Desain laminasi transformator distribusi: panduan praktis

Jika Anda merawat laminasi desain sebagai detail yang netral biaya, Anda akhirnya membayarnya setiap jam transformator diberi energi. Sebagian besar kehilangan tanpa beban, sebagian kecil tingkat suara, dan keandalan yang mengejutkan sudah terkunci pada saat Anda memilih ketebalan, faktor penumpukan, gaya sambungan, dan tumpang tindih. Tulisan ini adalah tentang membuat keputusan yang tepat untuk pertama kalinya.

1. Mulailah dari anggaran kerugian, bukan dari katalog baja

Laminasi inti bukanlah dekorasi yang murah. Untuk transformator distribusi fase tunggal kecil, bahan inti saja bisa mencapai sepertiga dari total biaya bahan, dan kerugiannya mendominasi biaya kepemilikan seumur hidup.

Pengaturan ulang mental yang berguna adalah sederhana: mulailah dengan target kehilangan tanpa beban dan tingkat suara yang diizinkan, kemudian paksakan pilihan laminasi untuk memenuhi target tersebut, bukan sebaliknya.

Untuk unit 5-50 kVA, studi sensitivitas pada 144 desain membandingkan tiga ketebalan CRGO (0,18, 0,23, 0,27 mm) dan menunjukkan bahwa lembaran 0,23 mm M3 biasanya memberikan harga penawaran terendah dan total biaya kepemilikan terendah di sekitar empat dari lima kasus. Itu tidak berarti 0,23 mm secara universal adalah yang "terbaik"; itu berarti Anda hanya menang dengan menggunakan ketebalan yang lebih tipis ketika kapitalisasi kerugian benar-benar tinggi, atau ketika peraturan secara fisik memaksa Anda untuk melakukannya.

Jadi, sebelum menyentuh CAD:

Anda menyetujui faktor kapitalisasi untuk kehilangan tanpa beban dan beban. Anda menerjemahkannya ke dalam jendela kehilangan tanpa beban yang dapat diterima. Setelah itu, barulah Anda bertanya: "Ketebalan dan bahan apa yang memungkinkan saya mencapai jendela tersebut dengan margin tertentu?"

Jika Anda melewatkan putaran itu, "optimasi" laminasi dengan cepat menjadi tebak-tebakan.

2. Bahan dan ketebalan: buatlah kompromi yang disengaja

Baja elektrik berorientasi butiran (GOES) masih menjadi pekerja keras untuk trafo distribusi konvensional. Nilai tipikal pada 50/60 Hz berjalan dengan nyaman pada induksi hingga sekitar 1,7 T dengan kehilangan dan arus magnetisasi yang dapat diterima, asalkan jalur fluks sebagian besar tetap berada di sepanjang arah penggulungan.

Lembar data untuk GOES modern menunjukkan faktor laminasi di atas 95% bahkan untuk pengukur yang tipis. Salah satu contoh: pada tekanan tumpukan 50 psi, strip 0,18 mm memberikan faktor laminasi sekitar 95-96%, 0,23 mm sekitar 95-96%, 0,27 mm sekitar 96-97%, dan 0,35 mm dapat menyentuh 98%, tergantung pada pelapisan. Itu saja sudah memberi tahu Anda sesuatu. Lembaran yang lebih tebal sedikit meningkatkan faktor penumpukan, tetapi merugikan kerugian pusaran. Lembaran yang lebih tipis melakukan hal yang sebaliknya. Tidak ada makan siang gratis, hanya keseimbangan.

Pita amorf berbeda lagi. Kehilangan materialnya jauh lebih rendah, tetapi faktor penumpukan inti luka sekitar 0,8 daripada 0,95+, dan induksi yang dapat digunakan lebih rendah, kira-kira di wilayah 1,3-1,4 T untuk desain praktis. Anda mendapatkan penurunan watt tanpa beban yang sangat besar, Anda mengembalikan tembaga ekstra dan jendela inti yang lebih besar.

Cara praktis untuk memikirkannya:

Untuk trafo distribusi efisiensi standar di mana utilitas masih berfokus pada harga pembelian, CRGO sekitar 0,23-0,27 mm biasanya merupakan sweet spot.

Untuk kelas efisiensi tingkat yang lebih tinggi di mana penalti pada kehilangan tanpa beban sangat parah, pindah ke CRGO 0,18 mm atau amorf masuk akal, tetapi hanya jika manufaktur dapat hidup dengan faktor susun yang lebih rendah dan bahan yang lebih rapuh.

Kuncinya adalah memilih ketebalan hanya setelah Anda memiliki angka-angka tentang biaya kerugian seumur hidup versus baja dan tembaga ekstra. Perasaan saja tidak cukup lagi.

3. Faktor penumpukan dan faktor bangunan: perlakukan mereka sebagai variabel desain

Faktor penumpukan bukanlah sesuatu yang terjadi pada inti Anda. Ini adalah angka yang harus Anda rancang dan kemudian diukur.

Secara formal, faktor penumpukan adalah rasio penampang magnetik efektif terhadap luas penumpukan bruto. Faktor susun turun karena ketebalan lapisan insulasi, gerinda, celah, dan ketidaksejajaran. Dalam praktiknya, untuk baja silikon sekitar 0,3-0,5 mm pada frekuensi daya, faktor penumpukan tipikal sekitar 0,92-0,96, dan tumpukan GOES yang dibuat dengan baik dapat melebihi 0,95 bahkan pada alat pengukur yang lebih tipis. Inti amorf hidup lebih rendah, sering kali mendekati 0,8.

Berikut ini adalah tabel ringkas yang bisa Anda gunakan saat mengukur:

Faktor bangunan adalah pemain senyap lainnya. Faktor ini menangkap berapa banyak kehilangan ekstra yang berasal dari sambungan, celah udara, distorsi, dan tegangan sisa di luar apa yang dikatakan oleh kehilangan katalog. Makalah mengenai desain sambungan dan pemilihan laminasi secara konsisten menunjukkan bahwa sambungan yang buruk dan tekanan perakitan dapat menambah beberapa persen pada kehilangan inti bahkan ketika baja itu sendiri identik.

Jika Anda mendesain perangkat lunak atau spreadsheet, akan lebih baik jika Anda melakukannya:

Gunakan ks dari tabel seperti di atas dan bukannya angka ajaib 0,97. Terapkan faktor bangunan pada kehilangan, bukan pada area, dan sesuaikan dengan tes tanpa beban terukur dari pabrik Anda sendiri.

Dengan begitu, matematika mencerminkan kenyataan, bukan angan-angan.

4. Geometri inti berundak: berapa banyak undakan yang cukup?

Sebagian besar trafo distribusi menggunakan inti berundak sehingga tembaga melihat sesuatu yang mendekati kolom melingkar, tanpa Anda harus membuat lingkaran dari baja padat.

Buku panduan desain klasik memberikan fraksi lingkaran yang sebenarnya diisi oleh baja untuk jumlah anak tangga yang berbeda. Salah satu tabel yang banyak digunakan menunjukkan sekitar 85% diisi untuk inti tiga langkah, sekitar 91% untuk lima langkah, sekitar 93-94% untuk tujuh hingga sembilan langkah, dan sekitar 96% untuk sebelas langkah.

Polanya sederhana. Beberapa langkah pertama memberikan banyak peningkatan. Setelah tujuh atau sembilan, Anda membayar kerumitan untuk mungkin satu persen tambahan pengisian lingkaran.

Untuk unit pole-top kecil, tiga langkah dapat bekerja jika target kerugian tidak agresif dan manufaktur menginginkan kesederhanaan, meskipun banyak produsen menstandarkan pada lima langkah. Untuk trafo distribusi kelas 100-630 kVA dengan spesifikasi tanpa beban yang lebih ketat, lima hingga tujuh langkah adalah hal yang umum. Sembilan langkah atau lebih mulai masuk akal terutama untuk unit efisiensi tinggi atau lebih besar di mana setiap watt kerugian dimonetisasi dan geometri belitan benar-benar mendapat manfaat dari lingkaran yang lebih akurat.

Variabel tenang lainnya adalah bagaimana Anda mendistribusikan lebar anak tangga. Untuk desain jendela persegi panjang, pola dengan anak tangga yang lebih sempit di bagian dalam dan lebih lebar di bagian luar cenderung memudahkan penempatan belitan dan memberikan kerapatan arus yang lebih seragam tanpa banyak penalti dalam distribusi fluks, asalkan area rata-rata benar.

Tidak ada aturan universal di sini, tetapi Anda dapat berpikir dalam dua langkah. Lintasan pertama: pilih jumlah langkah dari kelas rating dan efisiensi. Lintasan kedua: sesuaikan lebar langkah individu sehingga lingkaran akhir yang terlihat oleh belitan ramah terhadap tata letak konduktor Anda, tidak hanya pada model elemen hingga Anda.

5. Gaya sambungan: butt, mitred, dan step-lap dalam kehidupan nyata

Desain sambungan untuk laminasi adalah tempat teori, plot FEA, dan tekanan produksi bertabrakan.

Sambungan butt-lap mudah dipotong dan ditumpuk. Sambungan ini juga menghasilkan fluks lokal yang kuat pada sambungan, arus magnetisasi yang lebih tinggi, dan rugi-rugi tanpa beban yang lebih tinggi. Slide deck dari produsen transformator besar masih menunjukkan kontras ini dengan jelas.

Sambungan mitred sepenuhnya mendistribusikan fluks dengan lebih baik di sepanjang arah penggulungan, sehingga mengurangi kejenuhan lokal. Sambungan mitred step-lap melangkah lebih jauh dengan mengejutkan pemotongan di beberapa langkah sehingga fluks tidak mengalami diskontinuitas tunggal yang tiba-tiba. Data industri menunjukkan bahwa step-lap core, dibandingkan dengan butt-lap konvensional, dapat memberikan pengurangan yang nyata pada watt tanpa beban, arus magnetisasi, dan tingkat suara untuk kelas baja dan induksi yang sama.

Saat ini, untuk trafo distribusi baru di atas peringkat paling rendah, mitred step-lap pada dasarnya adalah dasar. Ini bukan teknologi eksotis lagi. Pertanyaan yang menarik sekarang adalah berapa banyak langkah pada sambungan, berapa panjang tumpang tindih, dan bagaimana Anda menyelaraskan buku-buku tersebut.

6. Panjang tumpang tindih dan jumlah laminasi per langkah

Ada gagasan yang menggoda bahwa "lebih banyak tumpang tindih pasti lebih aman." Data tidak setuju.

Sebuah studi eksperimental yang memvariasikan panjang tumpang tindih sambungan dan jumlah laminasi per langkah pada inti transformator distribusi menemukan bahwa, dalam kisaran praktis, jumlah laminasi per langkah memiliki efek bersih yang kecil terhadap kerugian, karena kendala manufaktur memperdagangkannya dengan dimensi lain. Namun, meningkatkan tumpang tindih dari sekitar 1 cm menjadi 2 cm jelas meningkatkan kerugian inti karena distorsi fluks yang lebih kuat di wilayah sambungan.

Apa artinya dalam praktiknya:

Jaga agar tumpang tindih sependek yang Anda bisa sambil tetap memenuhi batasan kekuatan mekanik dan perakitan. Sekitar 10 mm sering kali merupakan titik awal yang masuk akal untuk core distribusi ukuran sedang; menggunakan 20 mm mungkin akan menghabiskan beberapa watt tanpa keuntungan listrik yang nyata.

Jangan terobsesi untuk menambahkan lebih banyak laminasi per langkah di luar kemampuan peralatan pemotongan dan penumpukan Anda secara konsisten. Studi ini menunjukkan bahwa sensitivitas kerugian terhadap parameter tersebut rendah setelah tumpang tindih dan geometri dasar ditetapkan.

Yang lebih berguna adalah menjaga toleransi yang ketat pada kerataan dan celah sambungan, dan untuk mengontrol bagaimana langkah dari satu tungkai menyatu dengan kuk. Di situlah model elemen hingga benar-benar bermanfaat, terutama jika Anda sudah memiliki perkakas dan hanya perubahan bentuk kecil yang mungkin dilakukan.

7. Celah udara, gerinda, dan kerusakan senyap akibat finishing yang buruk

Bahkan geometri yang sempurna di atas kertas pun bisa dirusak oleh pemotongan dan penumpukan yang tidak rapi.

Lapisan isolasi dan gerinda memakan faktor penumpukan, tetapi gerinda juga menimbulkan tekanan mekanis lokal dan celah kecil yang memperburuk histeresis dan kerugian pusaran di luar apa yang diprediksi oleh katalog laminasi. Standar seperti ASTM A719 memperlakukan faktor laminasi sebagai fungsi dari ketebalan lembaran, pelapisan dan kompresi, dan secara eksplisit membutuhkan deburring untuk mendapatkan hasil yang dapat diulang.

Rekomendasi umum dari buku teks dan data pabrik bermuara pada:

Jaga ketinggian duri jauh di bawah ketebalan insulasi, sering kali dikutip di bawah ketebalan lembaran 10%.

Kontrol tekanan tumpukan selama pengukuran dan perakitan; terlalu rendah dan celah tetap terbuka, terlalu tinggi dan Anda dapat mendistorsi laminasi atau merusak lapisan, yang sekali lagi merugikan.

Di sisi yang jelas, tetapi masih sering terjadi di toko-toko kecil: laminasi dengan karat, bengkok atau penyok harus ditolak, tidak "tersembunyi" di lapisan dalam. Panduan praktis menekankan pemeriksaan dan penyortiran visual untuk alasan ini.

Jika Anda menginginkan pemeriksaan kesehatan yang cepat pada proses Anda, pengukuran faktor penumpukan berbasis densitas yang sederhana pada tumpukan yang dikompresi versus densitas material adalah murah dan mengungkapkan. Sebuah ks yang melayang turun dari 0,96 ke 0,93 berarti Anda membuang penampang melintang dan mendorong densitas fluks ke atas di mana-mana, apakah ada yang mengubah gambar atau tidak.

8. Kerataan, anil penghilang stres, dan mengapa jadwal tungku penting untuk desain laminasi

GOES bergantung pada butiran yang diorientasikan dengan hati-hati. Pengerjaan mekanis, pembengkokan yang ketat, atau pelubangan yang dekat dengan tepi, semuanya menimbulkan tekanan yang menurunkan permeabilitas dan meningkatkan kehilangan; anil pelepas tegangan dapat memulihkan sebagian besar kinerja magnetik, tetapi hanya jika laminasi didukung dan dipanaskan dengan cara yang menjaga kerataan dan kualitas lapisan.

Kisaran tegangan yang umum untuk GOES adalah sekitar 760-845 ° C dalam atmosfer pelindung seperti nitrogen kering, terkadang dengan jumlah hidrogen yang terkontrol. Masalahnya adalah jika potongan inti ditumpuk atau dijepit dengan cara yang berbeda dari kondisi perakitan akhir mereka, mereka dapat melengkung atau melengkung setelah anil. Kemudian, ketika Anda benar-benar membuat inti, celah kecil yang tidak diinginkan muncul pada sambungan dan anak tangga.

Jadi, desain laminasi dan praktik anil harus saling berbicara satu sama lain. Jika Anda berpindah dari butt-lap ke multi-step-lap dan dari lembaran 0,27 mm ke 0,18 mm, tetapi perlengkapan anil dan pengaturan tekanan Anda tetap menggunakan desain lama, penghematan kerugian teoretis akan termakan oleh distorsi dan kerusakan lapisan.

Inilah salah satu alasan mengapa beberapa pabrikan membeli core multi-step-lap yang sudah dirakit dan bebas tegangan dari pemasok khusus. Lembar data dari pemasok tersebut secara eksplisit menyatakan bahwa sambungan step-lap, jika diproduksi dengan benar, dapat mencapai kerugian serendah mungkin untuk kelas baja tertentu dalam desain flat-stack.

Jika Anda tetap membuat inti secara internal, ada baiknya Anda menjalankan latihan desain eksperimen singkat: variasikan suhu anil, waktu, dan tekanan tumpukan untuk desain laminasi yang tetap, dan benar-benar mengukur faktor laminasi dan kehilangan tanpa beban pada inti prototipe. Hal ini lebih lambat daripada tidak mengubah apa pun, tetapi jauh lebih cepat daripada mengirimkan transformator yang berisik selama bertahun-tahun.

9. Lubang pada kuk, klem, dan detail mekanis yang mengganggu fluks

Inti yang sebenarnya membutuhkan lubang baut, slot pelurusan, dan antarmuka penjepit. Setiap kali Anda melepaskan baja dari daerah dengan fluks tinggi, Anda memaksa fluks untuk menekan rintangan dan meningkatkan induksi lokal.

Teks desain transformator menunjukkan bahwa lubang yang dilubangi pada laminasi kuk, terutama di dekat bagian tengah tungkai, mendistorsi pola fluks dan secara lokal meningkatkan kerapatan fluks dan magnetostriksi. Hal ini menyebabkan kehilangan inti ekstra dan terkadang "titik panas" yang dapat didengar dalam pengukuran suara.

Beberapa penyesuaian praktis membantu:

Jaga agar daerah fluks tertinggi dari kuk sebersih mungkin. Geser lubang besar sedikit menjauh dari garis tengah, atau ke dalam zona di mana induksi yang dihitung sudah lebih rendah karena bentuk langkah.

Sinkronkan pola step-lap dengan lokasi baut sehingga baut tidak mendarat di tempat yang sudah memiliki beberapa anak tangga yang mempersempit area efektif.

Ketika menggunakan offset yoke atau bagian yang diperkecil untuk menghemat baja, periksa kembali kerapatan fluks dengan faktor penumpukan dan bangunan yang realistis; banyak desain yang merayap mendekati lutut kurva B-H setelah faktor-faktor tersebut diterapkan.

Penyesuaian ini tidak glamor, tetapi sering kali menjadi pembeda antara inti yang berperilaku seperti model FEM dan inti yang mengejutkan Anda di lantai pengujian.

10. Harmonik, bentuk gelombang yang terdistorsi, dan pilihan laminasi

Trafo distribusi jarang menghasilkan gelombang sinus yang sempurna. Beban non-linear dan jaringan kaya konverter menyuntikkan harmonisa yang secara efektif meningkatkan ayunan fluks puncak dan meningkatkan rugi-rugi dinamis pada inti. Studi tentang rugi-rugi besi transformator di bawah tegangan terdistorsi menunjukkan bahwa harmonisa yang lebih tinggi dapat mendorong rugi-rugi tanpa beban secara signifikan di atas nilai yang diukur dengan uji sinusoidal, bahkan ketika tegangan RMS dijaga tetap sama.

Laminasi berinteraksi dengan realitas ini dalam beberapa cara.

Laminasi yang lebih tipis mengurangi kehilangan arus eddy pada frekuensi harmonik yang lebih tinggi, tetapi, seperti yang terlihat sebelumnya, mungkin sedikit menurunkan faktor susun. Pengurangan sederhana dalam induksi desain, katakanlah dari 1,7 T menjadi 1,6 T, dikombinasikan dengan lembaran yang sedikit lebih tipis, sering kali dapat menjaga kerugian yang kaya akan harmonisa tetap terkendali tanpa pertumbuhan ukuran yang berlebihan.

Di sisi lain, jika Anda bersikeras menggunakan induksi tinggi dan lembaran tebal pada jaringan yang diketahui memiliki harmonisa ke-3, ke-5, atau ke-7 yang kuat, kehilangan inti yang terlihat di lokasi dapat melebihi nilai penerimaan pabrik Anda dengan margin yang nyata. Pelanggan mungkin tidak akan menyalahkan laminasi; mereka hanya akan melihat "trafo yang tidak efisien."

Jika profil beban tidak pasti, aturan konservatifnya adalah menjaga jarak dari induksi pengenal material, terutama untuk inti amorf yang magnetostriksi lebih sensitif, dan menentukan pengujian pada bentuk gelombang terdistorsi yang mewakili aplikasi jika kontraknya cukup besar untuk menjustifikasinya.

11. Sketsa yang telah dikerjakan: 250 kVA, 11/0,4 kV, unit tipe inti tiga fase

Bukan desain lengkap, hanya cuplikan untuk menunjukkan bagaimana keputusan laminasi saling terkait.

Bayangkan sebuah transformator distribusi 250 kVA, 50 Hz, terendam oli, tiga fase, 11 kV / 0,4 kV, dengan persyaratan efisiensi moderat yang umum dimiliki oleh banyak utilitas.

Anda mulai dengan target kehilangan tanpa beban, katakanlah, sekitar 450-500 W. Utilitas menyediakan faktor kapitalisasi yang membuat pencukuran kehilangan tanpa beban sebesar 50 W sebanding dengan baja ekstra.

Anda mempertimbangkan 0,27 mm dan 0,23 mm GOES. Data katalog dan kertas sensitivitas menunjukkan bahwa 0,23 mm M3 kemungkinan akan memberikan kerugian yang dapat diterima dan keseimbangan yang baik dari biaya material untuk peringkat ini. Anda menargetkan induksi desain mendekati 1,6 T di bawah tegangan pengenal, bukan di ujung atas absolut.

Dengan menggunakan hubungan volt per putaran yang sudah dikenal, Anda memilih volt/putaran yang menghasilkan penampang inti sekitar 0,036 m² pada 1,6 T dengan 50 Hz. Luas kotor kemudian adalah A_total ≈ A_net / ks. Dengan ks yang dipilih sebagai 0.955 dari tabel, Anda mendapatkan luas kotor beberapa persen lebih besar dari tebakan awal, cukup untuk menjaga agar baja tetap jujur.

Untuk geometri, Anda memilih konfigurasi kaki dan kuk melingkar lima langkah. Hal ini menghasilkan pengisian lingkaran sekitar 91%, sehingga tembaga melihat kolom yang cukup bundar. Anda menentukan sambungan step-lap yang sepenuhnya dimitigasi dengan tumpang tindih sekitar 10 mm dan ukuran buku standar lima laminasi per langkah, kompatibel dengan garis pemotongan Anda dan terinspirasi oleh penawaran inti multi step-lap yang khas.

Anda memutuskan bahwa lubang baut pada kuk harus berada sedikit di luar zona fluks tertinggi dan menyelaraskan pola langkah sehingga baut tidak mengenai bagian tersempit yang efektif.

Terakhir, Anda memasukkan semua ini ke dalam model core-loss Anda dengan faktor bangunan yang realistis, katakanlah 1,05 pada kehilangan katalog pada induksi yang dipilih, yang mencerminkan kinerja historis pabrik Anda pada core yang serupa. Jika prediksi kehilangan tanpa beban masih terlalu tinggi, Anda tahu bahwa Anda harus menurunkan induksi, menipiskan, atau meningkatkan desain sambungan dan praktik anil; tidak ada gunanya mencukur beberapa putaran dan berharap.

Di lantai produksi, Anda mengonfirmasi faktor penumpukan menggunakan metode densitas pada tumpukan sampel, dengan tujuan untuk melihat ks dalam pita 0,95-0,96 yang diharapkan. Jika hasilnya rendah, Anda tidak menyalahkan persamaan; Anda men-debug pemotongan, pelapisan, dan penumpukan.

Keputusan laminasi sekarang dapat dilacak, pilihan yang dapat diuji, bukan pengetahuan kesukuan.

12. Pikiran penutup

Desain laminasi untuk trafo distribusi adalah salah satu topik yang terlihat biasa saja sampai Anda mulai meletakkan angka di samping setiap keputusan "kecil". Ketebalan, faktor penumpukan, jumlah langkah, gaya sambungan, panjang tumpang tindih, kondisi anil, penempatan lubang, dan lingkungan harmonik, semuanya mendorong dan menarik dua hasil yang sama: kehilangan tanpa beban dan suara.

Standar resmi dan lembar data menjelaskan tentang material. Yang cenderung hilang adalah disiplin yang tenang dalam memperlakukan parameter laminasi sebagai variabel desain yang sebenarnya. Setelah Anda melakukan itu, bagian transformator lainnya - belitan, pendinginan, insulasi - memiliki pekerjaan yang jauh lebih mudah.