Elektrische Transformatoren sind ein wichtiger Teil unseres Stromverteilungssystems, das stark auf den Transformatorenkern angewiesen ist, um Strom effizient zu liefern. Der elektrische Transformator Kern sieht aus wie ein sehr einfaches metallisches Teil des Transformators, spielt jedoch eine entscheidende Rolle beim effizienten Transfer von Energie von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung.
Der Transformatorenkern ist ausschließlich auf sein Material angewiesen, um elektrische Energie effizient zu übertragen, und zwei der am häufigsten verwendeten Materialien sind amorph und Siliziumstahl. Um die Transformatoren mit amorphen Kernen und Siliziumstahlkernen besser zu verstehen, werden wir einen kurzen Vergleich beider Materialien anstellen. Wir werden ihr Design, ihre Konstruktion, Herstellung, Funktion und Anwendungen vergleichen.
Materialvergleich zwischen amorphen Kernen und Siliziumstahlkernen
Der Transformator mit amorphen Kernen hat sich aus der amorphen Metalllegierung in seinem Transformatorenkern entwickelt, während der Transformatorenkern aus Siliziumstahl eine spezifische Art von Siliziumstahl für die Herstellung seines Kerns verwendet. Jedes Material hat seine eigenen einzigartigen Eigenschaften, für die es für den Bau der Transformatorenkern und wir werden hier jede Eigenschaft im Detail besprechen.
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Atomare oder Kornstruktur
Die amorphen Metalllegierungen sind in ihrer atomaren Struktur nicht-kristallin und ihre Kornstruktur ähnelt der atomaren Struktur von Glas. Da die Atome der amorphen Metalle immer zufällig angeordnet sind, gibt es keine langfristige Ordnung in ihrer atomaren Struktur. Dies ist einer der Hauptgründe, warum dieses Transformatorenkernmaterial verwendet wird, da seine Struktur das Halten von magnetischen Bereichen im elektrischen Transformator minimiert, was eine viel sanftere Magnetisierung des Transformatorenkerns ermöglicht und die Kernverluste reduziert.
Im Gegensatz dazu hat der Siliziumstahl eine sehr spezifische kristalline Struktur als seine Hauptkorn- oder atomare Struktur. Diese spezifische Kornorientierung resultiert aus dem Kaltwalzen und der Glühbehandlung des Materials während der Herstellung. Die kristalline Kornstruktur des Siliziumstahls ermöglicht den Fluss des magnetischen Flusses in eine Richtung und verbessert somit die Effizienz des Transformatorenkerns. Die kristalline Struktur bietet jedoch mehr Widerstand gegen die Bewegung der magnetischen Bereiche im Vergleich zu der des amorphen Metalls.
Elektrischer Widerstand
Die amorphen Metalllegierungen bieten typischerweise eine hohe elektrische Resistivität von etwa 130 bis 150 μΩ·cm, während die Siliziumstahlbleche, die im Transformatorenkernmaterial verwendet werden, eine moderate elektrische Resistivität von 45 bis 50 Mikrowatt-Centimeter aufweisen. Die hohe elektrische Resistivität des amorphen Metalls hilft, Wirbelstromverluste zu reduzieren, und verbessert die Gesamteffizienz bei speziell hochfrequenten Anwendungen. Die niedrigere elektrische Resistenz des Siliziumstahls erlaubt eine höhere Wirbelstrombildung im Transformatorenkernmaterial, insbesondere bei hohen Frequenzen.
Magnetische Koerzitivität
Die magnetische Koerzitivität ist ein Indikator dafür, wie einfach es für ein Metall ist, sich zu magnetisieren und zu entmagnetisieren. Die amorphe Metalllegierung hat eine niedrige magnetische Koerzitivität, was bedeutet, dass es sehr wenig Energie benötigt, um den amorphen Metallkern zu magnetisieren und zu entmagnetisieren. Dies macht einen amorphen Metalllegierungskern ideal für weichmagnetische Anwendungen. Das Transformatorenkernmaterial aus Siliziumstahl hat aufgrund seiner kristallinen Struktur ein moderates Niveau magnetischer Koerzitivität. In der kristallinen Struktur ist die Bewegung der Domänenwände etwas ausgeprägt im Vergleich zu der des amorphen Metalls.
Magnetische Permeabilität
Das amorphe Kernmaterial bietet eine hervorragende magnetische Permeabilität bei hohen Frequenzen. Die weichmagnetische Natur dieses Materials ermöglicht ein schnelles Schalten im elektrischen Transformatorenkern und reduziert somit die Kernverluste im elektrischen Transformator. Der Siliziumstahl hat ebenfalls eine hohe magnetische Permeabilität, ist jedoch nicht so hoch wie die der amorphen Metalllegierung bei hohen Frequenzen. Der Siliziumstahl-Transformatorenkern ist für Anwendungen bei 50 oder 60 Hz geeignet, da ihre Leistung bei höheren Frequenzen aufgrund hoher Wirbelstrom- und Hystereseverluste zu sinken beginnt.
Magnetische Flussdichte
Die amorphe Metalllegierung hat eine moderate magnetische Flussdichte, die jedoch viel niedriger ist als die des Siliziumstahls, da der Siliziumstahl eine ziemlich hohe magnetische Flussdichte von bis zu 2 Tesla erreicht. Die höhere magnetische Flussintensität des Siliziumstahls ermöglicht es, viel höhere magnetische Lasten zu bewältigen, was ihn ideal für große Leistungstransformatoren macht, während die amorphen Metalllegierungen für Transformatoren mittlerer Größe für empfindliche Anwendungen empfohlen werden.
Vergleich der Konstruktion jedes Kerns
Das amorphe Kernmaterial des Transformators besteht aus einer eisenhaltigen Legierung, die Elemente wie Bor und Silizium enthält, während der Siliziumstahl selbst aus der geschmolzenen Legierung besteht, die bei extrem hohen Raten schnell abgekühlt wird, was ihm die kristalline Struktur verleiht.
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Aufbau des amorphen Kerns
Sobald das amorphe Metall im Ofen erzeugt wurde, wird es mithilfe einer Methode namens Planarflussguss in bandartige Bleche verfestigt. Bei dieser Methode wird das geschmolzene Material auf ein schnell rotierendes, wassergekühltes Rad ausgeworfen, das das geschmolzene Metall in dünne bandartige Bleche kühlt. Die Dicke des Blechs ist extrem klein und beträgt nur 20 oder 30 Mikrometer. Diese extrem dünnen Bleche helfen, die Wirbelstromverluste im Material und im Transformatorenkern zu minimieren.
Um die genaue Form des erforderlichen Transformatorenkerns zu erhalten, werden die amorphe Metallbänder dann auf die spezifische Länge und Form zugeschnitten. Die extrem dünnen Bleche, die in die gewünschte Form und Länge geschnitten werden, werden dann schichtweise übereinander gestapelt, um einen dicken magnetischen Transformatorenkern zu bilden. Je nach Anforderung kann die Form rechteckig, C-förmig oder toroidal sein.
Nach Erhalt der erforderlichen Form und Größe des Transformatorenkerns wird die endgültige Montage des Transformatorenkerns durch den Wärmebehandlungsprozess namens Glühen verarbeitet. Dies geschieht, um interne Spannungen aus den amorphen Metallblechen zu entfernen, damit sie die magnetischen Eigenschaften optimieren können. Der Wärmebehandlungsprozess hilft, die magnetischen Bereiche auszurichten und die Leistung des amorphen Metalls zu verbessern.
Der aus der amorphen Metalllegierung hergestellte Kern hat anfänglich eine geringe mechanische Festigkeit aufgrund der Kornstruktur der Metalle und der verwendeten sehr dünnen Bleche. Um dem Kern zusätzliche mechanische Festigkeit zu verleihen, erfolgt die Laminierung der gesamten Baugruppe. Die Laminierung fungiert als schützende Hülle oder Beschichtung, die zusätzliche mechanische Festigkeit bietet und auch eine Isolierung liefert.
Aufbau des Siliziumstahlkerns
Während der Herstellung von Siliziumstahl wird die geschmolzene Siliziumstahllegierung zunächst einem schnellen Abkühlprozess und anschließend einem Kaltwalzprozess unterzogen, gefolgt von dem Wärmebehandlungsprozess namens Glühen, um alle Arten von inneren Spannungen, die während des Kaltwalzprozesses in dem Blech induziert wurden, zu beseitigen. Der Wärmebehandlungsprozess und der Kaltwalzprozess erzeugen eine kornorientierte Struktur in den Siliziumstahlblechen, die eine einfache Magnetisierung des Materials ermöglicht. Diese Kornstruktur trägt auch dazu bei, die Hystereseverluste zu reduzieren und zu minimieren, wenn der magnetische Fluss im Material fließt.
Wie bei der Herstellung des amorphen Kernmaterials umfasst die Herstellung des Siliziumstahlkerns ebenfalls sehr dünne Bleche des Siliziumstahls, die in Form von langen, schmalen Blechen oder in Spulenform erhältlich sind. Die Dicke der Siliziumstahlbleche reicht von 0,23 mm bis 0,3 mm. Bei dieser Dicke bieten die Siliziumstahlbleche eine sehr hohe Permeabilität in die Kornrichtung und auch eine sehr niedrige Hysterese im Vergleich zu nicht orientiertem Siliziumstahl.
Die Bleche werden dann in die erforderliche Form und Größe geschnitten und gestapelt, um den Transformatorenkern zu konstruieren. Die Siliziumstahlbleche werden normalerweise in gängigen Formen wie E, I, C oder Stufenstoßkonfiguration geschnitten. Unter diesen Konfigurationen wird das Stufenstoßdesign speziell verwendet, um Verbindungen und Luftspalte in der endgültigen Transformatorenbaugruppe zu minimieren, und dies reduziert auch Geräusche und Kernverluste.
Wie das amorphe Metallblech hat das Siliziumstahlblech, da es ein so dünnes Blech ist, eine sehr begrenzte mechanische Festigkeit und benötigt Unterstützung, um den Spannungen, die während des Transformatorbetriebs induziert werden, standzuhalten. Die Bleche benötigen auch eine Isolierung zwischen den Blechen, wenn sie gestapelt werden, um den Transformatorenkern zu bilden.
Dies geschieht, um die Siliziumstahlbleche zu laminieren, und der Prozess umfasst die Beschichtung von isolierenden Oxidschichten auf jedem Blech dieses Siliziums. Dies kann auch erreicht werden, indem Lack verwendet wird, um jedes Blech elektrisch zu isolieren, bevor es im Transformatorenkern gestapelt wird.
Vergleich von Betrieb und Effizienz
Das Arbeitsprinzip des Transformatorenkerns bleibt unabhängig von der Art des verwendeten Materials zur Herstellung und der gewählten Form oder Konfiguration gleich. Der Unterschied liegt jedoch in der Gesamteffizienz des Transformatorenkerns und wie jeder spezifische Kern unter verschiedenen Betriebsbedingungen abschneidet.
Der amorphe Kern weist deutlich niedrigere Hystereseverluste und Wirbelstromverluste auf, während der Siliziumstahlkern aufgrund seiner kristallinen Struktur höhere Kernverluste aufweist. Andererseits hat der Siliziumstahlkern eine deutlich höhere Sättigungsflussdichte, was ihn besser für Hochleistungs- und Hochlastanwendungen geeignet macht.
Der Transformator mit amorphem Kern bietet reduzierte Leerlaufverluste, die etwa 60 oder 70 % niedriger sind als beim Siliziumstahlkern. Dies macht den Transformator mit amorphem Kern zur idealen Wahl für Anwendungen mit langen Leerlaufzeiten oder ständiger Energisierung. Die Verwendung des amorphen Kernmaterials im Transformator führt zu niedrigeren Energierechnungen aufgrund geringerer Verluste und eines reduzierten CO2-Fußabdrucks, was zur ökologischen Nachhaltigkeit beiträgt.
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Kostenvergleich
Obwohl der Transformator mit amorphem Legierungskern zahlreiche Vorteile und höhere Effizienz bei reduzierten Kernverlusten bietet, erhöht sich die Kosten des Transformators aufgrund der höheren Kosten des amorphen Kerns um ein Vielfaches.
Die Kosten des Transformators steigen auch aufgrund der spröden und fragilen Natur des amorphen Materials, das eine sehr präzise Schneidemaschine und ebenso hochpräzise Montageeinheiten für das Stapeln und Zusammenbauen des Transformatorenkerns erfordert.
Dies macht den Montageprozess im Vergleich zum Standardverfahren langsamer und wesentlich komplexer. Und aufgrund dieser präzisen Bearbeitungs- und Montageverfahren ist der gesamte Prozess der Herstellung des amorphen Kerns nicht leicht anpassbar für Designänderungen. All dies erhöht die Kosten des Transformatorenkerns und damit auch die Gesamtkosten des Transformators.
Im Gegensatz dazu bietet der Siliziumstahlkern nicht die hohe Effizienz und reduzierten Verluste wie der amorphe Kern, seine Gesamtkosten und die des Transformators sind jedoch wesentlich niedriger im Vergleich zum amorphen Kerntransformator.
Das liegt daran, dass das Siliziumstahlmaterial sehr einfach zu schneiden, zu stapeln und dann in der Konfiguration des Transformatorenkerns zusammenzubauen ist. Der Prozess erfordert nichts Spezifisches oder speziell gestaltete Bearbeitungs- und Montagetechniken. Dies macht den Siliziumstahlkern auch ideal für die Massenproduktion und Standardisierung, was die Kosten des Endprodukts senkt.
Aufgrund dieser Gründe sind Siliziumstahlkerne eine äußerst kosteneffektive und gut unterstützte Option in der Branche.
Anwendungen und Nutzungsszenarien
Aufgrund ihrer hohen Effizienz und reduzierten Gesamtverluste werden Transformatoren mit amorphem Kern für alle Arten von energieeffizienten Anwendungen wie gewerbliche Gebäude, Wohngebäude und digitale Vermögenswerte in der Industrie wie Rechenzentren, KI-Modelle und Blockchain-Zentren dringend empfohlen.
Da Transformatoren mit amorphem Kern als umweltfreundlicher gelten und aufgrund ihrer effizienten Arbeitsweise werden diese Transformatoren auch für grüne Energieinitiativen wie Solarenergieanlagen und Windkraftanlagen empfohlen. Transformatoren mit amorphem Kern werden auch für Projekte in Smart Cities sowie für kleine und Mikronetze empfohlen, um kleine Industrien oder Wohngebiete mit Strom zu versorgen.
Im Gegensatz zum Transformator mit amorphem Kern sind die Transformatoren mit Siliziumstahlkern für Massenanwendungen in Hochleistungsanwendungen konzipiert und entwickelt. Transformatoren mit Siliziumstahlkern werden dringend für Leistungstransformatoren und Kraftwerksanlagen empfohlen. Diese Transformatoren werden auch für große industrielle Anwendungen empfohlen, bei denen schwere Maschinen eingesetzt werden, und mehr als ein Transformator benötigt werden könnte, um die Industrie mit Strom zu versorgen. Siliziumstahltransformatoren sind ein wichtiger Bestandteil unseres Stromübertragungs- und Verteilungssystems und werden in allen Arten von Umspannwerken weit verbreitet eingesetzt.
Fazit
Der elektrische Transformatorenkern ist der wichtigste Teil des elektrischen Transformators und spielt eine wesentliche Rolle bei der Übertragung von Energie zwischen den Transformatorwicklungen. Amorphe Kerne und Siliziumstahlkerne sind die beiden am häufigsten verwendeten Materialien für elektrische Transformatoren. Jedes bietet eigene Vorteile und hat bestimmte Einschränkungen. Transformatoren mit amorphem Kern gelten als effizienter und haben geringere Kernverluste im Vergleich zu Transformatoren mit Siliziumstahlkern, jedoch ist der Preis des amorphen Transformators viel höher als der des Siliziumstahlkerntransformators. Aus diesem Grund wird der amorphe Transformator für hocheffiziente und empfindliche Anwendungen empfohlen, während der Siliziumstahlkerntransformator für alle Arten von Hochleistungs- und Massenanwendungen empfohlen wird.
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Sowohl der Transformator mit amorphem Kern als auch der Transformator mit Siliziumstahlkern sind ein wichtiger Teil unseres Stromverteilungs- und Regelungssystems. Wir von Daelim Transformer bieten amorphe Transformatoren und Transformatoren mit Siliziumstahlkern in allen Typen und Größen sowie mit unterschiedlichen Leistungsfähigkeiten an. Alle unsere elektrischen Transformatoren sind nach internationalen Standards entworfen und validiert, und wir liefern auch maßgeschneiderte Transformatoren für spezielle Kunden. Wenn Sie Fragen zu den elektrischen Transformatoren haben, können Sie uns kontaktieren und unser Team wird Ihr Problem schnellstmöglich bearbeiten.
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