В соответствии с непрерывным развитием материалов с железными сердечниками, различные заводы-производители также стремятся улучшить структуру железных сердечников трансформаторов, чтобы лучше использовать характеристики улучшенных материалов с железными сердечниками и, где это возможно, дополнительно устранить потери в железных сердечниках, вызванные структурными причинами. На первый взгляд сердечник трансформатора, произведенный 30 лет назад, может не иметь существенных отличий от сердечника трансформатора, производимого сегодня, но на самом деле между ними может быть много тонких, но очень важных различий.
Чтобы полностью использовать внутреннее пространство кольцевой обмотки, полосы электротехнической стали укладываются в стержень с сердечником, поперечное-сечение которого максимально приближено к круглой форме. Степень, в которой поперечное сечение ступенчатого железного сердечника-приближается к круглому сечению-, зависит исключительно от количества полос электротехнической стали разной ширины, имеющихся на заводе-изготовителе. Сердечники распределительных трансформаторов меньшего размера могут включать только 7 типов ширины листов; Число ширины железных сердечников генераторных трансформаторов большей мощности может достигать 11 и более. Теоретически степень заполнения круга с железной сердцевиной может достигать более 93–95% для двух типов ширины листа, упомянутых выше. Фактически, из-за стремления производителей к стандартизированной конструкции для требуемой ширины ламината для всех спецификаций железных сердечников трансформаторов или из-за того, что ширина полос из электротехнической стали, которые они могут приобрести, фиксирована, это ограничивает каждого производителя в использовании стандартной ширины ламината, которую могут предоставить поставщики полос из электротехнической стали (обычно эта серия ширины ламината имеет приращение 10 мм). Таким образом, фактический коэффициент использования круга железного сердечника немного меньше, чем теоретический коэффициент использования, и стандартная ширина полосы электротехнической стали не может обеспечить идеальное поперечное сечение -железного сердечника для любого диаметра железного сердечника.
В обычных условиях каждый производитель трансформаторов имеет стандартную серию поперечных сечений железных сердечников-. Эти поперечные сечения-железного сердечника обычно называются основными размерами железного сердечника, и каждое поперечное-сечение железного сердечника определяется максимальной шириной листа, выраженной в миллиметрах. Максимальная ширина каждой секции железного сердечника может начинаться от 200 мм для железных сердечников распределительного трансформатора меньшего размера (каждые 25 мм) и заканчиваться примерно 1 м для железных сердечников генераторного трансформатора максимальной мощности. Полосы из электротехнической стали любой ширины могут поставляться в рулонах. Колонна с круглым железным сердечником является общей структурной особенностью всех железных сердечников трансформаторов, но общая структура железного сердечника сильно различается в зависимости от формы трансформатора.
На сегодняшний день наиболее часто используемой структурной формой среди них является трехфазный трехколонный железный сердечник. Поскольку в любой момент сумма фазовых величин трех-фазного магнитного потока, генерируемого сбалансированной трех-системой напряжения, равна нулю, нет необходимости в боковом столбце для обеспечения возврата магнитного потока в трех-фазный железный сердечник, а поперечное-сечение столба сердечника и железного ярма может быть равным. Эта структура применима только к железному сердечнику трех-фазных трансформаторов. В однофазных трансформаторах -железный сердечник должен включать в себя столбец с сердечником для возврата магнитного потока. Железный сердечник, образующий цепь магнитного потока, имеет различные формы. Все эти структурные формы с железным сердечником имеют свои преимущества и недостатки. Хотя в некоторых странах крупные межсетевые трансформаторы или автотрансформаторы иногда используют однофазные конструкции, в целом в трехфазных системах используются только одно-генераторные трансформаторы. Основная причина использования однофазных трансформаторов-в трехфазных системах ограничена условиями транспортировки, поскольку большие генераторные трансформаторы могут быть слишком тяжелыми для транспортировки целиком как трехфазные трансформаторы.
Пятиколонная конструкция с железным сердечником уменьшает высоту железного ярма за счет добавления боковых столбцов за пределами столбцов сердечника установленной обмотки, чтобы сформировать цепь магнитного потока. В крайних случаях высота железного ярма трех-фазной пятиколонной структуры с железным сердечником может составлять только половину высоты железного ярма трех-фазной трехколонной структуры с железным сердечником. Поэтому эффект от уменьшения высоты железного ярма по-прежнему весьма значителен. «Цена» увеличения боковых колонн — значительное увеличение размеров и потеря железного сердечника. Конечно, если позволяет транспортная высота, необязательно уменьшать высоту пятиколонного железного стержневого ярма до половины ширины стержневой плиты. Если площадь поперечного сечения-железного ярма превышает половину площади поперечного-сечения столбца с сердечником, плотность магнитного потока в железном ярме уменьшится, тем самым уменьшив потери на единицу сердечника в железном ярме. Более того, по сравнению с железными ярмами с площадью поперечного сечения -1/2 сердечника, уменьшение удельных потерь в сердечнике, вызванное уменьшением потерь в сердечнике в железных ярмах большего сечения-, будет больше, чем увеличение потерь в сердечнике, вызванное увеличением веса железного ярма, что приведет к уменьшению общих потерь в сердечнике. Если экономия средств от снижения общих потерь железного сердечника превышает увеличение затрат, вызванное увеличением количества материалов, то принятие этой конструктивной формы все равно имеет смысл. Другой возможный сценарий использования трехфазной пятиколонной конструкции с железным сердечником заключается в том, чтобы потребовать, чтобы значение импеданса нулевой последовательности фаз трансформатора было эквивалентно значению импеданса прямой последовательности фаз.
Первым шагом в производстве железных сердечников является изготовление отдельных пластин железного сердечника. В настоящее время большинство производителей трансформаторов закупают материалы с железным сердечником, которые на заводах по производству стали разрезаются на полосы из электротехнической стали стандартной ширины. Поэтому работа, которую необходимо выполнить производителям трансформаторов, заключается лишь в разрезании полос электротехнической стали на пластины с железным сердечником необходимой длины. Совершенствование процесса производства пластин железных сердечников является одной из областей, в которой предприятия по производству железных сердечников претерпели за последние годы значительные изменения.
Величина удельных потерь стальной полосы с железным сердечником во многом зависит от свойств материала стальной полосы и уровня ее внутренних механических напряжений. Поэтому необходимо свести к минимуму обработку и обращение со стальной полосой в процессе изготовления железного сердечника. Разумеется, резка полос электротехнической стали неизбежна, и в процессе резки на их краях неизбежно образуются заусенцы. Заусенцы на краю стальной полосы могут вызвать электрический контакт между стальными листами и образовать путь тока. До конца 1980-х годов британский стандарт BS601 «Стальные пластины и полосы для магнитных цепей электрооборудования» определял допустимые значения заусенцев на краях полос электротехнической стали, что обычно означало, что заусенцы на краях стальной полосы должны были быть удалены путем шлифования. Процесс шлифования заусенцев может повредить изоляцию ламината, и это повреждение изоляции требует использования дополнительной изоляции для ремонта. Все эти операции требуют обработки пластин железного сердечника, особенно процесса полировки краевых заусенцев, что увеличивает уровень механического напряжения внутри пластин железного сердечника, что требует процесса отжига.
Современное режущее оборудование позволяет сделать кромочные заусенцы, образующиеся в процессе резки полос электротехнической стали, очень маленькими, что также в некоторой степени способствует улучшению характеристик самого материала полосы электротехнической стали. В 1970-х годах стандарт BS601 предусматривал, что типичное допустимое значение высоты кромочных заусенцев, образующихся при резке холоднокатаных полос электротехнической стали с ориентированной текстурой с использованием «традиционного» технологического оборудования из высококачественной инструментальной стали, составляло 0,05 мм. Благодаря технологии шлифования высота этих заусенцев может быть уменьшена до 0,025 мм. При использовании режущих инструментов из углеродистой стали для резки полос электротехнической стали HiB высота образующихся заусенцев на кромках может составлять менее 0,02 мм. Таким образом, теперь можно отказаться от двух процессов дополнительной изоляции и отжига стальных листов.
Здесь необходимо дополнительно обсудить вопрос изоляции пластин железного сердечника. BS601 определяет качество изоляции пластин железного сердечника, то есть измерения сопротивления изоляции проводятся на образцах пластин железного сердечника определенное количество раз. Среди них 80% результатов измерений должны быть больше 2 Ом, а 5% результатов измерений должны быть больше 5 Ом. Функция ламинированной изоляции заключается в предотвращении циркуляции вихревых токов внутри железного сердечника. Однако предотвращение циркуляции тока не предотвращает возникновение индуцированного напряжения. Величина наведенного напряжения прямо пропорциональна ширине стека. Раньше люди считали, что для пластин железного сердечника толщиной менее 640 мм, если изоляция пластин соответствует требованиям BS601, генерируемое в них наведенное напряжение является приемлемым. Для железных сердечников с шириной ламината более 640 мм поперечное-сечение колонны сердечника можно разделить на несколько частей так, чтобы максимальная ширина ламинирования каждой части составляла 640 мм, или к пластинам можно применить дополнительную изоляционную обработку. Обычно необходимо разделить большие секции железного сердечника на несколько частей, чтобы обеспечить проходы для охлаждающего масла. Итак, с точки зрения удовлетворения требований ламинированной изоляции разделение сечения железного сердечника на несколько частей обычно не приносит дополнительных экономических потерь.
Следует отметить, что некоторые производители уже давно считают, что требование BS601 к значению сопротивления изоляции 2 Ом не является строгим. Когда на ламинат планируют использовать дополнительные изоляционные слои, нет необходимости лишний раз соблюдать стандарты BS. Соблюдать стандарты БС необходимо только в том случае, если на ламинате отваливается дополнительный изоляционный слой. Другой вопрос – как установить регламент для оставшихся 20% измерений сопротивления изоляции. Теоретически эти 20% измерений сопротивления изоляции могут быть нулевыми, и этот результат измерения зависит от процесса контроля изоляционного покрытия, которое также может располагаться только на определенном участке электротехнической полосы. Учитывая эту ситуацию, многие известные-производители трансформаторов опубликовали свои собственные спецификации. Согласно этим спецификациям, 20% точек с низким сопротивлением изоляции должны быть распределены в образце ламината случайным образом. Это означает, что если все 20% точек с низким сопротивлением изоляции расположены в одной и той же области образца, полоса из электротехнической стали неприемлема. Многие производимые сегодня полосы из электротехнической стали имеют высококачественные изоляционные покрытия-, которые являются частью мер по снижению удельных потерь в железных сердечниках. При использовании полосы электротехнической стали этого типа обычно нет необходимости учитывать размер железного сердечника и использовать дополнительные изоляционные покрытия, а результаты измерения сопротивления изоляции почти всегда намного лучше, чем минимальный стандарт, указанный в старом BS601.
Одним из недостатков полосы из текстурированной электротехнической стали является то, что любой фактор, требующий отклонения магнитного потока от направления холодной прокатки стальной полосы, приведет к увеличению потерь в железном сердечнике, что особенно заметно для полосы из электротехнической стали HiB. Эти факторы включают пробивание отверстий в стальной полосе с железным сердечником и необходимое изменение направления магнитного потока в верхнем и нижнем положениях колонны с железным сердечником. Следует отметить, что существенным результатом действия последнего фактора является то, что потери в конструкции с тонким и высоким железным сердечником ниже, чем потери в структуре с коротким и толстым железным сердечником при одинаковом весе и плотности магнитного потока, поскольку первый тип структуры железного сердечника требует меньшего магнитного потока, отклоняющегося от направления холодной прокатки. Связь между потерями железного сердечника после сборки и произведением веса железного сердечника на его удельные потери называется технологическим коэффициентом железного сердечника. Для железных сердечников, изготовленных из хорошо спроектированных полос электротехнической стали с ориентированной структурой, технологический коэффициент железного сердечника составляет примерно 1,15. Термин «технологический коэффициент с железным сердечником» используется для описания двух вышеупомянутых типов структур с железным сердечником, а именно, конструкции с высоким и тонким железным сердечником имеют лучшие (т.е. более низкие) технологические коэффициенты с железным сердечником, чем структуры с коротким и толстым железным сердечником.
Чтобы уменьшить степень отклонения магнитного потока от направления прокатки стальной полосы в месте соединения колонны сердечника и железного ярма, углы пластин железного сердечника обычно срезают под углом 45 градусов. Пластины железного сердечника в этих диагональных соединениях должны перекрываться, чтобы магнитный поток мог проходить через прилегающую поверхность стальной полосы, а не через воздушный зазор, расположенный на пути магнитного потока. Разумеется, для горячекатаных полос из электротехнической стали (неориентированных) нет необходимости использовать диагональные соединения в ламинированных углах. Обычно используемая конструктивная форма для горячекатаных- стальных полосовых железных сердечников заключается в использовании стальных винтов, которые проходят через стержневую колонну и железное ярмо для зажима, чтобы сформировать полную конструкцию железного сердечника. С использованием полос из электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой люди осознали проблему беспорядка магнитного потока, вызванного винтовой перфорацией на колонне с железным сердечником, а уменьшение эффективного поперечного сечения - также приводит к ненужному увеличению диаметра колонны с железным сердечником. Поэтому проектировщики стремятся исключить сквозной винт и вместо этого использовать стальные полосы (с электроизоляционными зазорами) или ленты из стекловолокна для связывания колонн с железным сердечником. В конструкции стального ленточного железного сердечника электроизоляционный зазор должен быть расположен на связующей стальной полосе, чтобы предотвратить протекание тока внутри связующей стальной полосы. Кроме того, связующая стальная полоса должна быть изолирована от пластин железного сердечника, чтобы предотвратить короткое замыкание связующей стальной полосой каждой пластины на краю пластин. По тем же соображениям зажимной винт с железным сердечником также должен быть эффективно изолирован в месте, где он проходит через сердечник и железное ярмо. Однако верхнее и нижнее ярмо железного сердечника все же необходимо закрепить болтами, так как основную конструктивную прочность трансформатора обеспечивают железное ярмо и его стальные хомуты.
В конце 1970-х годов из-за растущего экономического давления компания была вынуждена сократить потери, особенно потери в железном сердечнике, которые возникали, как только трансформатор был включен, что побудило проектировщиков и производителей трансформаторов склониться к использованию конструкции с железным сердечником, полностью закрепленной без болтов. Еще одним недостатком штамповки пластин с железным сердечником является то, что она противоречит требованию минимизировать объем обработки пластин с железным сердечником (во избежание увеличения потерь материала), как упомянуто выше. Вышеупомянутые два фактора в сочетании со снижением веса остаточного материала по краям и углам железного сердечника, вызванным отменой отверстий для болтов, побудили проектировщиков отдать предпочтение использованию конструкций с железным сердечником без зажимных отверстий для болтов.
Современные полосы из электротехнической стали имеют высокую ориентацию зерен, что делает более существенным увеличение потерь, вызванных отклонением магнитного потока от направления холодной прокатки стальной полосы. Поэтому производитель трансформатора готов приложить все усилия, чтобы полностью исключить отверстия под зажимные болты в сердечнике и железном ярме. В железном сердечнике больших трансформаторов, чтобы не жертвовать слишком большой структурной прочностью, удаление отверстий для зажимных болтов значительно увеличивает сложность конструкции железного сердечника.
