Come l'orientamento dei grani influisce sull'efficienza del trasformatore nelle laminazioni CRGO

L'orientamento dei grani è il punto in cui l'efficienza dei trasformatori raggiunge silenziosamente il suo massimo. Un buon allineamento e un moderno CRGO consente di ridurre la perdita a vuoto a un livello inferiore al watt per chilogrammo; se il flusso si discosta di venti o trenta gradi, una buona parte di quel margine viene restituita sotto forma di calore.

1. L'orientamento dei grani è il vostro vero budget di efficienza, non solo una specifica del materiale.

La maggior parte delle schede tecniche racchiude l'orientamento dei grani in due linee amichevoli: B₈ intorno a 1,9-2,0 T e numeri di perdita del nucleo vicini a 0,7-0,9 W/kg a 1,5 T, 50 Hz per i gradi Hi-B sottili. I testi di progettazione dicono poi "mantenere il flusso lungo la direzione di rotolamento" e proseguono. Utile, ma molto compresso.

In pratica, questa "direzione" è la più grande variabile nascosta nel budget delle perdite a vuoto. Gli acciai a grani orientati sono progettati in modo che la permeabilità e la perdita siano fortemente anisotrope: il flusso lungo la direzione di rotazione vede una bassa coercitività e un'alta permeabilità; il flusso che ruota lontano paga una penalità crescente. Le moderne revisioni degli acciai elettrici mostrano ancora un netto divario tra gli acciai a grano orientato e quelli non orientati, ma con un progressivo peggioramento delle prestazioni man mano che l'angolo di magnetizzazione si allontana dalla direzione di laminazione.

I produttori di trasformatori lo sanno, anche se raramente lo dichiarano. Quando stimano la perdita del nucleo dalle curve in acciaio, applicano già un fattore di "progettazione" o "ponderazione" per coprire le giunzioni, le regioni angolari e il flusso fuori asse. Questo fattore è in pratica la penalizzazione per il rispetto (o meno) dell'orientamento dei grani all'interno del nucleo assemblato.

2. Cosa succede realmente con la deriva dell'angolo di magnetizzazione

Sulla carta, il CRGO è un policristallo con una struttura Goss molto netta, {110}〈001〉 per lo più bloccata dalla direzione di laminazione. In realtà, ogni granello è un po' fuori posto. Gli angoli di deviazione di pochi gradi sono comuni e variano da grano a grano. Sotto un campo magnetizzante uniforme lungo la direzione di rotolamento, i domini nei grani "meglio allineati" si muovono liberamente; i domini nei grani disallineati hanno bisogno di più campo, si muovono in modo meno cooperativo e sprecano più energia a ogni ciclo.

Quando si magnetizza con un angolo rispetto alla direzione di laminazione, si caricano maggiormente i grani più duri. Le misure magnetiche sugli acciai a grano ultrasottile orientati mostrano che la densità di flusso di saturazione e la permeabilità diminuiscono costantemente con l'angolo di magnetizzazione, con un netto peggioramento oltre i 20-30 gradi circa. Gli studi angolari classici sui GO convenzionali mostrano la stessa storia: le curve di perdita e permeabilità sono approssimativamente simmetriche intorno alla direzione di laminazione e la perdita specifica del nucleo a 1,5 T può quasi raddoppiare tra 0° e circa 60-90°.

Questo è il motivo per cui "circa 30 gradi" continua a comparire nei moderni lavori sull'anisotropia. Entro questo intervallo, il GO batte ancora l'acciaio non orientato per densità di flusso e perdita. Al di là di questo intervallo, il vantaggio si riduce rapidamente e può effettivamente svanire a flussi o frequenze più elevati.

Per tradurre il tutto in un concetto di design, è possibile trattare l'angolo come un moltiplicatore nella scheda tecnica dell'acciaio, anziché come una nota a piè di pagina.

Impatto approssimativo dell'angolo di magnetizzazione su un tipico acciaio GO (1,5 T, 50 Hz)

La tabella seguente comprime le tendenze di diversi studi sulla dipendenza angolare in una semplice visione relativa. Non sostituisce le vostre misurazioni di Epstein, ma è una mappa approssimativa di ciò che le curve di anisotropia pubblicate già implicano.

Anche in questo caso, i numeri sono indicativi. I gradi, lo spessore, lo stato di sollecitazione e il livello di induzione li fanno variare, ma la forma della tendenza è persistente.

3. Dove i nuclei perdono effettivamente l'orientamento

Sul disegno, il nucleo trifase sembra perfettamente allineato. Nella pila, invece, non lo è.

Gli arti dritti tagliati con la direzione di laminazione parallela al flussante sono il massimo che si possa ottenere dal materiale. Una volta raggiunti i giunti e gli angoli, il flusso deve curvare. Anche con giunzioni a mitria o a gradini, ci sono piccole regioni in cui la direzione locale del flusso taglia le laminazioni a 30-60 gradi. È qui che si nasconde la penalizzazione della tabella precedente.

Recenti lavori sull'anisotropia di nuclei orientati a grani con strati spostati di un angolo costante mostrano cambiamenti misurabili nella perdita totale del nucleo solo cambiando il disallineamento angolare delle lamine in una pila. Studi simili su fogli di Fe-Si GO confermano che la perdita totale è un mix di perdita isotropa da correnti parassite e isteresi fortemente direzionale più perdite in eccesso, tutte oscillanti con l'angolo di magnetizzazione.

I software di progettazione spesso modellano il GO con un semplice tensore di permeabilità costruito solo con curve di rotolamento e trasversali, interpolate ellitticamente. In questo modo si considera la direzione trasversale come la peggiore e si presume che tutto il resto si comporti in modo uniforme. Misure più dettagliate a più angoli mostrano che questa scorciatoia può dare errori notevoli, soprattutto a livelli di flusso più elevati, dove l'anisotropia diventa più non lineare. Questo si manifesta come il divario tra le perdite a vuoto previste e quelle misurate nei nuovi progetti.

Pertanto, qualsiasi regione del nucleo in cui le linee di flusso hanno traiettorie 2D complicate - sovrapposizioni di step-lap, regioni di giunzioni a T, zone angolari di nuclei avvolti - dovrebbe essere mentalmente etichettata come "moltiplicatori di perdita fuori asse", non solo come dettagli geometrici.

4. L'orientamento è anche sollecitazione, rivestimento e lavorazione

L'orientamento non è solo un angolo del modello CAD; lo stato di sollecitazione dell'acciaio e il modello di dominio lo modificano.

I produttori di gradi Hi-B come ORIENTCORE dimostrano che le tensioni di trazione lungo la direzione di laminazione, indotte principalmente dal rivestimento superficiale, possono ridurre l'isteresi e le perdite parassite e allo stesso tempo ridurre la magnetostrizione, favorendo sia l'efficienza che il rumore. Esiste una regione ottimale: se la tensione è troppo bassa, i domini non si stabilizzano; se è troppo alta, le perdite aumentano di nuovo.

Il laser scribing e altre tecniche di ridefinizione del dominio funzionano suddividendo i domini lungo la direzione di laminazione senza distruggere il rivestimento. Le misure effettuate sul 3% Si-Fe mostrano riduzioni significative della perdita di nucleo dopo questo trattamento, a condizione che la magnetizzazione sia vicina alla direzione di laminazione. Una volta che il flusso inizia a ruotare, gli stretti domini accuratamente formati non vengono utilizzati con la stessa efficienza.

Il taglio fa il contrario. La punzonatura meccanica introduce zone di bordo deformate plasticamente con tensioni residue e disorientamento locale. Questo ispessisce di fatto il guscio fuori asse di ogni laminazione, soprattutto nei gradi sottili a bassissima perdita. L'avvolgimento o l'assemblaggio di nuclei con uno scarso controllo della pressione del gap o un serraggio non uniforme aggiungono ulteriori stati di stress che non si allineano perfettamente con la direzione del flusso prevista. Niente di tutto questo è riportato nell'etichetta dell'acciaieria, ma tutto cambia l'anisotropia effettiva che si vede nel trasformatore finito.

La magnetostrizione si ricollega tranquillamente anche all'orientamento. I dati relativi agli acciai a grano orientato mostrano che l'ampiezza della magnetostrizione dipende sia dal grado del materiale sia dall'angolo tra la magnetizzazione e la direzione di laminazione. I giunti disallineati non solo sprecano energia, ma diventano anche fonti di rumore locale.

5. Trattare l'angolo di magnetizzazione come una variabile di progetto

La maggior parte dei flussi di progettazione dei nuclei tratta ancora l'orientamento dei grani come una scelta binaria: usare CRGO, allineare le laminazioni, fatto. Con le attuali aspettative di efficienza e i prezzi dell'energia, si tratta di un approccio molto grossolano.

Una mentalità più utile è quella di trattare l'angolo come una risorsa limitata da allocare.

Le regioni ad alto flusso - arti centrali, gioghi principali, zone laterali del serbatoio in cui l'induzione è spinta vicino a 1,7-1,8 T - meritano angoli di magnetizzazione il più possibile vicini a 0°, come consentito dalla disposizione. Le regioni di giunzione possono tollerare una maggiore deviazione se la densità di flusso locale è ridotta dalla geometria, ma una volta che si lascia che queste regioni vivano intorno ai 30° ad alto flusso, ci si trova nella fila della tabella in cui il moltiplicatore di perdita si avvicina a 1,5 o più.

Gli studi sui materiali che confrontano gli acciai a grano orientato e non orientati tra 0 e 90° confermano ciò che i progettisti già sospettavano: Il GO mantiene un forte vantaggio entro circa 20-30°, poi la sua superiorità svanisce rapidamente. Quindi, se si sta progettando qualcosa in cui il flusso si trova abitualmente a 45-60° in ampie zone, vale la pena di chiedersi se un grado GO premium sia la scelta giusta in termini di costi o se non si debba invece cambiare la geometria.

Le tolleranze di produzione rientrano nello stesso modello mentale. Un processo di taglio che lascia un'incertezza di pochi gradi nella direzione effettiva di laminazione dei singoli nastri può essere accettabile in gioghi a basso flusso, ma diventa costoso se quei nastri migrano negli arti. I bravi costruttori di anime separano già le bobine e gli insiemi di laminazione in base alla perdita e alla direzionalità misurate; i progettisti dovrebbero assumere questo comportamento, non il materiale ideale, quando dimensionano i loro margini di perdita.

6. Quanta efficienza è davvero in gioco?

I numeri rendono la questione meno astratta. Prendiamo un trasformatore di distribuzione da 1 MVA con un nucleo Hi-B moderno. Utilizzando i gradi GO contemporanei intorno a 0,23-0,27 mm, si può puntare a perdite a vuoto vicine a 800-1000 W all'induzione nominale, secondo le tipiche tabelle dei gradi.

Ora supponiamo che le scelte di progettazione e produzione del nucleo spingano effettivamente l'angolo di magnetizzazione medio in una frazione del nucleo da "quasi perfetto" a una fascia di 20-30°. La tabella precedente suggerisce un aumento plausibile di 30-50% della perdita specifica in queste regioni a parità di densità di flusso. Supponiamo che l'effetto netto sia un aumento conservativo di 20% della perdita totale a vuoto: 160-200 W in più.

Nell'arco di 25 anni di vita, con il trasformatore alimentato per la maggior parte del tempo, quei 200 W in più bruciano tranquillamente circa 44 MWh. Anche a prezzi modesti dell'energia, si tratta di diverse migliaia di costi operativi che non hanno ottenuto nulla se non alimentare l'anisotropia nel modo sbagliato. Se si considera una flotta di migliaia di unità, le colonne del foglio di calcolo della capitalizzazione delle perdite iniziano ad avere un aspetto diverso.

Il punto chiave è che questo costo non è un costo di "qualità del materiale", ma è un costo di orientamento. L'acciaio buono è già stato pagato.

7. Misurare e controllare gli effetti dell'orientamento

I laboratori si stanno adeguando alle esigenze dei progettisti. I test convenzionali del telaio di Epstein a 0° e 90° costituiscono ancora la spina dorsale della certificazione di qualità, ma ora si lavora molto di più sulla caratterizzazione multi-angolo e sulla modellazione dell'anisotropia. Invece di fornire al solutore due curve e interpolare, è possibile costruire modelli basati su misurazioni a tre o più angoli di taglio e prevedere le proprietà per angoli arbitrari con una migliore fedeltà.

I metodi non distruttivi, come il rumore magnetico di Barkhausen, vengono utilizzati anche per classificare gli acciai a grana orientata e dedurre la qualità della struttura e lo stress senza un test magnetico completo; è interessante notare che la loro dipendenza angolare è in linea con l'idea che le proprietà rimangano abbastanza piatte fino a una certa finestra angolare prima di degradarsi. Questo vi fornisce gli strumenti per verificare se la bobina appena arrivata al vostro stabilimento ha la consistenza nitida e lo stato di stress ridotto che avete progettato.

Per i trasformatori in funzione, non è ovviamente possibile reinserire il nucleo in un telaio di Epstein. Tuttavia, è possibile monitorare il contenuto armonico della corrente di magnetizzazione, gli schemi di temperatura sui giunti e le tracce di rumore intorno agli angoli come prova indiretta dello spreco di orientamento.

8. Dove si sta dirigendo la ricerca sull'orientamento dei cereali - e perché questo si ripercuote sui trasformatori

Gran parte del lavoro recente sugli acciai a grano orientato è in realtà guidato da motori, non da trasformatori. Gli ingegneri stanno sperimentando statori segmentati in cui ogni segmento mantiene il suo flusso all'interno di quella finestra favorevole di ±20-30° e guadagna qualche punto percentuale di coppia o di efficienza rispetto ai nuclei non orientati.(PMC) Questa è solo un'altra espressione della stessa anisotropia che si riscontra nelle giunzioni dei trasformatori.

GO ultrasottile, leghe di silicio più elevate e rivestimenti avanzati continuano a ridurre le perdite di nucleo in condizioni di allineamento ideale. Ma mentre le perdite intrinseche dei materiali si riducono, aumenta la quota di perdite dovute a errori di orientamento, danni da taglio e stress di assemblaggio. L'importanza relativa della disciplina di progettazione e produzione cresce anche se i watt assoluti diminuiscono.

Il risultato pratico è quindi semplice, anche se l'esecuzione è disordinata. L'orientamento della grana non è uno slogan: è un bene scarso. Lo si sceglie quando si sceglie il CRGO, poi lo si protegge con una buona geometria, un taglio stretto, un attento controllo delle sollecitazioni e una modellazione realistica, oppure se ne sottraggono pezzi negli angoli e nelle giunzioni. Al trasformatore non interessa se i watt in più provengono da una qualità più economica o da un angolo poco preciso; conosce solo il percorso di magnetizzazione che vede effettivamente.