Обоснованный технический вывод более узок: сердечники из аморфного сплава обладают внутренним материальным преимуществом по потерям холостого хода, поскольку их некристаллическая структура снижает потери на гистерезис, а тонкие ленты с высоким электрическим сопротивлением ограничивают вихревые токи. Это преимущество сохраняется только при проектировании трансформатора с учетом более низкой индукции насыщения материала и при условии, что изготовление, испытания, транспортировка и монтаж не вносят напряжений или погрешностей измерения, маскирующих предусмотренные характеристики.