1. O papel central do núcleo de ferro do transformador
(1)Formando um circuito magnético eficiente de baixa{0}relutância:Esta é a função fundamental do núcleo de ferro. Quando a corrente alternada flui através do enrolamento primário, ela gera um fluxo magnético alternado. O núcleo de ferro fornece um caminho facilmente magnetizável, aumentando bastante a intensidade do campo magnético e confinando a maior parte do fluxo (fluxo principal) dentro deste caminho de alta-permeabilidade, acoplando-o efetivamente ao enrolamento secundário. Sem o núcleo de ferro, uma grande quantidade de fluxo vazaria para o ar (onde a relutância magnética é muito alta), resultando em uma eficiência de transferência de energia muito baixa.
(2)Melhorando a eficiência da indução eletromagnética:Devido à presença do núcleo de ferro, um campo magnético muito mais forte pode ser gerado no enrolamento sob a mesma corrente de excitação (sem-corrente de carga). Isto significa que para gerar fluxo suficiente para transferência de energia, o número necessário de voltas e a corrente de excitação são bastante reduzidos, melhorando significativamente a eficiência do transformador e reduzindo o tamanho e os custos de fabricação.
(3)Fornecendo suporte estrutural:O núcleo de ferro atua como esqueleto mecânico do transformador, sustentando os enrolamentos primário e secundário, mantendo sua estabilidade de posição e suportando as forças eletromagnéticas que podem ocorrer durante a operação (como as enormes forças eletrodinâmicas durante um curto-circuito).
2. Requisitos de desempenho para materiais principais
(1)Alta permeabilidade magnética: Esta é a característica mais importante. Alta permeabilidade magnética significa que o material pode ser facilmente magnetizado, permitindo que uma forte indução magnética seja gerada com uma intensidade de campo magnético muito pequena, reduzindo assim a corrente de excitação e melhorando a eficiência.
(2) Alta resistividade elétrica: Quando o núcleo está em um campo magnético alternado, correntes parasitas são induzidas em seu interior. As correntes parasitas causam perda de energia (perda de correntes parasitas) e aquecimento. A alta resistividade elétrica pode efetivamente limitar a geração de correntes parasitas e reduzir esta parte da perda.
(3) Baixa Coercividade: A coercividade mede o quão difícil é desmagnetizar um material. Baixa coercividade significa que o circuito de histerese é estreito e íngreme, facilitando a magnetização e a desmagnetização e resultando em baixa perda de histerese. A perda por histerese é outro tipo importante de perda de energia no núcleo.
(4) Indução magnética de alta saturação: A indução magnética de alta saturação significa que o núcleo tem menos probabilidade de saturar sob campos magnéticos fortes, permitindo que os transformadores sejam projetados de forma mais compacta (transmitindo a mesma potência com uma área de seção transversal-menor) ou produzam mais potência dentro do mesmo volume.
3.Seleção de materiais principais
(1)Materiais convencionais: Aço Silício (Aço Elétrico)
Este é atualmente o material de núcleo mais utilizado e maduro em transformadores de potência.
Composição:Adicione 2,5% ~ 4,5% de silício ao ferro puro.
Funções da adição de silício:
- - Aumenta significativamente a resistividade: a adição de silício aumenta a resistividade do ferro várias vezes, reduzindo bastante as perdas por correntes parasitas. - Ajuda a reduzir a coercividade: o silício pode suprimir os efeitos adversos de impurezas como carbono e nitrogênio, purificando e ampliando os grãos, diminuindo assim a perda por histerese
- - Atenua o envelhecimento: o silício retarda o envelhecimento do ferro (deterioração das propriedades magnéticas ao longo do tempo).
Formulário de Processo:As chapas de aço silício são laminadas em forma laminada, com revestimento isolante aplicado entre as chapas. Esta estrutura laminada restringe ainda mais as correntes parasitas a cada folha fina, aumentando substancialmente a resistência ao longo do caminho das correntes parasitas, que é uma característica chave do projeto para reduzir a perda de correntes parasitas.
(2)Materiais Avançados: Ligas Amorfas
Características:Usando técnicas de resfriamento ultra{0}}rápido, o metal fundido é resfriado tão rapidamente que os átomos não têm tempo de se organizar em uma estrutura cristalina ordenada, formando uma estrutura amorfa-semelhante ao vidro.
Vantagens:
- - Resistividade extremamente alta: Cerca de 2 a 3 vezes maior que o aço silício, resultando em perda de corrente parasita muito baixa.
- - Coercividade muito baixa: a perda de histerese também é mínima.
Resultado geral:As perdas sem{0}}carga (perdas de ferro) dos transformadores com núcleo de liga amorfa são 60% - 80% menores do que os transformadores de aço silício com as mesmas especificações, tornando o efeito-de economia de energia extremamente significativo.
Desvantagens:
- - Densidade de fluxo magnético de saturação mais baixa: Aproximadamente 80% de aço silício, o que pode resultar em tamanho e peso ligeiramente maiores para o mesmo transformador de potência.
- - Material duro e quebradiço: difícil de processar, cortar e enrolar.
- - Custo mais alto: o material e o processo de produção são mais caros que o aço silício.
Aplicações:Particularmente adequado para cenários com longos tempos de inatividade e baixas taxas de carga, como redes rurais e transformadores de distribuição para geração distribuída de energia, onde as vantagens-de economia de energia podem recuperar o investimento inicial ao longo do ciclo de vida do transformador.
