Bagaimana orientasi butiran mempengaruhi efisiensi transformator pada laminasi CRGO

Orientasi butiran adalah di mana efisiensi transformator secara diam-diam mencapai puncaknya. Sejajarkan dengan baik dan modern CRGO memungkinkan Anda menekan kehilangan tanpa beban ke dalam kisaran sub-watt-per-kilogram; biarkan fluks mengembara dua puluh atau tiga puluh derajat dan Anda mengembalikan sebagian besar margin itu sebagai panas.

1. Orientasi butir adalah anggaran efisiensi Anda yang sebenarnya, bukan hanya spesifikasi material

Sebagian besar lembar data mengemas orientasi butir ke dalam dua garis yang bersahabat: B₈ sekitar 1,9-2,0 T dan angka kehilangan inti mendekati 0,7-0,9 W/kg pada 1,5 T, 50 Hz untuk grade Hi-B tipis. Teks desain kemudian mengatakan "pertahankan fluks di sepanjang arah penggulungan" dan lanjutkan. Berguna, tetapi sangat terkompresi.

Dalam praktiknya, "arah" tersebut merupakan variabel tersembunyi terbesar dalam anggaran kehilangan tanpa beban Anda. Baja berorientasi butiran direkayasa sedemikian rupa sehingga permeabilitas dan kehilangannya sangat anisotropik: fluks di sepanjang arah penggulungan mengalami koersivitas rendah dan permeabilitas tinggi; fluks yang berputar menjauh membayar penalti yang meningkat. Tinjauan modern terhadap baja listrik masih menunjukkan kesenjangan yang jelas antara baja berorientasi butiran dan non-orientasi, tetapi dengan kinerja yang semakin memburuk seiring dengan pergeseran sudut magnetisasi dari arah penggulungan.

Produsen transformator mengetahui hal ini, meskipun mereka jarang menjelaskannya. Ketika mereka memperkirakan kehilangan inti dari kurva baja, mereka sudah menerapkan faktor "desain" atau "pembobotan" untuk menutupi sambungan, daerah sudut, dan fluks di luar sumbu. Faktor tersebut pada dasarnya adalah penalti Anda untuk seberapa baik (atau buruk) Anda menghargai orientasi butir di dalam inti yang dirakit.

2. Apa yang sebenarnya terjadi saat sudut magnetisasi bergeser

Di atas kertas, CRGO adalah polikristal dengan tekstur Goss yang sangat tajam, {110}〈001〉 sebagian besar terkunci pada arah penggulungan. Pada kenyataannya, setiap butirannya sedikit melenceng. Sudut deviasi beberapa derajat adalah hal yang umum, dan bervariasi dari satu butiran ke butiran lainnya. Di bawah medan magnet yang seragam di sepanjang arah penggulungan, domain pada butiran yang "paling sejajar" bergerak bebas; domain pada butiran yang tidak sejajar membutuhkan lebih banyak medan, kurang kooperatif, dan membuang lebih banyak energi setiap siklusnya.

Segera setelah Anda memagnetisasi pada sudut terhadap arah penggulungan, Anda memuat lebih banyak butiran yang lebih keras. Pengukuran magnetik pada baja berorientasi butiran ultra-tipis menunjukkan bahwa kerapatan fluks saturasi dan permeabilitas menurun secara konstan dengan sudut magnetisasi, dengan penurunan tajam di luar sekitar 20-30 derajat. Studi sudut klasik pada GO konvensional menunjukkan kisah yang sama: kurva kehilangan dan permeabilitas secara kasar simetris di sekitar arah penggulungan dan kehilangan inti spesifik pada 1,5 T dapat hampir dua kali lipat antara 0° dan sekitar 60-90°.

Itulah sebabnya "sekitar 30 derajat" terus muncul dalam pekerjaan anisotropi modern. Dalam rentang tersebut, GO masih mengalahkan baja yang tidak berorientasi untuk kerapatan dan kehilangan fluks. Di luar itu, manfaatnya menyusut dengan cepat dan secara efektif dapat menghilang pada fluks atau frekuensi yang lebih tinggi.

Untuk menjadikannya sesuatu yang ramah desain, Anda dapat memperlakukan sudut sebagai pengali pada lembar data baja Anda, bukan sebagai catatan kaki.

Perkiraan dampak sudut magnetisasi pada baja GO tipikal (1,5 T, 50 Hz)

Tabel di bawah ini memampatkan tren dari beberapa studi ketergantungan sudut ke dalam tampilan relatif yang sederhana. Tabel ini bukan pengganti pengukuran Epstein Anda sendiri; tabel ini merupakan peta kasar dari apa yang sudah disiratkan oleh kurva anisotropi yang dipublikasikan.

Sekali lagi, angka-angka ini bersifat indikatif. Nilai, ketebalan, kondisi tegangan dan tingkat induksi menggerakkannya, tetapi bentuk trennya tetap bertahan.

3. Di mana inti benar-benar kehilangan orientasi

Pada gambar, inti tiga fase Anda terlihat sejajar dengan sempurna. Di dalam tumpukan, ternyata tidak.

Tungkai lurus yang dipotong dengan arah penggulungan sejajar dengan fluks adalah yang terbaik yang pernah ada. Setelah anda mencapai sambungan dan sudut, fluks harus melengkung. Bahkan dengan sambungan berlekuk atau step-lap, ada daerah kecil di mana arah fluks lokal memotong laminasi pada 30-60 derajat. Di situlah penalti dari tabel sebelumnya bersembunyi.

Penelitian anisotropi baru-baru ini pada core berorientasi butir dengan lapisan yang digeser dengan sudut konstan menunjukkan perubahan yang terukur pada total rugi-rugi core hanya dari mengubah bagaimana laminasi dalam tumpukan tidak sejajar satu sama lain. Investigasi serupa pada lembaran Fe-Si GO mengkonfirmasi bahwa kerugian total adalah campuran dari kerugian arus pusar isotropik dan histeresis yang sangat terarah ditambah kerugian berlebih, semuanya berayun dengan sudut magnetisasi.

Perangkat lunak desain sering kali memodelkan GO dengan tensor permeabilitas sederhana yang dibuat hanya dari kurva bergulir dan melintang, yang diinterpolasi secara elips. Hal ini memperlakukan transversal sebagai arah terburuk dan mengasumsikan segala sesuatu di antara keduanya berperilaku mulus. Pengukuran yang lebih rinci pada berbagai sudut menunjukkan bahwa jalan pintas ini dapat memberikan kesalahan yang nyata, terutama pada tingkat fluks yang lebih tinggi di mana anisotropi menjadi lebih nonlinier. Anda merasakan hal itu sebagai kesenjangan antara prediksi dan pengukuran rugi-rugi tanpa beban pada desain baru.

Jadi, setiap wilayah inti di mana garis fluks memiliki lintasan 2D yang rumit - tumpang tindih step-lap, wilayah sambungan-T, zona sudut inti luka - secara mental harus ditandai sebagai "pengganda kerugian di luar sumbu", bukan hanya detail geometris.

4. Orientasi juga merupakan tekanan, pelapisan dan pemrosesan

Orientasi tidak hanya berupa sudut pada model CAD Anda; kondisi tegangan baja dan pola domain memodifikasinya.

Produsen kelas Hi-B seperti ORIENTCORE menunjukkan bahwa tegangan tarik di sepanjang arah penggulungan, yang disebabkan terutama oleh lapisan permukaan, dapat mengurangi histeresis dan kerugian pusar dan pada saat yang sama mengecilkan magnetostriksi, yang membantu efisiensi dan kebisingan. Ada wilayah optimal: terlalu sedikit tekanan dan domain tidak stabil; terlalu banyak dan kerugian naik lagi.

Penggambaran laser dan teknik penyempurnaan domain lainnya bekerja dengan membagi domain di sepanjang arah penggulungan tanpa merusak lapisan. Pengukuran pada 3% Si-Fe menunjukkan pengurangan yang berarti dalam kehilangan inti setelah perawatan tersebut, asalkan magnetisasi mendekati arah penggulungan. Setelah fluks mulai berputar, domain sempit yang dibentuk dengan hati-hati itu tidak digunakan secara efisien.

Pemotongan melakukan hal yang sebaliknya. Pelubangan mekanis menimbulkan zona tepi yang berubah bentuk secara plastis dengan tegangan sisa dan misorientasi lokal. Hal ini secara efektif menebalkan cangkang di luar sumbu dari setiap laminasi, terutama pada kelas ultra-rendah yang tipis. Melilitkan atau merakit inti dengan kontrol yang buruk atas tekanan celah atau penjepitan yang tidak rata menambah kondisi tegangan lebih lanjut yang tidak sejajar dengan arah fluks yang diinginkan. Tak satu pun dari hal tersebut yang muncul di label kelas pabrik baja, tetapi semuanya mengubah anisotropi efektif yang Anda lihat di transformator jadi.

Magnetostriksi secara diam-diam terhubung kembali ke orientasi juga. Data untuk baja berorientasi butiran menunjukkan amplitudo magnetostriksi bergantung pada tingkat material dan sudut antara magnetisasi dan arah penggulungan. Sambungan yang tidak sejajar tidak hanya membuang energi; mereka juga menjadi sumber kebisingan lokal.

5. Perlakukan sudut magnetisasi sebagai variabel desain

Sebagian besar aliran desain inti masih memperlakukan orientasi butir sebagai pilihan biner: gunakan CRGO, sejajarkan laminasi, selesai. Dengan ekspektasi efisiensi dan harga energi saat ini, itu adalah pendekatan yang sangat kasar.

Pola pikir yang lebih berguna adalah memperlakukan sudut sebagai sumber daya terbatas yang Anda alokasikan.

Daerah dengan fluks tinggi - tungkai tengah, kuk utama, zona sisi tangki di mana induksi didorong mendekati 1,7-1,8 T - layak mendapatkan sudut magnetisasi sedekat mungkin dengan 0° sesuai dengan tata letak yang memungkinkan. Daerah sambungan dapat mentolerir lebih banyak penyimpangan jika kerapatan fluks lokal dikurangi dengan geometri, tetapi begitu Anda membiarkan daerah tersebut hidup sekitar 30° pada fluks tinggi, Anda duduk di barisan tabel di mana pengganda kerugian Anda mendekati 1,5 atau lebih.

Studi material yang membandingkan baja berorientasi dan tidak berorientasi pada 0-90° mengonfirmasi apa yang sudah diduga oleh para desainer: GO mempertahankan keunggulan yang kuat dalam kisaran 20-30°, dan kemudian keunggulannya memudar dengan cepat. Jadi, jika Anda mendesain sesuatu di mana fluks akan secara rutin mencapai 45-60° di wilayah yang luas, ada baiknya Anda bertanya apakah grade GO premium adalah pilihan biaya yang tepat, atau apakah geometri harus diubah sebagai gantinya.

Toleransi manufaktur sesuai dengan model mental yang sama. Proses penggoresan yang menyisakan beberapa derajat ketidakpastian dalam arah penggulungan efektif pada masing-masing strip mungkin dapat diterima pada kuk fluks rendah, tetapi menjadi mahal jika strip tersebut bermigrasi ke dalam tungkai. Pembuat inti yang baik sudah memisahkan gulungan dan set laminasi dengan kehilangan dan arah yang terukur; insinyur desain harus mengasumsikan perilaku tersebut, bukan bahan yang ideal, ketika mereka mengukur margin kerugian mereka.

6. Seberapa besar efisiensi yang benar-benar dipertaruhkan?

Angka-angka membuat hal ini tidak terlalu abstrak. Ambil contoh trafo distribusi 1 MVA dengan inti Hi-B modern. Dengan menggunakan nilai GO kontemporer sekitar 0,23-0,27 mm, Anda dapat menargetkan kerugian tanpa beban mendekati 800-1000 W pada induksi nominal, sesuai dengan tabel nilai yang umum.

Sekarang asumsikan desain inti dan pilihan manufaktur Anda secara efektif mendorong sudut magnetisasi rata-rata di sebagian kecil inti dari "hampir sempurna" ke dalam pita 20-30°. Tabel sebelumnya menunjukkan peningkatan 30-50% yang masuk akal dalam kehilangan spesifik di wilayah tersebut pada kerapatan fluks yang sama. Misalkan efek bersihnya adalah kenaikan 20% yang konservatif dalam total kehilangan tanpa beban: tambahan 160-200 W.

Selama masa pakai 25 tahun, dengan trafo yang diberi energi hampir sepanjang waktu, tambahan 200 W tersebut secara diam-diam membakar sekitar 44 MWh. Bahkan dengan harga energi yang sederhana, itu adalah beberapa ribu dalam biaya operasional yang tidak menghasilkan apa-apa kecuali memberi makan anisotropi dengan cara yang salah. Skala itu untuk armada ribuan unit dan kolom-kolom pada lembar kerja kapitalisasi kerugian Anda mulai terlihat berbeda.

Poin kuncinya adalah bahwa biaya ini bukanlah biaya "kelas material"; ini adalah biaya orientasi. Anda sudah membayar untuk baja yang bagus.

7. Mengukur dan mengatur efek orientasi

Sisi laboratorium mengejar apa yang dibutuhkan oleh para desainer. Pengujian rangka Epstein konvensional pada 0° dan 90° masih menjadi tulang punggung sertifikasi kelas, tetapi sekarang ada lebih banyak pekerjaan pada karakterisasi multi-sudut dan pemodelan anisotropi. Alih-alih memberikan dua kurva kepada solver dan melakukan interpolasi, Anda dapat membuat model berdasarkan pengukuran pada tiga atau lebih sudut pemotongan dan memprediksi properti untuk sudut yang berubah-ubah dengan ketepatan yang lebih baik.

Metode non-destruktif seperti magnetic Barkhausen noise juga digunakan untuk mengklasifikasikan baja berorientasi butiran dan menyimpulkan kualitas tekstur dan tegangan tanpa pengujian magnetik penuh, dan yang menarik adalah ketergantungan sudutnya sesuai dengan gagasan bahwa sifat-sifatnya tetap cukup rata hingga jendela sudut tertentu sebelum mengalami degradasi. Hal ini memberikan Anda alat untuk mengaudit apakah kumparan yang baru saja tiba di pabrik Anda memiliki tekstur yang tajam dan kondisi tegangan rendah yang Anda rancang.

Pada transformator yang sedang berjalan, Anda jelas tidak dapat mengembalikan inti ke dalam bingkai Epstein. Tetapi Anda masih dapat memantau konten harmonik arus magnetisasi, pola suhu pada sambungan, dan tanda tangan kebisingan di sekitar sudut sebagai bukti tidak langsung di mana orientasi terbuang.

8. Ke mana arah penelitian orientasi biji-bijian - dan mengapa hal itu memberi umpan balik kepada transformator

Banyak pekerjaan terbaru pada baja berorientasi butiran sebenarnya digerakkan oleh motor, bukan transformator. Para insinyur bereksperimen dengan stator tersegmentasi di mana setiap segmen menjaga fluksnya dalam jendela ± 20-30° yang menguntungkan dan memperoleh beberapa persen torsi atau efisiensi dibandingkan dengan inti yang tidak berorientasi.PMC) Itu hanyalah ekspresi lain dari anisotropi yang sama dengan yang Anda hadapi pada sambungan transformator.

GO ultra-tipis, paduan silikon yang lebih tinggi, dan pelapis canggih terus menekan kerugian inti di bawah penyelarasan yang ideal. Namun, seiring dengan menyusutnya kerugian material intrinsik, bagian kerugian yang berasal dari kesalahan orientasi, kerusakan pemotongan, dan tekanan perakitan semakin besar. Pentingnya disiplin desain dan manufaktur relatif tumbuh bahkan jika watt absolut turun.

Jadi kesimpulan praktisnya sederhana, meskipun pelaksanaannya berantakan. Orientasi biji-bijian bukanlah sebuah slogan; ini adalah aset yang langka. Anda memilihnya ketika Anda memilih CRGO, kemudian Anda melindunginya dengan geometri yang baik, pemotongan yang ketat, kontrol tegangan yang cermat, dan pemodelan yang realistis, atau Anda menukarnya dengan potongan-potongan yang ada di sudut-sudut dan sambungan. Trafo tidak peduli apakah watt ekstra berasal dari kelas yang lebih murah atau sudut yang ceroboh; ia hanya tahu jalur magnetisasi yang sebenarnya dilihatnya.