배전 변압기 적층 설계: 실용적인 지침

치료하는 경우 라미네이션 설계를 비용 중립적인 세부 사항으로 생각하면 결국 변압기에 전원이 공급될 때마다 비용을 지불하게 됩니다. 두께, 적층 계수, 조인트 스타일 및 오버랩을 선택하는 순간 대부분의 무부하 손실, 상당한 소음 수준 및 놀라운 수준의 신뢰성이 이미 결정됩니다. 이 글은 이러한 결정을 처음에 올바르게 내리는 방법에 관한 것입니다.

1. 스틸 카탈로그가 아닌 손실 예산부터 시작하세요.

코어 라미네이션은 값싼 장식이 아닙니다. 소형 단상 배전 변압기의 경우 코어 재료만 전체 재료비의 약 1/3을 차지할 수 있으며, 이로 인한 손실이 평생 소유 비용의 대부분을 차지합니다.

무부하 손실 목표와 허용되는 사운드 레벨로 시작한 다음, 그 반대 방향이 아닌 그 목표에 부합하도록 라미네이션 선택을 강제하는 것입니다.

5~50kVA 장치의 경우 144개 설계에 대한 민감도 연구에서 세 가지 CRGO 두께(0.18, 0.23, 0.27mm)를 비교한 결과 0.23mm M3 시트가 일반적으로 5건 중 약 4건에서 최저 입찰 가격과 최저 총 소유 비용을 모두 제공한 것으로 나타났습니다. 그렇다고 해서 0.23mm가 보편적으로 '최고'라는 의미는 아니며, 손실 자본화가 정말 높거나 규정으로 인해 물리적으로 더 얇게 해야만 이길 수 있다는 뜻입니다.

따라서 CAD를 만지기 전에

무부하 및 부하 손실에 대한 자본화 계수에 동의합니다. 이를 허용 가능한 무부하 손실 구간으로 변환합니다. 그런 다음 "어떤 두께와 재질로 이 창을 어느 정도 여유 있게 맞출 수 있을까?"라고 질문합니다.

이 과정을 건너뛰면 라미네이션 '최적화'는 금방 추측이 되어버립니다.

2. 재질 및 두께: 고의적인 타협

곡물 지향 전기강(GOES) 는 여전히 기존 배전 변압기의 주력 제품입니다. 50/60Hz의 일반적인 등급은 자속 경로가 대부분 롤링 방향을 따라 유지되는 경우 허용 가능한 손실 및 자화 전류로 최대 약 1.7T의 인덕션에서 편안하게 작동합니다.

최신 GOES의 데이터시트에는 얇은 게이지의 경우에도 95% 이상의 라미네이션 계수가 표시됩니다. 한 가지 예로, 50psi 스택 압력에서 0.18mm 스트립은 95-96%, 0.23mm는 95-96%, 0.27mm는 96-97%, 0.35mm는 코팅에 따라 98%에 닿을 수 있는 라미네이션 인자를 제공합니다. 이것만으로도 알 수 있습니다. 시트가 두꺼우면 스태킹 계수가 약간 증가하지만 와류 손실이 발생합니다. 더 얇은 시트는 그 반대입니다. 공짜 점심은 없고 균형만 있습니다.

아몰퍼스 리본은 또 다릅니다. 재료 손실은 훨씬 낮지만 권선 코어의 적층 계수는 0.95 이상이 아닌 약 0.8이며 사용 가능한 인덕션은 실용적인 설계를 위해 대략 1.3-1.4T 영역에서 더 낮습니다. 무부하 와트가 크게 감소하고 구리를 더 많이 사용하고 코어 창이 더 커집니다.

실용적인 방법으로 생각해 보세요:

유틸리티가 여전히 구매 가격에 초점을 맞추는 표준 효율 배전 변압기의 경우 일반적으로 0.23~0.27mm 정도의 CRGO가 최적 지점입니다.

무부하 손실에 대한 페널티가 심한 상위 효율 등급의 경우 0.18mm CRGO 또는 비정질로 전환하는 것이 합리적이지만, 제조가 더 낮은 적층 계수와 더 깨지기 쉬운 재료를 견딜 수 있는 경우에만 가능합니다.

핵심은 여분의 강철과 구리 대비 수명 손실 비용에 대한 수치를 확인한 후에 두께를 선택하는 것입니다. 더 이상 직감만으로는 충분하지 않습니다.

3. 스태킹 팩터와 빌딩 팩터: 설계 변수로 취급하기

스태킹 팩터는 코어에서 발생하는 것이 아닙니다. 스태킹 팩터는 설계한 다음 측정해야 하는 수치입니다.

공식적으로 적층 계수는 총 적층 면적에 대한 유효 자기 단면적의 비율입니다. 절연 코팅 두께, 버, 간격 및 정렬 불량으로 인해 떨어집니다. 실제로 전력 주파수에서 0.3~0.5mm 정도의 실리콘 스틸의 경우 일반적인 스태킹 계수는 약 0.92~0.96이며, 잘 만들어진 GOES 스택은 더 얇은 게이지에서도 0.95를 초과할 수 있습니다. 아몰퍼스 코어는 이보다 낮은 0.8에 가까운 경우가 많습니다.

다음은 크기를 조정할 때 실제로 사용할 수 있는 간결한 표입니다:

빌딩 팩터는 또 다른 조용한 플레이어입니다. 이는 카탈로그 손실에 표시된 것 외에 접합부, 에어 갭, 뒤틀림 및 잔류 응력으로 인한 추가 손실이 얼마나 발생하는지 파악합니다. 접합부 설계 및 적층 선택에 관한 논문은 강재 자체가 동일하더라도 접합부 및 조립 압력이 불량하면 코어 손실이 몇 퍼센트 더 늘어날 수 있음을 일관되게 보여줍니다.

소프트웨어나 스프레드시트를 디자인하는 경우, 더 건강한 방법을 사용하는 것이 좋습니다:

단일 매직 0.97 대신 위와 같은 표의 ks를 사용하세요. 면적이 아닌 손실에 건물 계수를 적용하고 자체 공장에서 측정한 무부하 테스트와 비교하여 조정합니다.

이렇게 하면 수학이 희망적인 생각 대신 현실을 반영합니다.

4. 계단식 코어 지오메트리: 몇 단계로 충분할까요?

대부분의 배전 변압기는 계단식 코어를 사용하므로 실제로 단단한 강철로 원을 가공할 필요 없이 구리가 원형 기둥에 가까운 모양을 갖출 수 있습니다.

고전적인 설계 핸드북은 단계 수에 따라 실제로 강철로 채워지는 원의 비율을 제시합니다. 널리 사용되는 한 표에 따르면 3단 코어의 경우 약 85%, 5단의 경우 약 91%, 7~9단의 경우 약 93-94%, 11단의 경우 약 96%가 채워집니다.

패턴은 간단합니다. 처음 몇 단계를 거치면 많은 개선이 이루어집니다. 7~9단계가 지나면 원 채우기가 1% 정도 더 복잡해집니다.

소형 극탑 장치의 경우 손실 목표가 공격적이지 않고 제조에서 단순성을 원하는 경우 3단계가 적합할 수 있지만 많은 제조업체가 5단계로 표준화합니다. 무부하 사양이 더 엄격한 100~630kVA급 배전 변압기의 경우 5~7단계가 일반적입니다. 9단계 이상은 주로 모든 와트의 손실이 수익화되고 권선 형상이 더 정확한 원의 이점을 제공하는 고효율 또는 더 큰 장치에 적합하기 시작합니다.

또 다른 조용한 변수는 스텝 폭을 어떻게 분배하는가입니다. 직사각형 창 디자인의 경우, 평균 면적이 정확하다면 안쪽이 좁고 바깥쪽이 넓은 패턴이 권선 배치가 용이하고 플럭스 분포에 큰 불이익 없이 더 균일한 전류 밀도를 제공하는 경향이 있습니다.

여기에는 보편적인 규칙은 없지만 두 가지 방법으로 생각할 수 있습니다. 첫 번째 패스: 정격 및 효율 등급에서 스텝 수를 선택합니다. 두 번째 패스: 개별 스텝 폭을 조정하여 권선에 보이는 최종 원이 유한 요소 모델뿐만 아니라 도체 레이아웃에도 적합하도록 합니다.

5. 관절 스타일: 엉덩이, 연귀, 스텝 랩 등 실생활에서의 관절 스타일

라미네이션을 위한 접합 설계는 이론, FEA 플롯 및 생산 압력이 모두 충돌하는 곳입니다.

버트 랩 조인트는 절단 및 적층이 간단합니다. 또한 조인트에서 강한 국부 자속 밀집, 더 높은 자화 전류 및 더 높은 무부하 손실을 생성합니다. 대형 변압기 제조업체의 슬라이드 데크는 여전히 이러한 대비를 명확하게 보여줍니다.

완전 미트릿 조인트는 롤링 방향을 따라 플럭스를 더 잘 분배하여 국부 포화도를 감소시킵니다. 스텝 랩 미트릿 조인트는 여러 단계에 걸쳐 엇갈리게 절단하여 플럭스가 갑작스러운 불연속성을 보이지 않도록 합니다. 산업 데이터에 따르면 스텝 랩 코어는 기존 버트 랩에 비해 동일한 강종 및 인덕션에 대해 무부하 와트, 자화 전류 및 소음 수준을 눈에 띄게 감소시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.

오늘날 가장 낮은 정격 이상의 새로운 배전 변압기에는 기본적으로 미티드 스텝 랩이 기본으로 사용됩니다. 더 이상 이국적인 기술이 아닙니다. 이제 흥미로운 질문은 조인트의 스텝 수, 겹침 길이, 책 정렬 방식입니다.

6. 단계당 오버랩 길이 및 라미네이션 수

"겹치는 부분이 많을수록 더 안전할 것"이라는 유혹적인 생각이 있습니다. 데이터는 그렇지 않습니다.

배전 변압기 코어의 조인트 오버랩 길이와 스텝당 적층 수를 변경하는 실험 연구에서 실제 범위 내에서 스텝당 적층 수는 제조 제약 조건으로 인해 다른 치수와 교환되므로 손실에 미치는 순 영향은 거의 없는 것으로 나타났습니다. 그러나 겹침이 약 1㎝에서 2㎝로 증가하면 접합 영역에서 자속 왜곡이 더 심해져 코어 손실이 분명히 증가했습니다.

이것이 실제로 무엇을 의미할까요?

기계적 강도 및 조립 제약을 충족하면서 겹치는 부분을 최대한 짧게 유지하세요. 중간 크기의 분배 코어의 경우 10mm 정도가 적당한 시작점이며, 20mm로 가면 실제 전기적 이득 없이 몇 와트의 비용이 발생할 수 있습니다.

절단 및 적층 장비가 일관되게 처리할 수 있는 수준을 넘어 단계당 더 많은 라미네이션을 추가하는 데 집착하지 마세요. 연구에 따르면 오버랩과 기본 형상을 설정하면 해당 매개변수에 대한 손실 민감도가 낮다고 합니다.

조인트 평탄도와 간격에 대한 엄격한 허용 오차를 유지하고 한 팔다리의 스텝이 요크와 맞물리는 방식을 제어하는 것이 더 유용합니다. 특히 이미 툴링이 있고 작은 모양 변경만 가능한 경우 유한 요소 모델이 실제로 효과가 있는 곳입니다.

7. 에어 갭, 버, 마감 불량으로 인한 조용한 손상

종이 위의 완벽한 도형도 자르고 쌓는 과정이 엉성하면 망칠 수 있습니다.

단열 코팅과 버는 적층 계수에 영향을 주지만, 버는 또한 국부적인 기계적 응력과 작은 틈을 발생시켜 라미네이션 카탈로그에서 예측하는 것 이상으로 히스테리시스 및 와류 손실을 악화시킵니다. ASTM A719와 같은 표준은 적층 계수를 시트 두께, 코팅 및 압축의 함수로 취급하며, 반복 가능한 결과를 얻기 위해 명시적으로 디버링을 요구합니다.

교과서와 밀 데이터의 일반적인 권장 사항은 다음과 같이 요약됩니다:

버 높이를 단열재 두께보다 훨씬 낮게 유지하세요(보통 시트 두께의 10% 미만).

측정 및 조립 중에 스택 압력을 제어합니다. 너무 낮으면 틈이 열려 있고 너무 높으면 라미네이션이 왜곡되거나 코팅이 손상되어 손실이 다시 발생할 수 있습니다.

명백한 측면이지만 소규모 상점에서는 여전히 놀랍게도 녹, 구부러짐 또는 찌그러짐이있는 라미네이션은 내부 레이어에 "숨겨져"있지 않고 거부해야합니다. 이러한 이유로 실용적인 가이드에서는 육안 검사와 분류를 강조합니다.

공정의 상태를 빠르게 확인하려면 압축 스택에 대한 간단한 밀도 기반 적층 계수 측정과 재료 밀도를 비교하면 저렴하고 명확하게 알 수 있습니다. ks가 0.96에서 0.93으로 내려간다는 것은 도면을 변경했는지 여부와 관계없이 단면을 버리고 모든 곳에서 플럭스 밀도를 높이고 있다는 것을 의미합니다.

8. 평탄도, 응력 완화 어닐링 및 용광로 일정이 라미네이션 설계에 중요한 이유

GOES는 세심하게 배향된 입자에 의존합니다. 기계적 작업, 타이트한 굽힘 또는 가장자리에 가까운 펀칭은 모두 투자율을 저하시키고 손실을 증가시키는 응력을 유발하며, 응력 완화 어닐링을 통해 많은 자기 성능을 복원할 수 있지만 평탄도와 코팅 품질을 유지하는 방식으로 라미네이션을 지지하고 가열하는 경우에만 가능합니다.

GOES의 일반적인 응력 완화 범위는 건조 질소와 같은 보호 분위기에서 약 760~845°C이며, 때로는 수소의 양을 조절하여 사용하기도 합니다. 문제는 코어 조각이 최종 조립 상태와 다른 방식으로 쌓이거나 클램핑되면 어닐링 후 스프링이 발생하거나 뒤틀릴 수 있다는 것입니다. 그러면 실제로 코어를 제작할 때 조인트와 스텝에 원치 않는 작은 틈이 생깁니다.

따라서 라미네이션 설계와 어닐 실습은 서로 소통해야 합니다. 버트 랩에서 다단 랩으로, 0.27mm에서 0.18mm 시트로 이동하지만 어닐 고정 장치와 압력 체계가 이전 설계에 맞게 조정되어 있으면 이론적으로 절감된 손실이 왜곡과 코팅 손상으로 인해 부분적으로 사라질 수 있습니다.

이것이 일부 제조업체가 전문 공급업체로부터 완전 조립된 응력 완화형 멀티 스텝 랩 코어를 구매하는 이유 중 하나입니다. 이러한 공급업체의 데이터시트에는 스텝 랩 조인트가 올바르게 제조될 경우 플랫스택 설계에서 주어진 강종에 대해 가능한 가장 낮은 손실을 달성할 수 있다고 명시적으로 나와 있습니다.

코어 제작을 사내에서 계속하는 경우, 어닐링 온도, 시간 및 스택 압력을 변경하여 고정 적층 설계를 하고 실제로 프로토타입 코어의 적층 계수 및 무부하 손실을 측정하는 짧은 실험 설계를 실행하는 것이 좋습니다. 아무것도 바꾸지 않는 것보다는 느리지만, 수년간 시끄러운 변압기를 출하하는 것보다는 훨씬 빠릅니다.

9. 플럭스를 방해하는 요크, 클램프 및 기계적 세부 사항의 구멍

실제 코어에는 볼트 구멍, 정렬 슬롯 및 클램프 인터페이스가 필요합니다. 플럭스가 높은 영역에서 강철을 제거할 때마다 플럭스가 장애물 주위를 압박하여 국소 유도를 높이게 됩니다.

변압기 설계 문서에 따르면 요크 라미네이션의 펀칭 구멍, 특히 리브 중앙 부근의 구멍은 자속 패턴을 왜곡하고 국부적으로 자속 밀도와 자기 변형률을 증가시킨다고 지적합니다. 이로 인해 추가 코어 손실이 발생하고 때로는 사운드 측정에서 가청 '핫 스팟'이 발생하기도 합니다.

몇 가지 실용적인 조정이 도움이 됩니다:

요크의 유량이 가장 높은 영역을 가능한 한 깨끗하게 유지하세요. 큰 구멍은 중심선에서 약간 멀리 이동하거나 계단 모양으로 인해 계산된 인덕션이 이미 낮은 영역으로 이동합니다.

스텝 랩 패턴과 볼트 위치를 동기화하여 이미 여러 단계로 유효 영역이 좁아진 곳에 볼트가 착지하지 않도록 합니다.

강철을 절약하기 위해 오프셋 요크 또는 축소된 섹션을 사용하는 경우, 현실적인 적층 및 건축 계수를 사용하여 플럭스 밀도를 다시 확인하십시오. 이러한 계수를 적용하면 많은 설계가 B-H 곡선의 무릎에 가깝게 크립됩니다.

이러한 조정은 화려하지는 않지만, 종종 FEM 모델처럼 작동하는 코어와 테스트 현장에서 놀라움을 선사하는 코어의 차이를 결정합니다.

10. 고조파, 왜곡된 파형 및 라미네이션 선택 사항

배전 변압기는 완벽한 사인파를 거의 볼 수 없습니다. 비선형 부하와 컨버터가 많은 그리드는 고조파를 주입하여 피크 플럭스 스윙을 효과적으로 높이고 코어의 동적 손실을 증가시킵니다. 왜곡 전압에서 변압기 철손에 대한 연구에 따르면 고조파가 높으면 RMS 전압이 동일하게 유지되더라도 무부하 손실이 사인파 테스트로 측정한 값보다 훨씬 높아질 수 있습니다.

라미네이션은 몇 가지 방식으로 이러한 현실과 상호작용합니다.

더 얇은 적층은 더 높은 고조파 주파수에서 와전류 손실을 줄이지만 앞서 살펴본 것처럼 스태킹 계수를 약간 낮출 수 있습니다. 설계 유도를 1.7T에서 1.6T로 소폭 감소시키고 시트를 약간 더 얇게 하면 과도한 크기 증가 없이 고조파가 많은 손실을 제어할 수 있는 경우가 많습니다.

반면에 3, 5 또는 7차 고조파가 강한 것으로 알려진 네트워크에서 높은 인덕션과 두꺼운 시트를 고집하는 경우 현장에서의 명백한 코어 손실이 공장 허용치를 눈에 띄게 초과할 수 있습니다. 고객은 라미네이션을 탓하지 않고 "비효율적인 변압기"라고 생각할 수 있습니다.

부하 프로파일이 불확실한 경우, 보수적인 규칙은 특히 자기 변형이 더 민감한 비정질 코어의 경우 재료의 정격 유도로부터 어느 정도 거리를 유지하고, 계약이 충분히 큰 경우 애플리케이션을 대표하는 왜곡된 파형에서 테스트를 지정하는 것입니다.

11. 작업 스케치: 250kVA, 11/0.4kV, 3상 코어형 장치

전체 디자인이 아니라 라미네이션 결정이 어떻게 연결되는지 보여주기 위한 스냅샷일 뿐입니다.

많은 유틸리티에서 일반적으로 요구되는 중간 정도의 효율을 가진 250kVA, 50Hz, 오일 침지형 배전 변압기, 3상, 11kV/0.4kV를 상상해 보십시오.

무부하 손실 목표를 약 450~500W로 잡고 시작하면 유틸리티는 무부하 손실 50W를 줄이면 추가 전력의 가치가 있는 자본화 요소를 제공합니다.

0.27mm와 0.23mm GOES를 고려합니다. 카탈로그 데이터와 감도 문서에 따르면 0.23mm M3가 이 정격에서 허용 가능한 손실과 재료 비용의 균형을 잘 맞출 수 있는 것으로 보입니다. 절대적인 상단이 아닌 정격 전압에서 1.6T에 가까운 설계 유도를 목표로 합니다.

익숙한 볼트/회전 관계를 사용하여 50Hz에서 1.6T에서 코어 단면적 약 0.036m²를 제공하는 볼트/회전을 선택합니다. 그러면 총 면적은 A_total ≈ A_net / ks입니다. 표에서 ks를 0.955로 선택하면 초기 추측보다 몇 퍼센트 더 큰 총 면적을 얻을 수 있으며, 이는 강철을 정직하게 유지하기에 충분합니다.

지오메트리의 경우 5단계 원형 다리와 요크 구성을 선택합니다. 그러면 약 91% 원형 채우기가 제공되므로 구리는 상당히 둥근 기둥을 보게 됩니다. 절단 라인과 호환되고 일반적인 멀티 스텝 랩 코어 제품에서 영감을 얻은 약 10mm 오버랩과 스텝당 5개의 라미네이션의 표준 책 크기를 가진 완전 미트릿 스텝 랩 조인트를 지정합니다.

요크의 볼트 구멍이 가장 높은 플럭스 영역에서 약간 떨어져 있어야 한다고 결정하고 스텝 패턴을 정렬하여 볼트가 가장 좁은 유효 섹션에 닿지 않도록 합니다.

마지막으로, 선택한 인덕션에서 카탈로그 손실에 대한 현실적인 건물 계수(예: 1.05)를 사용하여 이 모든 것을 코어 손실 모델에 입력하고 유사한 코어에 대한 공장의 과거 성능을 반영합니다. 예측된 무부하 손실이 여전히 너무 높으면 인덕션을 줄이거나, 더 얇게 만들거나, 조인트 설계 및 어닐링 방식을 개선해야 하며, 몇 턴을 깎고 기대할 필요가 없다는 것을 알 수 있습니다.

작업 현장에서는 예상되는 0.95~0.96 밴드의 k를 목표로 샘플 스택의 밀도 방법을 사용하여 스택 계수를 확인합니다. 이 값이 낮게 나오면 방정식을 탓하지 않고 절단, 코팅 및 스택을 디버깅합니다.

이제 라미네이션 결정은 부족의 지식이 아니라 추적 가능하고 테스트 가능한 선택입니다.

12. 마무리 생각

배전용 변압기의 적층 설계는 각각의 '작은' 결정 옆에 숫자를 붙이기 시작하기 전까지는 평범해 보이는 주제 중 하나입니다. 두께, 적층 계수, 스텝 수, 조인트 스타일, 오버랩 길이, 어닐링 조건, 홀 배치 및 고조파 환경은 모두 무부하 손실과 소리라는 동일한 두 가지 결과에 밀고 당기게 됩니다.

공식 표준 및 데이터 시트에 재료에 대한 설명이 나와 있습니다. 누락되는 경향이 있는 것은 적층 파라미터를 진정한 설계 변수로 취급하는 조용한 규율입니다. 그렇게 하면 권선, 냉각, 절연 등 변압기의 나머지 부분은 훨씬 더 쉽게 처리할 수 있습니다.