Ontwerp van lamineringen voor distributietransformatoren: praktische richtlijnen

Als je laminering ontwerp als een kostenneutraal detail, betaal je er uiteindelijk voor elk uur dat de transformator onder spanning staat. Het grootste deel van het verlies bij nullast, een behoorlijk deel van het geluidsniveau en een verrassende hoeveelheid betrouwbaarheid zijn al vastgelegd op het moment dat je dikte, stapelfactor, verbindingsstijl en overlap kiest. Deze tekst gaat over het nemen van de juiste beslissingen in één keer.

1. Begin bij het verliesbudget, niet bij de staalcatalogus

Kernlaminering is geen goedkope decoratie. Voor kleine eenfasige distributietransformatoren kan het kernmateriaal alleen al ongeveer een derde van de totale materiaalkosten uitmaken en de verliezen domineren de levensduurkosten.

Een nuttige mentale reset is eenvoudig: begin met de doelstelling voor verlies zonder belasting en het toegestane geluidsniveau en dwing vervolgens de lamineringskeuzes om dat te dienen, niet andersom.

Voor 5-50 kVA-eenheden werden in een gevoeligheidsstudie voor 144 ontwerpen drie diktes CRGO (0,18, 0,23, 0,27 mm) vergeleken en daaruit bleek dat 0,23 mm M3-plaat meestal in ongeveer vier van de vijf gevallen zowel de laagste inschrijvingsprijs als de laagste totale eigendomskosten opleverde. Dat betekent niet dat 0,23 mm universeel "het beste" is; het betekent dat je alleen wint door dunner te gaan als de verlieskapitalisatie echt hoog is, of als de regelgeving je daartoe fysiek dwingt.

Dus voordat je CAD aanraakt:

Jullie zijn het eens over de kapitalisatiefactoren voor verlies bij niet-belasting en verlies bij belasting. Die vertaal je in een acceptabel onbelast verliesvenster. Pas dan vraag je: "Met welke dikte en materiaal kan ik dat venster met enige marge bereiken?"

Als je die lus overslaat, wordt lamineren "optimaliseren" al snel giswerk.

2. Materiaal en dikte: maak bewuste compromissen

Elektrisch staal met georiënteerde korrel (GOES) is nog steeds het werkpaard voor conventionele distributietransformatoren. Typische kwaliteiten bij 50/60 Hz werken comfortabel bij inducties tot ongeveer 1,7 T met aanvaardbaar verlies en magnetiseringsstroom, op voorwaarde dat het fluxpad grotendeels langs de walsrichting blijft lopen.

Datasheets voor moderne GOES tonen laminatiefactoren boven 95%, zelfs voor dunne diktes. Een voorbeeld: bij 50 psi stapeldruk geeft 0,18 mm strip laminatiefactoren rond 95-96%, 0,23 mm rond 95-96%, 0,27 mm rond 96-97% en 0,35 mm kan 98% raken, afhankelijk van de coating. Dat alleen zegt al iets. Een dikkere plaat verhoogt de stapelfactor enigszins, maar is nadelig voor wervelverliezen. Dunnere platen doen het tegenovergestelde. Er is geen gratis lunch, alleen een balans.

Amorf lint is weer anders. Het materiaalverlies is veel lager, maar de stapelfactor van gewikkelde kernen is ongeveer 0,8 in plaats van 0,95+ en de bruikbare inductie is lager, ruwweg in het 1,3-1,4 T-gebied voor praktische ontwerpen. Je wint een enorme daling in onbelaste watt, je geeft extra koper en een groter kernvenster terug.

Een praktische manier om erover na te denken:

Voor distributietransformatoren met een standaardrendement waarbij het nutsbedrijf zich nog steeds richt op de aankoopprijs, is CRGO rond 0,23-0,27 mm meestal de beste oplossing.

Voor hogere rendementsklassen waar het verlies bij nullast ernstig is, is de overstap naar 0,18 mm CRGO of amorf zinvol, maar alleen als de productie kan leven met de lagere stapelfactor en het fragielere materiaal.

Het belangrijkste is om de dikte pas te kiezen nadat je de levensduurverliezen en de kosten van extra staal en koper hebt berekend. Onderbuikgevoel is niet meer voldoende.

3. Stapelfactor en bouwfactor: behandel ze als ontwerpvariabelen

Stapelfactor is niet iets dat je kern overkomt. Het is een getal waar je omheen moet ontwerpen en vervolgens meten.

Formeel is de stapelfactor de verhouding tussen de effectieve magnetische doorsnede en het bruto gestapelde oppervlak. De stapelfactor daalt door de dikte van de isolatielaag, bramen, spleten en verkeerde uitlijning. In de praktijk zijn typische stapelfactoren voor siliciumstaal rond 0,3-0,5 mm bij netfrequentie ongeveer 0,92-0,96, en goed gebouwde GOES-stacks kunnen zelfs bij dunnere diktes meer dan 0,95 bedragen. Amorfe kernen leven lager, vaak in de buurt van 0,8.

Hier is een compacte tabel die je kunt gebruiken bij het bepalen van de grootte:

De bouwfactor is de andere stille speler. Deze factor geeft aan hoeveel extra verlies er optreedt door verbindingen, luchtspleten, vervorming en restspanningen bovenop wat het catalogusverlies aangeeft. Publicaties over het ontwerp van verbindingen en de selectie van laminaten tonen consequent aan dat slechte verbindingen en montagedruk enkele procenten kunnen toevoegen aan de kernverliezen, zelfs als het staal zelf identiek is.

Als je software of spreadsheets ontwerpt, is het gezonder om:

Gebruik ks uit een tabel zoals hierboven in plaats van een enkele magische 0,97. Pas een bouwfactor toe op verlies, niet op oppervlakte, en stem deze af op gemeten nullasttests uit je eigen fabriek.

Op die manier weerspiegelt de wiskunde de realiteit in plaats van wishful thinking.

4. Getrapte kerngeometrie: hoeveel stappen zijn genoeg?

De meeste distributietransformatoren gebruiken getrapte kernen zodat het koper iets ziet dat in de buurt komt van een cirkelvormige kolom, zonder dat je daadwerkelijk een cirkel uit massief staal hoeft te bewerken.

Klassieke ontwerphandboeken geven de fractie van de cirkel die daadwerkelijk gevuld wordt door staal voor verschillende aantallen stappen. Een veelgebruikte tabel toont ongeveer 85% vulling voor een kern met drie stappen, ongeveer 91% voor vijf stappen, ongeveer 93-94% voor zeven tot negen stappen en ongeveer 96% voor elf stappen.

Het patroon is eenvoudig. De eerste paar stappen geven veel verbetering. Na zeven of negen stappen betaal je complexiteit voor misschien één procent extra cirkelvulling.

Voor kleine paaltopunits kunnen drie stappen werken als de verliesdoelstelling niet agressief is en de fabricage eenvoud nastreeft, hoewel veel fabrikanten standaard vijf stappen gebruiken. Voor distributietransformatoren van de klasse 100-630 kVA met strakkere nullastspecificaties zijn vijf tot zeven stappen gebruikelijk. Negen of meer stappen zijn vooral zinvol voor hoogrendabele of grotere eenheden waarbij elke watt verlies te gelde wordt gemaakt en de geometrie van de wikkeling echt baat heeft bij een nauwkeurigere cirkel.

De andere stille variabele is hoe je de stapbreedtes verdeelt. Voor rechthoekige vensterontwerpen is een patroon met smallere stappen aan de binnenkant en bredere aan de buitenkant meestal eenvoudiger om wikkelingen te plaatsen en geeft het een gelijkmatigere stroomdichtheid zonder veel nadelige gevolgen voor de fluxdistributie, op voorwaarde dat het gemiddelde oppervlak correct is.

Hier is geen universele regel voor, maar je kunt in twee stappen denken. Eerste stap: kies het aantal stappen op basis van de nominale waarde en de efficiëntieklasse. Tweede stap: pas de individuele stapbreedtes aan zodat de uiteindelijke cirkel die de wikkeling ziet vriendelijk is voor je geleiderlayout, niet alleen voor je eindige-elementenmodel.

5. Stijl van de verbinding: stomp, verstek en trapsgewijs in het echt

Verbindingsontwerp voor laminaten is waar theorie, FEA-plots en productiedruk allemaal botsen.

Butt-lap verbindingen zijn eenvoudig te snijden en te stapelen. Ze produceren ook een sterke lokale fluxdruk bij de verbindingen, een hogere magnetisatiestroom en een hoger verlies bij nullast. Dia's van grote transformatorfabrikanten laten dit contrast nog steeds duidelijk zien.

Volledig in verstek gezaagde verbindingen verdelen de flux beter langs de walsrichting, waardoor lokale verzadiging wordt verminderd. Stapsgewijs in verstek gezaagde verbindingen gaan nog verder door de sneden over meerdere stappen te spreiden zodat de flux niet één abrupte onderbreking ziet. Industriële gegevens tonen aan dat step-lap kernen, in vergelijking met conventionele butt-lap, een merkbare vermindering kunnen geven in nullast watt, magnetisatiestroom en geluidsniveau voor dezelfde staalsoort en inductie.

Tegenwoordig is voor nieuwe distributietransformatoren boven de allerlaagste vermogens verstek trapsgewijs verstek de basis. Het is geen exotische technologie meer. De interessante vragen zijn nu hoeveel stappen in de verbinding, welke overlaplengte en hoe je de boeken uitlijnt.

6. Overlaplengte en aantal lamineringen per stap

Het is verleidelijk om te denken dat "meer overlap veiliger moet zijn". De gegevens zijn het daar niet mee eens.

Een experimenteel onderzoek naar het variëren van de overlaplengte van de verbinding en het aantal lamellen per stap in distributietransformatorkernen toonde aan dat, binnen het praktische bereik, het aantal lamellen per stap weinig netto effect had op het verlies, omdat fabricagebeperkingen dit inruilen tegen andere afmetingen. Het vergroten van de overlap van ongeveer 1 cm naar 2 cm leidde echter duidelijk tot grotere kernverliezen als gevolg van sterkere fluxvervorming in het verbindingsgebied.

Wat dat in de praktijk betekent:

Houd de overlap zo kort mogelijk terwijl je toch aan de mechanische sterkte en assemblagebeperkingen blijft voldoen. Ongeveer 10 mm is vaak een redelijk startpunt voor middelgrote distributiekernen; als je naar 20 mm gaat, kan dat je enkele watt kosten zonder echte elektrische winst.

Maak je niet druk over het toevoegen van meer laminaten per stap dan je snij- en stapelapparatuur consistent aankan. Het onderzoek suggereert dat de verliesgevoeligheid voor die parameter laag is als de overlap en basisgeometrie eenmaal zijn ingesteld.

Het is nuttiger om een strikte tolerantie aan te houden op de vlakheid van de verbinding en de spleet, en om te controleren hoe de stappen van één ledemaat overlappen met het juk. Dat is waar eindige-elementenmodellen echt lonend zijn, vooral als je al gereedschap hebt en alleen kleine vormveranderingen mogelijk zijn.

7. Luchtspleten, bramen en de stille schade van slechte afwerking

Zelfs perfecte geometrie op papier kan bedorven worden door slordig snijden en stapelen.

Isolatiecoatings en bramen vreten aan de stapelfactor, maar bramen introduceren ook lokale mechanische spanning en kleine spleten die de hysteresis en wervelverliezen erger maken dan de laminatiecatalogus voorspelt. Normen zoals ASTM A719 behandelen laminatiefactor als een functie van plaatdikte, coating en compressie en vereisen expliciet ontbramen om herhaalbare resultaten te krijgen.

Typische aanbevelingen uit zowel leerboeken als molengegevens komen neer op:

Houd de braamhoogte ruim onder de isolatiedikte, die vaak wordt aangegeven als minder dan 10% van de plaatdikte.

Controleer de stapeldruk tijdens het meten en assembleren; te laag en de openingen blijven open, te hoog en je kunt de laminaten vervormen of coatings beschadigen, wat weer schadelijk is voor het verlies.

Voor de hand liggend, maar nog steeds verrassend vaak voorkomend in kleine winkels: laminaten met roest, krommingen of deuken moeten worden afgekeurd, niet "verstopt" in de binnenlagen. Praktische gidsen leggen om deze reden de nadruk op visuele inspectie en sorteren.

Als je een snelle gezondheidscontrole van je proces wilt, is een eenvoudige meting van de stapelfactor op basis van dichtheid op een samengeperste stapel versus materiaaldichtheid goedkoop en veelzeggend. Een ks die van 0,96 naar 0,93 daalt, betekent dat u dwarsdoorsnede weggooit en de fluxdichtheid overal omhoog duwt, of iemand de tekeningen nu veranderd heeft of niet.

8. Vlakheid, spanningsarm gloeien en waarom het ovenschema van belang is voor het lamineerontwerp

GOES is afhankelijk van zorgvuldig georiënteerde korrels. Mechanisch bewerken, strak buigen of dicht bij de randen ponsen introduceren allemaal spanningen die de permeabiliteit verminderen en het verlies vergroten; spanningsarm gloeien kan veel van de magnetische prestaties herstellen, maar alleen als de laminaten worden ondersteund en verwarmd op een manier die de vlakheid en coatingkwaliteit behoudt.

Typische spanningsarmbereiken voor GOES liggen rond 760-845 °C in een beschermende atmosfeer zoals droge stikstof, soms met een gecontroleerde hoeveelheid waterstof. Het probleem is dat als kernstukken worden gestapeld of vastgeklemd op een manier die afwijkt van hun uiteindelijke assemblagetoestand, ze na het gloeien kunnen veren of kromtrekken. Wanneer je de kern dan daadwerkelijk bouwt, ontstaan er kleine ongewenste openingen in de verbindingen en stappen.

Het lamineerontwerp en de gloeipraktijk moeten dus met elkaar praten. Als je overstapt van stuiklap naar meerstapslap en van 0,27 mm naar 0,18 mm plaat, maar je gloei-armaturen en drukregime blijven afgestemd op het oude ontwerp, dan zal de theoretische verliesbesparing deels worden opgegeten door vervorming en coatingbeschadiging.

Dit is een van de redenen waarom sommige fabrikanten volledig geassembleerde, spanningsvrije multi-stapverbindingen kopen van gespecialiseerde leveranciers. In de datasheets van die leveranciers staat expliciet dat step-lap verbindingen, wanneer ze op de juiste manier worden gefabriceerd, de laagst mogelijke verliezen kunnen bereiken voor een bepaalde staalsoort in een flat-stack ontwerp.

Als u de kernproductie in eigen beheer houdt, is het de moeite waard om een korte proefopzet te maken: varieer de gloeitemperatuur, -tijd en -stapeldruk voor een vast lamineerontwerp en meet de lamineerfactor en het onbelastbaar verlies op prototypekernen. Het is langzamer dan niets veranderen, maar veel sneller dan jarenlang lawaaierige transformatoren verschepen.

9. Gaten in jukken, klemmen en mechanische details die de flux verstoren

Echte kernen hebben boutgaten, uitlijnsleuven en kleminterfaces nodig. Elke keer dat je staal verwijdert uit een gebied met hoge flux, dwing je de flux om zich rond het obstakel te wringen en verhoog je de lokale inductie.

Teksten over transformatorontwerp wijzen erop dat geponste gaten in juklaminaties, vooral in de buurt van het midden van de ledemaat, het fluxpatroon vervormen en plaatselijk de fluxdichtheid en magnetostrictie verhogen. Dat leidt tot extra kernverlies en soms tot een hoorbare "hot spot" in geluidsmetingen.

Een paar praktische aanpassingen helpen:

Houd het gebied van het juk met de hoogste inductie zo schoon mogelijk. Verplaats grote gaten iets weg van de middellijn of naar zones waar de berekende inductie al lager is vanwege de stapvorm.

Synchroniseer het stappenpatroon met de boutlocaties zodat de bouten niet terechtkomen waar meerdere stappen het effectieve gebied al verkleinen.

Wanneer je verschoven jukken of gereduceerde doorsneden gebruikt om staal te besparen, controleer dan opnieuw de fluxdichtheid met realistische stapel- en bouwfactoren; veel ontwerpen kruipen dicht tegen de knie van de B-H-curve wanneer deze factoren worden toegepast.

Deze aanpassingen zijn niet glamoureus, maar ze zijn vaak het verschil tussen een kern die zich gedraagt als het FEM-model en een kern die je verrast op de testvloer.

10. Harmonischen, vervormde golfvormen en lamineerkeuzes

Distributietransformatoren zien zelden perfecte sinusgolven. Niet-lineaire belastingen en converterrijke netten injecteren harmonischen die de piekfluxzwaai effectief verhogen en de dynamische verliezen in de kern verhogen. Onderzoek naar transformatorijzerverliezen onder vervormde spanning toont aan dat hogere harmonischen het nullastverlies aanzienlijk boven de waarde kunnen duwen die gemeten is met een sinusoïdale test, zelfs als de RMS-spanning gelijk blijft.

Laminaten reageren op een aantal manieren op deze realiteit.

Dunnere lamellen verminderen het wervelstroomverlies bij hogere harmonische frequenties, maar kunnen, zoals eerder gezien, de stapelfactor iets verlagen. Een bescheiden verlaging van de ontwerpinductie, bijvoorbeeld van 1,7 T naar 1,6 T, in combinatie met een iets dunnere plaat, kan de harmonische verliezen vaak onder controle houden zonder dat de afmetingen buitensporig toenemen.

Aan de andere kant, als u aandringt op hoge inductie en dikke platen op een netwerk waarvan bekend is dat het sterke 3e, 5e of 7e harmonischen heeft, kan het schijnbare kernverlies ter plaatse uw fabrieksacceptatiewaarden met een aanzienlijke marge overschrijden. Klanten zullen laminaten misschien niet de schuld geven; ze zullen gewoon een "inefficiënte transformator" zien.

Wanneer belastingsprofielen onzeker zijn, is een voorzichtige regel om enige afstand te bewaren tot de nominale inductie van het materiaal, vooral voor amorfe kernen waarvan de magnetostrictie gevoeliger is, en om een test te specificeren bij een vervormde golfvorm die representatief is voor de toepassing wanneer het contract groot genoeg is om dit te rechtvaardigen.

11. Een uitgewerkte schets: 250 kVA, 11/0,4 kV, driefasige kerncentrale

Geen volledig ontwerp, maar een momentopname om te laten zien hoe lamineerbeslissingen samenhangen.

Stelt u zich een oliedompeldistributietransformator van 250 kVA, 50 Hz, driefasig, 11 kV / 0,4 kV voor, met een matige efficiëntievereiste die typisch is voor veel nutsbedrijven.

Je begint met een doelstelling voor het verlies in nullast van, laten we zeggen, ongeveer 450-500 W. Het nutsbedrijf levert kapitalisatiefactoren waardoor het besparen van 50 W verlies in nullast wat extra staal waard is.

U overweegt 0,27 mm en 0,23 mm GOES. Catalogusgegevens en het gevoeligheidsdocument suggereren dat 0,23 mm M3 waarschijnlijk een aanvaardbaar verlies en een goede balans van materiaalkosten voor deze nominale waarde oplevert. Je streeft naar een ontwerpinductie in de buurt van 1,6 T onder nominale spanning, niet aan de absolute bovengrens.

Met behulp van de bekende volt/omwenteling-relatie kies je een volt/omwenteling die een kerndoorsnede geeft van ongeveer 0,036 m² bij 1,6 T met 50 Hz. Het bruto oppervlak is dan A_total ≈ A_net / ks. Met ks gekozen als 0,955 uit de tabel krijg je een bruto oppervlak dat een paar procent groter is dan de eerste schatting, genoeg om het staal eerlijk te houden.

Voor de geometrie kiest u een vijfstaps cirkelvormig been en juk. Dat geeft ongeveer 91% cirkelvulling, dus het koper ziet een redelijk ronde kolom. U specificeert volledig in verstek gezaagde step-lap verbindingen met ongeveer 10 mm overlap en een standaard boekgrootte van vijf lamineringen per stap, compatibel met uw snijlijn en geïnspireerd op typische multi-step-lap kernaanbiedingen.

Je besluit dat de boutgaten in het juk iets uit de zone met de hoogste stroming moeten zitten en lijnt het stappenpatroon zo uit dat de bouten de smalste effectieve secties niet raken.

Tot slot voert u dit alles in uw kernverliesmodel in met een realistische opbouwfactor, bijvoorbeeld 1,05 op catalogusverlies bij de gekozen inductie, wat de historische prestaties van uw fabriek op vergelijkbare kernen weerspiegelt. Als het voorspelde verlies bij nullast nog steeds te hoog is, weet u dat u de inductie moet verlagen, dunner moet gaan of het ontwerp van de verbinding en de gloeipraktijk moet verbeteren; het heeft geen zin om een paar slagen te besparen en te hopen.

Op de werkvloer bevestig je de stapelfactor met behulp van de dichtheidsmethode op monsterstapels, waarbij je ernaar streeft om ks te zien in de verwachte bandbreedte van 0,95-0,96. Als deze laag uitvalt, geef je de vergelijkingen niet de schuld. Als de stapelfactor laag is, geef je de vergelijkingen niet de schuld; je debugt het snijden, coaten en stapelen.

De lamineerbeslissingen zijn nu traceerbare, testbare keuzes, geen stammenkennis.

12. Afsluitende gedachten

Lamineringsontwerp voor distributietransformatoren is een van die onderwerpen die alledaags lijken totdat je cijfers naast elke "kleine" beslissing gaat zetten. Dikte, stapelfactor, aantal stappen, verbindingsstijl, overlaplengte, gloeivoorwaarden, plaatsing van gaten en harmonische omgeving hebben allemaal invloed op dezelfde twee resultaten: onbelast verlies en geluid.

De officiële normen en gegevensbladen leggen de materialen uit. Wat vaak ontbreekt is de stille discipline om lamineerparameters als echte ontwerpvariabelen te behandelen. Als je dat eenmaal doet, wordt de rest van de transformator - wikkelingen, koeling, isolatie - een stuk eenvoudiger.