エンジニアが変圧器の仕様を検討するときは、通常、巻線の温度上昇、インピーダンス、絶縁レベル、冷却方法、負荷損失に最初に注目します。しかし、 では Zisheng Electric、電磁設計の非常に早い段階でチェックする領域の 1 つが 変圧器コアです。.
これには実際的な理由があります。
銅損は負荷によって変化します。工場が夜間に生産を停止したり、配電用変圧器の負荷が 20% しかない場合、鉄損は消えません。変圧器に電力が供給されている限り、コアは動作し続けます。
そのため、 トランスコアの設計は 効率だけでなく、動作温度、ノイズ、励磁電流、長期の絶縁状態にも密接に関係します。
中東とアフリカで動作する変圧器の場合、これらの詳細はさらに注目に値します。高い周囲温度、電圧変動、長い配電フィーダ、および 50 Hz/60 Hz の異なるシステム要件により、紙の上では完全に許容できるように見える変圧器の設計マージンが減少する可能性があります。
トランスコアは、一次巻線と二次巻線を結ぶ磁路を提供します。すべての AC サイクルでは、磁性材料が一方向に磁化され、その後逆に磁化される必要があります。
このプロセス中にエネルギーが失われます。
実際の変圧器工学では、鉄損は主に ヒステリシス損 と 渦電流損に分けられます。.
ヒステリシス損失は、電磁鋼板の磁気特性と動作磁束密度に大きく依存します。渦電流損は、鋼材自体の内部に誘導される電流によって発生します。これが、変圧器のコアが固体の鋼鉄ブロックではなく、薄い絶縁積層体で作られている理由の 1 つです。
同様に、方向性電磁鋼板のメーカーは、変圧器の損失を低減する上で重要な要素として、より薄い積層、材料グレード、磁性配向を特定しています。
年間を通じて通電され続ける配電変圧器の場合、無負荷損失の比較的小さな差であっても継続的に蓄積されます。このため、定格負荷でのみ変圧器の効率を比較すると、実際の運用コストの一部が失われる可能性があります。
従来のほとんどの電力および配電変圧器は 冷間圧延方向性電磁鋼板を使用しています。、通常 CRGO ケイ素鋼と呼ばれる
しかし、技術仕様に単に「CRGO コア」と書くだけでは、エンジニアにはほとんど何も伝わりません。
鋼グレードが異なると、比損失、浸透特性、コーティング特性、飽和挙動も異なります。シートの厚みも異なります。
電磁鋼板の高性能化により着磁に必要なエネルギーを低減できます。薄い積層は、各シート内の循環渦電流を制限するのに役立ちます。磁区精製グレードは、適切な動作条件下で損失をさらに低減できます。
低損失の トランスコアは、 連続通電時の内部熱の発生を少なくし、オイル、巻線、冷却システムへの熱負担を軽減します。
低損失の トランスコアにより、 連続通電時の内部発熱が少なくなります。したがって、変圧器冷却システムは、負荷損失を考慮する前に除去すべき熱が少なくなります。
穏やかな気候では、これにより効率が向上する可能性があります。 45 ～ 50°C の屋外設置では、追加の熱マージンの価値がさらに高まります。
渦電流損失は、循環電流がより広い導電性領域にわたって発生する場合に増加します。
変圧器メーカーは、コアを多数の薄いシートに分割し、積層間を電気的に絶縁することでこの問題に対処しています。
したがって、シートの厚さが重要になります。
電磁鋼板の研究とメーカーのデータは、積層の厚さを減らすことが渦電流損失を下げる確立された方法であることを示しています。この関係は、周波数と磁束密度が増加するにつれて特に重要になります。
エンジニアが見落としがちなもう 1 つの製造上の問題があります。それは、切断、積み重ね、またはクランプ中に絶縁コーティングが損傷することです。
隣接する積層体が大きなバリ、コーティングの損傷、または導電性汚染によって電気的にブリッジされている場合、局所的な循環電流が発生する可能性があります。図面には依然として良好なコア設計が示されている可能性がありますが、製造されたコアは計算どおりに正確に機能しなくなります。
そのため、材料の選択と製造の品質を切り離すことはできません。
で最も重要なパラメータの 1 つは 変圧器コアの設計 動作 変圧器コア磁束密度です。これは無負荷損失、励磁電流、および磁気マージンに直接影響するためです。簡略化した変圧器の関係は次のように記述できます。
B ≈ V / (4.44 × f × N × A)
ここで、B は磁束密度、V は印加電圧、f は周波数、N は巻線の巻数、A は有効コア断面積です。
この方程式は、いくつかの実際的な設計上の問題を説明します。
磁束密度が増加すると、必要なコア断面積が減少し、トランスをよりコンパクトにすることができます。ただし、それを押し込みすぎると、材料が飽和に近づくにつれてコア損失、励起電流、および音響ノイズが急速に増加します。
不必要に低い磁束密度を使用することも、自動的に良い設計になるわけではありません。コアは大きく重くなり、材料の消費量が増加し、巻線の寸法も影響を受ける可能性があります。
したがって、エンジニアリング目標は、可能な最小値または最大値ではありません。これは、実際のプロジェクト条件に対する損失、サイズ、コスト、ノイズ、磁気マージンのバランスをとる動作点です。
これは、変圧器がさまざまな国に供給される場合に重要になります。
アフリカのほとんどの電力システムは 50 Hzで動作しますが、中東の一部のプロジェクト仕様では、電力会社や用途に応じて 50 Hz または 60 Hz が必要となる場合があります。変圧器は、プロジェクト仕様に記載されている周波数に合わせて計算する必要があります。
重要な問題は V/f 比です.
60 Hz の磁気条件を中心に設計された機器を、同じ電圧の 50 Hz 電源で稼働させると、設計に十分なマージンが確保されていない限り、磁束密度が増加します。これにより、励磁電流、コア損失、振動、発熱が増加する可能性があります。
したがって、50 Hz と 60 Hz は設計の最後に追加される銘板の詳細としては扱われません。それは最初から磁気計算に属します。
変圧器のコアは、連続した 1 枚の電磁鋼板から作ることはできません。個々の積層はリムとヨークの接合部で接合する必要があります。
ジョイントの設計が不十分だと磁気の不連続性が生じます。
その場合、磁束はより大きな有効ギャップを横切るか、鋼の好ましい圧延方向から逸脱する必要があります。局所的な磁束集中が増加し、励磁電流、無負荷損失、ノイズが増加する可能性があります。
最近のコアは通常、 完全に留め留めされたステップラップ ジョイントを使用します。接合部を 1 か所に集中させるのではなく、連続した積層が段階的に重なり合います。
目的は、ジョイント領域を通る磁束伝達をよりスムーズにすることです。
ここでは、切断精度と積み重ね位置合わせが重要になります。適切な電磁計算では、ギャップが不規則で不適切に積層されたコアを補正することはできません。
これが、みなす理由の 1 つです。 変圧器コアの積層プロセスを 単純なシート組み立てではなく、管理された製造作業と
切断、積層、およびアクティブ部品の製造の詳細については、 IEC 変圧器製造プロセス ガイドを参照してください。 IEC変圧器の製造プロセス
Zisheng Electric では、コア性能を材料仕様のみとして扱うことはありません。トランスコアの組み立て中に、当社のエンジニアは積層の位置合わせ、切断バリ、ステップラップジョイントの一貫性、絶縁コーティングの状態、クランプの均一性をチェックします。高品位の CRGO 鋼であっても、積層が損傷したり積層が不十分な場合、無負荷損失が大きくなる可能性があります。これらのチェックは、製造されたコアを元の電磁設計に近づけるのに役立ちます。
コアを積み重ねた後は、巻線の組み立て、輸送、操作中に安定した状態を保つために十分な機械的サポートが必要です。
クランプ力が大きいほど良いというわけではありません。
電磁鋼板は機械的ストレスに敏感です。局所的な過度の圧力、変形、または不適切なクランプ配置により、磁気性能が低下する可能性があります。クランプが不十分な場合は、別の問題が発生します。積層板が振動しやすくなり、動作ノイズや機械的動作が増加する可能性があります。
したがって、コアクランプ構造は同時に 2 つの役割を果たします。
電磁鋼板に不必要な応力を生じさせることなく、磁気回路を機械的に安定に保持する必要があります。
これは、道路状況や取り扱いが工場内とは大きく異なる可能性がある中東やアフリカのプロジェクト現場まで長距離輸送される大型変圧器に特に当てはまります。
変圧器のコアには通常、制御された接地配置が必要です。
多くの設計では、コアは意図的に 一点で接地されています。.
意図しない接地点が複数あると、閉じた導電ループが形成される可能性があります。漂遊磁束は、コア構造、クランプ、または接地経路を通る循環電流を誘発する可能性があります。
その結果、外部からの検査では特定するのが難しい局所的な加熱が発生する可能性があります。
したがって、エンジニアは組み立てと検査の際に、コアからアースまでの絶縁を検証し、接地配置が承認された設計と一致していることを確認する必要があります。
コア接地の問題は、必ずしも試運転中にすぐに現れるとは限りません。まさにそれが長期的な信頼性に関する懸念の原因です。
通常、電磁鋼板自体は変圧器の熱寿命を決定する部品ではありません。
より重要なリンクは次のとおりです。
コア損失が大きくなると、変圧器の総熱負荷が増加します。冷却設計と周囲マージンが制限されている場合、その結果としてオイルと巻線の温度が上昇し、絶縁体の劣化が加速する可能性があります。
IEC 60076-2 は 、巻線ホットスポットの考慮事項を含む、液浸変圧器の温度上昇要件と温度上昇試験に取り組んでいます。
この接続は暑い気候では特に重要になります。
2 つの変圧器の容量と負荷損失は同じですが、一方の変圧器の無負荷損失が著しく高いとします。同一の屋外条件下では、追加の鉄損が変圧器内部で継続的に熱となります。
穏やかな気候では、冷却システムがその差を快適に吸収してくれる可能性があります。
夏の周囲温度が高い中東の工業用地では、利用できる熱的余裕は小さくなります。冷却システムは、周囲の熱、負荷損失、コア損失を同時に処理する必要があります。
に関する記事で 50°C 環境向けのサウジアラビアの変圧器の選択 は、この熱マージンの問題について詳しく説明しています。 サウジアラビア 50°C 熱用変圧器選択ガイド
コア設計要素 |
主なリスク |
パフォーマンスへの影響 |
エンジニアがチェックすべきこと |
電磁鋼種 |
より高い比損失 |
無負荷損失が大きい |
スチールグレードと保証された無負荷損失 |
磁束密度 |
飽和に近い動作 |
励磁電流と損失が大きい |
定格V/fと設計磁束密度 |
ステップラップジョイント |
局所磁束集中 |
損失とノイズが大きくなる |
ジョイントの設計とスタッキング品質 |
コア接地 |
循環電流 |
局所的な過熱 |
一点接地と絶縁 |
ラミネートコーティング |
層間電流 |
ローカルな損失とホットスポット |
バリ管理と塗装状態 |
このため、変圧器の見積もりを評価するエンジニアは、容量、インピーダンス、価格だけを比較すべきではありません。
技術的により強力な見積書では、コアの材質、無負荷損失の保証、周波数、磁気設計の基礎、および関連する工場でのテストも定義する必要があります。
同じ 変圧器コアでも異なる動作が発生する可能性があります。 プロジェクトの条件が変化すると、
高温の中東の設置では、内部損失が低いため、冷却マージンが維持されます。コア損失は、ラジエーターの設計や巻線の温度上昇と切り離して考えることはできません。
アフリカの配電網では、長い給電線と顕著な電圧変動という別の状況が頻繁に発生します。
周波数が一定のままの場合、印加電圧が増加するとコア磁束密度が増加します。したがって、磁気マージンが非常に少ないように設計された変圧器は、過電圧が持続すると励磁電流が急激に増加し、無負荷損失が発生する可能性があります。
電圧波形の品質も重要です。高調波電圧成分は高周波の磁気成分を導入し、一般に周波数が高くなるほど鉄損の影響を受けやすくなります。
正しい対応は、単に「より良いケイ素鋼を使用する」ということではありません。エンジニアは、システムの電圧範囲、周波数、高調波環境、周囲温度、予想される負荷パターンなど、完全な動作条件を確認する必要があります。
コア設計は主に製造管理と電気テストの両方を通じて検証されます。
完成した変圧器では、 無負荷損失と無負荷電流の測定 が特に重要です。これらの値は、製造された磁気回路が設計計算に近い動作をするかどうかを直接チェックすることができます。
予想外に高い無負荷電流は、過剰な磁束密度、コア接合の問題、材料の違い、または製造上の偏差を示している可能性があります。
予想外に高い無負荷損失は、変圧器がまだ正常に通電できるという理由だけで受け入れられるのではなく、調査する価値があります。
プロジェクトの要件に応じて、エンジニアは騒音レベル、コア絶縁、励起動作、および関連する特別なテストをレビューすることもあります。
IEC 60076-1 は、定格、一般要件、およびテストの枠組みをカバーする、電源変圧器の一般的な IEC 規格であり続けます。
変圧器の効率は銘板で決めることはできません。
FAT のずっと前から、変圧器の性能は電磁鋼板の選択、磁束密度の計算、積層の切断、ステップラップ設計、積層精度、クランプと接地によってすでに影響を受けていました。
中東やアフリカのプロジェクトに携わるエンジニアの場合、 変圧器コアを 個別のコンポーネントとして評価するのではなく、温度上昇、冷却、実際のネットワーク条件と合わせて検討することをお勧めします。
Zisheng 電気用品 油入、乾式、電力、パッドマウントおよび柱上変圧器。EPC、公益事業、産業および再生可能エネルギープロジェクト向けの
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