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Diagrama esquemático dos principais componentes do transformador.

Processo de fabricação de transformadores

Núcleo do transformador

O conteúdo principal da introdução ao núcleo do transformador aborda o corte, o empilhamento e a fixação do núcleo, bem como a mais recente tecnologia de empilhamento para reduzir as perdas em vazio.

2. Núcleo do transformador

O núcleo é o componente básico do transformador. Consiste em um condutor magnético e um dispositivo de fixação. Possui duas funções: em princípio, o condutor magnético do núcleo de ferro é o circuito magnético do transformador, que converte a energia elétrica do circuito primário em energia magnética e, a partir dessa energia magnética, converte-a em energia elétrica para o circuito secundário, que é o meio de conversão de energia. Estruturalmente, o núcleo de ferro suporta todos os componentes internos do transformador, como a carcaça e os terminais.

O núcleo de ferro do transformador é uma estrutura fechada em forma de moldura. A parte que contém a bobina é chamada de coluna do núcleo. A parte que não envolve a bobina e que apenas serve para fechar o circuito magnético é chamada de núcleo de ferro.

Tipos de núcleos de ferro

De acordo com a posição relativa do enrolamento e do núcleo de ferro, este pode ser dividido em duas categorias: tipo núcleo e tipo invólucro. Neste trabalho, abordaremos apenas o núcleo de ferro tipo núcleo. Para transformadores monofásicos, o núcleo de ferro apresenta diversas formas estruturais, como núcleo de duas colunas, núcleo de uma coluna, núcleo de quatro colunas e núcleo de duas colunas.

Para transformadores trifásicos, o núcleo de ferro apresenta diversas formas estruturais, como dois núcleos e dois enrolamentos (trifásico de três colunas), três núcleos e quatro enrolamentos (trifásico de cinco colunas). A escolha da estrutura do núcleo é determinada por fatores abrangentes, como o arranjo adequado dos diversos enrolamentos, a economia de material e a adequação à altura de transporte. O bypass pode reduzir a quinta e a sétima ondas no fluxo de dispersão e na corrente de magnetização.

Fita de aço elétrico (chapa de aço silício):

O material utilizado para o condutor magnético do núcleo de ferro é uma fita de aço elétrico com alto teor de silício, também conhecida como chapa de aço silício.

Existem dois tipos de chapas de aço silício: laminadas a frio e laminadas a quente, sendo que as chapas de aço silício laminadas a frio dividem-se em dois tipos: não orientadas e orientadas.

As propriedades magnéticas das chapas de aço silício laminadas a quente são deficientes, a densidade de fluxo magnético atinge apenas 1,5 T e a perda unitária é muito grande, por isso seu uso foi descontinuado. Já as chapas de aço silício com grãos orientados, laminadas a frio, apresentam direcionalidade evidente, alta densidade magnética de saturação, baixa perda unitária e capacidade de excitação unitária reduzida, sendo atualmente amplamente utilizadas.

A espessura da chapa de aço silício de grão orientado laminada a frio possui diversas especificações, como 0,35 mm, 0,3 mm, 0,27 mm, 0,23 mm, etc. A mais comum é a de 0,3 mm, e essa espessura vem diminuindo cada vez mais, com o objetivo principal de reduzir as perdas transversais em vazio.

Atualmente, as principais áreas de produção de chapas de aço silício são o Japão, a Europa Ocidental, a Rússia, a Coreia do Sul e a siderúrgica Wuhan Iron and Steel, na China.

As especificações das chapas de aço silício com grãos orientados laminadas a frio são representadas principalmente pela espessura e pela perda unitária (W/kg) quando a densidade de fluxo magnético de 50Hz é de 1,7T, por exemplo:

• Chapa de aço silício recém-desenvolvida utilizando tecnologia de irradiação a laser e gravação mecânica

Cisalhamento da chapa de aço silício do núcleo do transformador:

Quando a chapa de aço silício chega à fábrica, ela está em bobina com cerca de 1000 mm de largura. É necessário cortá-la no formato desejado por meio de equipamentos especiais de corte (como a guilhotina alemã Georger). A rebarba resultante do corte em cada chapa não deve ser superior a 0,02 mm.

Empilhamento de núcleos de ferro:

●Como a bobina do transformador de núcleo é circular, a seção da coluna do núcleo também deveria ser circular, mas isso é difícil de fabricar e antieconômico, então ela é feita em formato escalonado (tipo cilíndrico graduado). Cada degrau forma um retângulo, e o limite externo está localizado na mesma circunferência circunscrita. O número de degraus tem um limite específico, que precisa ser avaliado de forma abrangente, considerando os benefícios econômicos.

●Quando os núcleos de ferro são empilhados, a coluna do núcleo e as peças do núcleo de ferro do jugo de ferro são sobrepostas alternadamente por uma ou mais peças, de modo que as juntas de topo das camadas superior e inferior de chapas de aço silício fiquem alternadamente escalonadas e se sobreponham. A corrente de excitação e as perdas em vazio são reduzidas, ao mesmo tempo que a resistência é melhorada.

Junta sobreposta de peça com núcleo de ferro:

Atualmente, o núcleo do transformador adota a forma de junta oblíqua completa, ou seja, a junção da coluna do núcleo e da culatra de ferro forma um ângulo de 45°. Essa forma de junta é perfeitamente adequada às características da chapa de aço silício orientado de alta permeabilidade magnética comumente utilizada atualmente, tornando o circuito magnético o mais consistente possível.

Para núcleos de transformadores de grandes dimensões com juntas de esquadria completas, o empilhamento é geralmente realizado na forma de juntas de dois estágios. Para melhorar ainda mais as características de vazio do núcleo do transformador, forma-se um núcleo com costura multinível, ou seja, o núcleo StepLap.

No núcleo laminado, as juntas das lâminas de aço silício são escalonadas. Quando o fluxo magnético de uma determinada peça encontra o entreferro na junta, a resistência magnética do entreferro é milhares de vezes maior que a da lâmina de aço silício. A maior parte do fluxo passa pelas lâminas de aço silício adjacentes que fazem a ponte entre essas juntas. O fluxo magnético original das lâminas nas juntas de ponte e os fluxos magnéticos das juntas de ponte se sobrepõem. A densidade pode atingir a saturação, de modo que a perda em vazio e a corrente em vazio na área da junta (ou seja, local) aumentam acentuadamente, resultando em um aumento da perda total em vazio.

A laminação escalonada é uma nova tecnologia de laminação adotada este ano, que pode melhorar a densidade magnética da chapa de aço silício na área de junção, reduzindo assim efetivamente a perda em vazio e o ruído da parte central.

Isolamento do núcleo:

O isolamento do núcleo de ferro tem impacto direto na qualidade do núcleo do transformador. O isolamento do núcleo de ferro pode ser dividido em duas partes: o isolamento entre as chapas e o isolamento entre as lâminas e as partes estruturais.

O isolamento entre os chips é obtido principalmente por meio de dois aspectos: um é o revestimento na superfície da folha laminada e o outro é a colocação de uma camada de papelão isolante com uma certa espessura em cada pilha durante o processo de empilhamento, que também atua como um canal de dissipação de calor para o óleo.

Em transformadores de grande capacidade, para que o calor gerado no núcleo de ferro seja dissipado pelo óleo isolante em circulação, existem canais de refrigeração a óleo na coluna do núcleo e na culatra. Esses canais podem ser perfurados em chapas de aço silício com formato ondulado ou constituídos por barras de aço soldadas sobre as chapas. Para núcleos de transformadores com juntas totalmente oblíquas, a fim de reduzir as perdas, utilizam-se lâminas de material não metálico para separar os canais de óleo.

Aterramento do núcleo de ferro:

Durante o funcionamento do transformador, devido às diferentes posições do núcleo de ferro e de suas estruturas metálicas no campo elétrico, os potenciais gerados também são diferentes. Quando a diferença de potencial entre dois pontos atinge um determinado valor, ocorre um fenômeno de descarga. Como resultado da descarga, o óleo do transformador se decompõe ou o isolamento sólido é danificado. Para evitar esse fenômeno, o núcleo de ferro e suas partes estruturais metálicas devem ser aterrados de forma eficaz.

Acessórios Iron Core

Parte II. Enrolamento do transformador

O conteúdo principal da seção de enrolamento do transformador é o fio e o método de enrolamento do transformador.

A bobina é o circuito elétrico de entrada e saída de energia elétrica do transformador, sendo seu componente básico. As bobinas devem ser projetadas para atender aos seguintes requisitos básicos:

1. Força elétrica

tensão suportável por impulso de raio

tensão de impulso operacional suportável

tensão suportável de frequência de potência

2. resistência ao calor

Sob o calor gerado pela corrente de trabalho de longa duração, a vida útil do isolamento da bobina não deve ser inferior a 20 anos.

Nas condições de funcionamento do transformador, ocorre um curto-circuito repentino em qualquer extremidade da linha, e a bobina deve ser capaz de suportar o calor gerado pela corrente de curto-circuito sem sofrer danos.

3. Resistência mecânica

tipo de bobina;

O tipo de bobina é selecionado principalmente de acordo com a capacidade de dissipação de calor, como a tensão da bobina, e também considerando a rigidez dielétrica, a resistência mecânica, a dissipação de calor e a viabilidade do processo de fabricação. A escolha da estrutura da bobina não é única, e às vezes existem várias formas estruturais disponíveis. Isso também está relacionado aos hábitos tradicionais de diversos fabricantes de transformadores.

As bobinas de transformadores podem ser divididas em dois tipos principais: tipo em camadas e tipo bolo. As bobinas de pinos podem ser divididas em espirais, contínuas, emaranhadas, emaranhadas contínuas, contínuas com blindagem interna e escalonadas.

Fio da bobina:

Os fios de enrolamento podem ser classificados em cobre e alumínio, de acordo com os diferentes materiais condutores; em fios redondos e fios planos, de acordo com o formato do condutor; e em fios de papel, revestidos com tinta e de fibra de vidro, de acordo com o material isolante. Transformadores de potência geralmente utilizam fios de aço planos revestidos com papel.

O fio de aço plano revestido com papel pode ser dividido em fio comum revestido com papel, fio combinado, fio transposto e outros tipos. De acordo com a resistência à tração do fio de aço, ele pode ser dividido em fio comum (00,≤120Mpa), fio de cobre semi-duro (120Mpa<00,2≤210Mpa). Entre eles, existe também o fio transposto autoadesivo, ou seja, um único fio plano no fio transposto é revestido com uma camada de resina epóxi (a espessura da película de tinta em ambos os lados é

0,06 ± 0,02 mm), o objetivo é unir todos os fios finos após a cura térmica da película de tinta, de modo a melhorar a resistência a curto-circuito da bobina. Atualmente, o fio de transposição de encapsulamento em rede mais recente já está em uso, e linhas de produção de processamento correspondentes também foram introduzidas na China.

Os fios de enrolamento podem ser divididos em cobre e alumínio, de acordo com os diferentes materiais condutores; em fios redondos e fios planos, de acordo com os formatos dos condutores; e em fios de papel, tinta e vidro, de acordo com os materiais isolantes. Transformadores de potência geralmente utilizam fios de cobre planos revestidos com papel.

O fio de cobre plano revestido em papel pode ser dividido em fio comum revestido em papel, fio combinado, fio transposto e outros tipos. De acordo com a resistência à tração do fio de cobre, ele pode ser dividido em fio comum (02≤120Mpa) e fio de cobre semi-duro (120Mpa<00, ≤210Mpa). Entre eles, existe também o fio transposto autoadesivo, ou seja, um único fio plano é revestido com uma camada de resina epóxi (a espessura da película de tinta em ambos os lados é de 0,06±0,02mm), com o objetivo de aquecer a película de tinta. Após a cura, todos os pequenos fios são colados para aumentar a resistência a curto-circuito da bobina. Atualmente, o fio transposto em embalagem em rede mais recente já está em uso, e linhas de produção de processamento correspondentes também foram introduzidas na China.

Os enrolamentos são geralmente divididos em dois tipos: tipo camada e tipo pizza.

As espiras do enrolamento são dispostas e enroladas continuamente ao longo da direção axial, o que é chamado de enrolamento em camadas. Cada camada tem formato cilíndrico. Enrolamento em barril.

As espiras do enrolamento são enroladas continuamente na direção radial para formar um formato de fatia (segmento), e o enrolamento composto por vários segmentos dispostos na direção axial é chamado de enrolamento em fatia. Inclui enrolamentos capacitivos contínuos, entrelaçados e inseridos.

Formas comuns de enrolamento:

Os enrolamentos mais comuns são cilíndricos, espirais, contínuos e emaranhados.

O enrolamento cilíndrico é o tipo mais simples e geralmente consiste em uma ou várias espiras. Durante o enrolamento, são dadas voltas próximas umas das outras ao longo do eixo do molde de fio, de forma semelhante a uma mola helicoidal circular bem apertada. Caracteriza-se pela simplicidade do enrolamento, bom acabamento e boa dissipação de calor pelas passagens de óleo entre as camadas, porém com pequenas superfícies de apoio nas extremidades e baixa resistência mecânica.

O enrolamento em espiral é feito de fio plano, e as espiras não são próximas umas das outras, mas separadas por uma certa distância (canal de óleo) com espaçadores isolantes, como uma mola helicoidal esticada. A vantagem é que o processo de enrolamento é simples e existe um canal de óleo para dissipação de calor, mas não é adequado para enrolamentos com um grande número de espiras.

O tipo espiral consiste em múltiplos fios enrolados em paralelo na câmara de ar rígida do pneu, podendo formar uma única hélice, ou uma dupla hélice ou até mesmo quatro hélices quando há mais fios em paralelo. Quando vários fios são conectados em paralelo, a polaridade dos fios deve ser invertida, caso contrário, haverá corrente circulante devido ao comprimento desigual dos fios.

O enrolamento contínuo é composto por um ou mais fios planos que são enrolados continuamente em múltiplos segmentos de fio em forma de cunha sobre um cilindro isolante ou suportes de molde de fio por meio de um processo especial. As vantagens são alta resistência mecânica e bom desempenho de dissipação de calor. No entanto, o processo de enrolamento é mais complexo.

A conexão entre o fio contínuo e o fio enrolado é feita alternadamente na parte interna e externa do enrolamento, de modo que, desde que o comprimento do fio seja suficiente, ele pode ser enrolado em um enrolamento contínuo sem juntas de solda.

O enrolamento capacitivo inserido é formado pela inserção de um fio (fio blindado) com capacitância longitudinal entre as espiras internas da parte externa do enrolamento contínuo. O comprimento do fio inserido e o número de espiras podem ser determinados de acordo com a capacitância necessária. Como o fio blindado não conduz corrente de trabalho, geralmente são utilizados fios muito finos.

O enrolamento capacitivo inserido adota um enrolamento contínuo, o que reduz significativamente o número de pontos de solda em comparação com o enrolamento emaranhado. Além disso, o número de espiras do fio de blindagem inserido pode ser ajustado livremente, permitindo o ajuste da capacitância longitudinal conforme a necessidade. Atualmente, é amplamente utilizado em enrolamentos de transformadores de grande porte com tensão de 110 kV ou superior.

transposição de fios

Quando a corrente do transformador é alta, as espiras da bobina são compostas por múltiplos fios paralelos. Se nenhuma medida for tomada, o fio próximo ao eixo central será curto e o fio distante do eixo central será longo. Devido ao comprimento e à posição diferentes dos fios no campo magnético, a resistência e a reatância indutiva dos fios ficam desequilibradas, causando uma distribuição desequilibrada da corrente entre os condutores. Para garantir que a corrente seja distribuída uniformemente ao longo dos condutores e reduzir perdas adicionais, os condutores paralelos devem ter suas posições invertidas, em um processo conhecido como "transposição".