Progettazione della laminazione dei trasformatori di distribuzione: linee guida pratiche

Se si tratta laminazione Il progetto di un trasformatore è stato concepito come un dettaglio neutro dal punto di vista dei costi, ma si finisce per pagarne le conseguenze ogni ora in cui il trasformatore è sotto tensione. La maggior parte della perdita a vuoto, una buona fetta del livello sonoro e una sorprendente quantità di affidabilità sono già bloccate nel momento in cui si scelgono lo spessore, il fattore di impilamento, lo stile di giunzione e la sovrapposizione. Questo testo si propone di prendere le decisioni giuste al primo colpo.

1. Partire dal bilancio delle perdite, non dal catalogo dell'acciaio

La laminazione del nucleo non è una decorazione economica. Per i piccoli trasformatori di distribuzione monofase, il materiale del nucleo da solo può rappresentare circa un terzo del costo totale del materiale e le sue perdite dominano il costo di esercizio.

Un utile reset mentale è semplice: iniziare con l'obiettivo di perdita a vuoto e il livello sonoro consentito, quindi forzare le scelte di laminazione per servire questo, non il contrario.

Per le unità da 5-50 kVA, uno studio di sensibilità su 144 progetti ha messo a confronto tre spessori di CRGO (0,18, 0,23, 0,27 mm) e ha dimostrato che la lastra M3 da 0,23 mm ha solitamente fornito sia il prezzo d'offerta più basso che il costo totale di proprietà più basso in circa quattro casi su cinque. Questo non significa che 0,23 mm sia universalmente "il migliore"; significa che si vince con uno spessore minore solo quando la capitalizzazione delle perdite è veramente elevata, o quando le normative ci costringono fisicamente a farlo.

Quindi, prima di toccare il CAD:

Concordate i fattori di capitalizzazione per le perdite a vuoto e a carico. Si traducono in una finestra di perdita a vuoto accettabile. Solo allora ci si chiede: "Quale spessore e quale materiale mi permette di raggiungere questa finestra con un certo margine?".

Se si salta questo passaggio, l'"ottimizzazione" della laminazione diventa rapidamente una congettura.

2. Materiale e spessore: scendere deliberatamente a compromessi

Acciaio elettrico orientato al grano (GOES) è ancora il cavallo di battaglia dei trasformatori di distribuzione convenzionali. I tipi tipici a 50/60 Hz funzionano comodamente con induzioni fino a circa 1,7 T con perdite e corrente di magnetizzazione accettabili, a condizione che il percorso del flusso rimanga principalmente lungo la direzione di rotazione.

Le schede tecniche dei moderni GOES mostrano fattori di laminazione superiori a 95% anche per calibri sottili. Un esempio: a una pressione di pila di 50 psi, una striscia di 0,18 mm fornisce fattori di laminazione intorno a 95-96%, 0,23 mm intorno a 95-96%, 0,27 mm intorno a 96-97% e 0,35 mm possono toccare 98%, a seconda del rivestimento. Questo dato da solo ci dice qualcosa. Una lastra più spessa aumenta leggermente il fattore di impilamento, ma danneggia le perdite parassite. Un foglio più sottile fa l'opposto. Non esiste un pranzo gratis, ma solo un equilibrio.

Il nastro amorfo è ancora una volta diverso. La sua perdita di materiale è molto più bassa, ma il fattore di impilamento dei nuclei avvolti è di circa 0,8 anziché 0,95+, e l'induzione utilizzabile è più bassa, approssimativamente nella regione di 1,3-1,4 T per i progetti pratici. Si ottiene un'enorme riduzione dei watt a vuoto, ma si restituisce rame in più e una finestra del nucleo più ampia.

Un modo pratico per pensarci:

Per i trasformatori di distribuzione a efficienza standard, per i quali l'utility si concentra ancora sul prezzo d'acquisto, il CRGO intorno a 0,23-0,27 mm è di solito il punto di forza.

Per le classi di efficienza più elevate, in cui la penalizzazione della perdita a vuoto è notevole, il passaggio al CRGO da 0,18 mm o all'amorfo ha senso, ma solo se la produzione può sopportare un fattore di impilamento inferiore e un materiale più fragile.

La chiave è scegliere lo spessore solo dopo aver valutato il costo della perdita a vita rispetto all'acciaio e al rame aggiuntivi. L'istinto non è più sufficiente.

3. Fattore di impilamento e fattore di costruzione: trattarli come variabili di progetto

Il fattore di impilamento non è qualcosa che accade al vostro nucleo. È un numero che va progettato e poi misurato.

Formalmente, il fattore di impilamento è il rapporto tra la sezione trasversale magnetica effettiva e l'area lorda impilata. Si riduce a causa dello spessore del rivestimento isolante, delle bave, degli spazi vuoti e del disallineamento. In pratica, per l'acciaio al silicio di circa 0,3-0,5 mm alla frequenza di potenza, i fattori di impilamento tipici sono di circa 0,92-0,96, e le pile GOES ben costruite possono superare 0,95 anche a spessori più sottili. I nuclei amorfi vivono più bassi, spesso vicini a 0,8.

Ecco una tabella compatta da utilizzare per il dimensionamento:

Il fattore di costruzione è l'altro elemento silenzioso. Esso indica quante perdite aggiuntive derivano da giunzioni, intercapedini, distorsioni e sollecitazioni residue oltre a quelle indicate nel catalogo delle perdite. Gli studi sulla progettazione dei giunti e sulla scelta della laminazione dimostrano costantemente che giunti scadenti e pressione di assemblaggio possono aggiungere diversi punti percentuali alle perdite dell'anima, anche quando l'acciaio è identico.

Se si progettano software o fogli di calcolo, è più salutare:

Utilizzare ks da una tabella come quella sopra riportata invece di un singolo 0,97 magico. Applicare un fattore di costruzione sulla perdita, non sull'area, e sintonizzarlo con i test a vuoto misurati dalla propria fabbrica.

In questo modo i calcoli rispecchiano la realtà e non i desideri.

4. Geometria del nucleo a gradini: quanti gradini sono sufficienti?

La maggior parte dei trasformatori di distribuzione utilizza nuclei a gradini in modo che il rame veda qualcosa di simile a una colonna circolare, senza che sia necessario ricavare un cerchio dall'acciaio solido.

I manuali di progettazione classici indicano la frazione del cerchio effettivamente riempita dall'acciaio per un numero diverso di gradini. Una tabella molto utilizzata indica circa 85% di riempimento per un nucleo a tre gradini, circa 91% per cinque gradini, circa 93-94% per sette-nove gradini e circa 96% per undici gradini.

Lo schema è semplice. I primi passi offrono molti miglioramenti. Dopo sette o nove, si paga la complessità per forse un punto percentuale in più di riempimento del cerchio.

Per le piccole unità da palo, tre gradini possono andare bene se l'obiettivo di perdita non è aggressivo e la produzione vuole la semplicità, anche se molti produttori si standardizzano su cinque. Per i trasformatori di distribuzione di classe 100-630 kVA con specifiche a vuoto più rigide, sono comuni da cinque a sette gradini. Nove o più passi iniziano ad avere senso soprattutto per le unità ad alta efficienza o più grandi, dove ogni watt di perdita viene monetizzato e la geometria dell'avvolgimento beneficia davvero di un cerchio più preciso.

L'altra variabile tranquilla è la distribuzione della larghezza dei gradini. Per i progetti di finestre rettangolari, uno schema con gradini più stretti all'interno e più larghi all'esterno tende a facilitare il posizionamento degli avvolgimenti e a fornire una densità di corrente più uniforme senza grandi penalizzazioni nella distribuzione del flusso, a condizione che l'area media sia corretta.

Non esiste una regola universale, ma si può ragionare in due passaggi. Primo passaggio: scegliere il numero di passi dalla classe di potenza e di efficienza. Secondo passaggio: regolare la larghezza dei singoli gradini in modo che il cerchio finale visto dall'avvolgimento sia compatibile con il layout del conduttore, non solo con il modello ad elementi finiti.

5. Stile di giunzione: testa, obliqua e a gradini nella vita reale.

La progettazione dei giunti per le laminazioni è il momento in cui teoria, diagrammi FEA e pressione di produzione si scontrano.

Le giunzioni Butt-lap sono semplici da tagliare e impilare. Inoltre, producono un forte affollamento di flusso locale in corrispondenza delle giunzioni, una maggiore corrente magnetizzante e una maggiore perdita a vuoto. Le diapositive dei grandi produttori di trasformatori mostrano ancora chiaramente questo contrasto.

Le giunzioni completamente oblique distribuiscono meglio il flusso lungo la direzione di laminazione, riducendo la saturazione locale. Le giunzioni a gradini si spingono oltre, sfalsando i tagli su più gradini in modo che il flusso non veda un'unica brusca discontinuità. I dati industriali dimostrano che i nuclei step-lap, rispetto ai tradizionali butt-lap, possono fornire una notevole riduzione dei watt a vuoto, della corrente di magnetizzazione e del livello sonoro a parità di qualità dell'acciaio e di induzione.

Oggi, per i nuovi trasformatori di distribuzione al di sopra dei valori nominali più bassi, il mitred step-lap è fondamentalmente la linea di base. Non è più una tecnologia esotica. Le domande interessanti sono: quanti gradini ci sono nel giunto, quale lunghezza di sovrapposizione e come si allineano i libri.

6. Lunghezza di sovrapposizione e numero di laminazioni per passo

Si è tentati dall'idea che "più sovrapposizioni devono essere più sicure". I dati non sono d'accordo.

Uno studio sperimentale che ha variato la lunghezza della sovrapposizione delle giunzioni e il numero di laminazioni per gradino nei nuclei dei trasformatori di distribuzione ha rilevato che, all'interno dell'intervallo pratico, il numero di laminazioni per gradino ha un effetto netto minimo sulle perdite, perché i vincoli di produzione lo scambiano con altre dimensioni. Tuttavia, aumentando la sovrapposizione da circa 1 cm a 2 cm, le perdite del nucleo aumentano chiaramente a causa della maggiore distorsione del flusso nella regione del giunto.

Cosa significa in pratica:

Mantenete la sovrapposizione più corta possibile, pur rispettando i vincoli di resistenza meccanica e di assemblaggio. Circa 10 mm è spesso un punto di partenza ragionevole per nuclei di distribuzione di medie dimensioni; arrivare a 20 mm può costare diversi watt senza un reale guadagno elettrico.

Non bisogna ossessionarsi con l'aggiunta di un numero di laminazioni per fase superiore a quello che l'apparecchiatura di taglio e impilatura è in grado di gestire in modo coerente. Lo studio suggerisce che la sensibilità delle perdite a questo parametro è bassa una volta impostate la sovrapposizione e la geometria di base.

Più utile è mantenere una tolleranza rigorosa sulla planarità e sulla distanza del giunto e controllare come i passi di un arto si intrecciano con il giogo. È qui che i modelli a elementi finiti si rivelano utili, soprattutto se si dispone già di utensili e se sono possibili solo piccole modifiche della forma.

7. Interstizi d'aria, sbavature e i danni silenziosi di una cattiva finitura

Anche una geometria perfetta su carta può essere rovinata da un taglio e da un impilamento approssimativi.

I rivestimenti isolanti e le bave incidono sul fattore di impilamento, ma le bave introducono anche sollecitazioni meccaniche locali e piccoli spazi vuoti che peggiorano l'isteresi e le perdite parassite oltre quanto previsto dal catalogo di laminazione. Norme come la ASTM A719 trattano il fattore di laminazione come una funzione dello spessore del foglio, del rivestimento e della compressione, e richiedono esplicitamente la sbavatura per ottenere risultati ripetibili.

Le raccomandazioni tipiche dei libri di testo e dei dati della cartiera si riducono a:

Mantenere l'altezza della bava ben al di sotto dello spessore dell'isolamento, spesso indicato come inferiore a 10% dello spessore della lastra.

Controllare la pressione della pila durante la misurazione e l'assemblaggio; se è troppo bassa, i vuoti rimangono aperti; se è troppo alta, si possono distorcere le laminazioni o danneggiare i rivestimenti, con conseguente perdita.

Un aspetto ovvio, ma ancora sorprendentemente frequente nelle piccole officine, è che devono essere scartati i laminati che presentano ruggine, piegature o ammaccature, non "nascosti" negli strati interni. Le guide pratiche sottolineano l'ispezione visiva e la selezione per questo motivo.

Se si desidera un rapido controllo del processo, una semplice misurazione del fattore di impilamento basato sulla densità su una pila compressa rispetto alla densità del materiale è economica e rivelatrice. Un ks che scende da 0,96 a 0,93 significa che si sta eliminando la sezione trasversale e si sta aumentando la densità del flusso ovunque, indipendentemente dal fatto che si siano modificati i disegni.

8. La planarità, la ricottura di distensione e perché il programma del forno è importante per la progettazione della laminazione.

GOES si basa su grani accuratamente orientati. La lavorazione meccanica, la piegatura stretta o la punzonatura in prossimità dei bordi introducono tensioni che degradano la permeabilità e aumentano le perdite; la ricottura di attenuazione delle tensioni può ripristinare gran parte delle prestazioni magnetiche, ma solo se le laminazioni sono supportate e riscaldate in modo da preservare la planarità e la qualità del rivestimento.

Gli intervalli di distensione tipici per i GOES sono di circa 760-845 °C in un'atmosfera protettiva come l'azoto secco, a volte con una quantità controllata di idrogeno. Il problema è che se i pezzi del nucleo sono impilati o bloccati in modo diverso dalle condizioni di assemblaggio finali, dopo la ricottura possono molleggiare o deformarsi. Poi, quando si costruisce l'anima, appaiono piccoli vuoti indesiderati nelle giunzioni e nei passaggi.

Il progetto di laminazione e la pratica di ricottura devono quindi dialogare. Se si passa dal butt-lap al multi-step-lap e da una lastra di 0,27 mm a una di 0,18 mm, ma i dispositivi di ricottura e il regime di pressione rimangono in linea con il vecchio progetto, i risparmi teorici in termini di perdite saranno in parte vanificati dalla distorsione e dai danni al rivestimento.

Questo è uno dei motivi per cui alcuni produttori acquistano nuclei multi-step-lap completamente assemblati e sottoposti a sollecitazioni da fornitori specializzati. Le schede tecniche di questi fornitori indicano esplicitamente che le giunzioni step-lap, se prodotte correttamente, possono ottenere le perdite più basse possibili per un determinato tipo di acciaio in un progetto flat-stack.

Se la produzione di nuclei è interna, vale la pena di fare un breve esercizio di progettazione di esperimenti: variare la temperatura di ricottura, il tempo e la pressione di impilamento per un progetto di laminazione fisso e misurare effettivamente il fattore di laminazione e la perdita a vuoto sui nuclei prototipo. È più lento che non cambiare nulla, ma molto più veloce che spedire trasformatori rumorosi per anni.

9. Fori in gioghi, morsetti e dettagli meccanici che disturbano il flusso

I nuclei reali hanno bisogno di fori per i bulloni, fessure di allineamento e interfacce per i morsetti. Ogni volta che si rimuove l'acciaio da una regione ad alto flusso, si costringe il flusso a stringersi attorno all'ostacolo e ad aumentare l'induzione locale.

I testi di progettazione dei trasformatori sottolineano che i fori praticati nelle laminazioni del giogo, soprattutto in prossimità del centro del braccio, distorcono l'andamento del flusso e aumentano localmente la densità del flusso e la magnetostrizione. Ciò comporta un'ulteriore perdita di nucleo e talvolta un "punto caldo" udibile nelle misurazioni del suono.

Un paio di aggiustamenti pratici aiutano:

Mantenere il più possibile pulita la regione di massimo flusso del giogo. Spostare i fori grandi leggermente lontano dalla linea centrale o in zone in cui l'induzione calcolata è già più bassa a causa della forma del gradino.

Sincronizzare lo schema dei gradini con le posizioni dei bulloni, in modo da evitare che i bulloni vengano a trovarsi nel punto in cui diversi gradini hanno già ristretto l'area effettiva.

Quando si utilizzano gioghi sfalsati o sezioni ridotte per risparmiare acciaio, ricontrollare la densità di flusso con fattori di impilamento e costruzione realistici; molti progetti si avvicinano al ginocchio della curva B-H una volta applicati tali fattori.

Queste regolazioni non sono affascinanti, ma spesso fanno la differenza tra un'anima che si comporta come il modello FEM e una che sorprende sul campo di prova.

10. Armoniche, forme d'onda distorte e scelte di laminazione

I trasformatori di distribuzione raramente vedono onde sinusoidali perfette. I carichi non lineari e le reti ricche di convertitori iniettano armoniche che aumentano il picco di oscillazione del flusso e le perdite dinamiche nel nucleo. Gli studi sulle perdite di ferro dei trasformatori in presenza di tensione distorta mostrano che le armoniche più elevate possono spingere la perdita a vuoto significativamente al di sopra del valore misurato con un test sinusoidale, anche quando la tensione RMS viene mantenuta invariata.

Le laminazioni interagiscono con questa realtà in diversi modi.

Laminazioni più sottili riducono le perdite per correnti parassite alle frequenze armoniche più elevate, ma, come visto in precedenza, possono ridurre leggermente il fattore di impilamento. Una modesta riduzione dell'induzione di progetto, ad esempio da 1,7 T a 1,6 T, combinata con una lamina leggermente più sottile, può spesso tenere sotto controllo le perdite ricche di armoniche senza una crescita eccessiva delle dimensioni.

D'altra parte, se si insiste su un'elevata induzione e su lamiere spesse su una rete nota per avere forti armoniche di 3°, 5° o 7°, la perdita apparente del nucleo in loco può superare di molto i valori accettati in fabbrica. I clienti non daranno la colpa ai lamierini, ma vedranno solo un "trasformatore inefficiente".

Quando i profili di carico sono incerti, una regola conservativa è quella di tenersi a una certa distanza dall'induzione nominale del materiale, soprattutto per i nuclei amorfi la cui magnetostrizione è più sensibile, e di specificare una prova con una forma d'onda distorta rappresentativa dell'applicazione quando il contratto è abbastanza grande da giustificarla.

11. Uno schizzo lavorato: Unità trifase a nucleo da 250 kVA, 11/0,4 kV

Non si tratta di un progetto completo, ma solo di un'istantanea per mostrare come le decisioni in materia di laminazione siano collegate tra loro.

Immaginate un trasformatore di distribuzione da 250 kVA, 50 Hz, immerso in olio, trifase, 11 kV / 0,4 kV, con un requisito di efficienza moderata tipico di molte aziende di servizi pubblici.

Si parte da un obiettivo di perdita a vuoto di, ad esempio, circa 450-500 W. L'azienda fornisce fattori di capitalizzazione che fanno sì che la riduzione di 50 W di perdita a vuoto valga un po' di acciaio in più.

Si considerano GOES da 0,27 mm e 0,23 mm. I dati del catalogo e il documento sulla sensibilità suggeriscono che 0,23 mm M3 può dare una perdita accettabile e un buon equilibrio del costo del materiale per questo rating. Si punta a un'induzione di progetto vicina a 1,6 T sotto tensione nominale, non all'estremo superiore assoluto.

Utilizzando la nota relazione volt/giro, si sceglie un volt/giro che dà una sezione trasversale del nucleo di circa 0,036 m² a 1,6 T con 50 Hz. L'area lorda è quindi A_total ≈ A_net / ks. Con ks scelto come 0,955 dalla tabella, si ottiene un'area lorda superiore di qualche punto percentuale rispetto all'ipotesi iniziale, sufficiente a mantenere l'acciaio onesto.

Per la geometria, si sceglie una configurazione di gambe e gioghi circolari a cinque passi. In questo modo si ottiene un riempimento del cerchio di circa 91%, quindi il rame vede una colonna abbastanza rotonda. Si specificano giunzioni a gradino completamente oblique con sovrapposizione di circa 10 mm e una dimensione standard del libro di cinque laminazioni per gradino, compatibile con la propria linea di taglio e ispirata alle tipiche offerte di anime a più gradini.

Si decide che i fori dei bulloni nel castello devono essere leggermente lontani dalla zona di massimo flusso e si allinea lo schema dei gradini in modo che i bulloni non colpiscano le sezioni effettive più strette.

Infine, si inserisce tutto questo nel modello di perdita del nucleo con un fattore di costruzione realistico, ad esempio 1,05 sulla perdita di catalogo all'induzione scelta, che riflette le prestazioni storiche della fabbrica su nuclei simili. Se la perdita a vuoto prevista è ancora troppo alta, si sa che è necessario ridurre l'induzione, passare a uno spessore inferiore o migliorare la progettazione delle giunzioni e la pratica di ricottura; è inutile risparmiare qualche giro e sperare.

In officina, si conferma il fattore di impilamento utilizzando il metodo della densità su pile di campioni, con l'obiettivo di vedere ks nella fascia prevista di 0,95-0,96. Se il risultato è basso, non si incolpa l'equazione, ma si esegue il debug del taglio, del rivestimento e dell'impilaggio.

Le decisioni sulla laminazione sono ora scelte tracciabili e testabili, non conoscenze tribali.

12. Riflessioni conclusive

La progettazione della laminazione per i trasformatori di distribuzione è uno di quegli argomenti che sembrano banali finché non si iniziano a mettere dei numeri accanto a ogni "piccola" decisione. Spessore, fattore di impilamento, numero di passi, stile di giunzione, lunghezza di sovrapposizione, condizioni di ricottura, posizionamento dei fori e ambiente armonico sono tutti fattori che spingono e tirano verso gli stessi due risultati: perdita a vuoto e suono.

Le norme e le schede tecniche ufficiali spiegano i materiali. Ciò che tende a mancare è la tranquilla disciplina di trattare i parametri di laminazione come vere e proprie variabili di progetto. Una volta fatto questo, il resto del trasformatore - avvolgimenti, raffreddamento, isolamento - ha un lavoro molto più semplice.