Wieloszczelinowe rdzenie blokowe transformatorów i dławików dla potrzeb elektroenergetyki

Fot. Impregnacja uzwojeń transformatora 50 kVA dla częstotliwości 2,5 kHz z rdzeniem NMSC (dane własne)
Fot. Impregnacja uzwojeń transformatora 50 kVA dla częstotliwości 2,5 kHz z rdzeniem NMSC (dane własne)
Fot. Cezary Świeboda

Transformatory i dławiki należą do podstawowych urządzeń elektrycznych przeznaczonych do przetwarzania energii elektrycznej, a za ich zasadniczy parametr użytkowy coraz częściej uznaje się po prostu ich efektywność. Stąd też konstrukcja urządzeń zmienia się ustawicznie i to nie tylko wskutek nowych zasad projektowania, ale także sposobu doboru materiałów elektrotechnicznych, w tym technologii uzwajania oraz doboru ferromagnetyków z przeznaczeniem na rdzenie magnetyczne [1, 2].

W przypadku obwodów magnetycznych pracujących w podwyższonych częstotliwościach, tj. dla potrzeb szeroko rozumianej energoelektroniki – coraz częściej wykorzystuje się w tych urządzeniach (przykładowo [2–6]) – rdzenie z taśm nanokrystalicznych [7]. Jest to następstwem upowszechnienia rozwoju inżynierii materiałów magnetycznych związanych z nanokrystalizacją stopu FeSi w matrycy amorficznej [7–11].

Rys. 1. Struktura nanokrystaliczna z objętościowym udziałem faz (dane literaturowe, za [10]): gdzie: 1 – obszary o dużej koncentracji miedzi (warunkujące rozrost ziaren), 2 – komórki elementarne nanoziaren roztworu stałego FeSi (ok. 70–80% materiału), 3 – matryca amorficzna (szkło metaliczne) na bazie Fe (objętościowo ok. 20–30% materiału); rys. Cezary Świebioda
Rys. 1.  Struktura nanokrystaliczna z objętościowym udziałem faz (dane literaturowe, za [10]): gdzie: 1 – obszary o dużej koncentracji miedzi (warunkujące rozrost ziaren), 2 – komórki elementarne nanoziaren roztworu stałego FeSi (ok. 70–80% materiału), 3 – matryca amorficzna (szkło metaliczne) na bazie Fe (objętościowo ok. 20–30% materiału); rys. Cezary Świebioda

Taśmy nanokrystaliczne produkuje się dwuetapowo: poprzez gwałtowne schładzanie stopu amorficznego FeCuNbSiB uzyskuje się szkło metaliczne, którego podstawowym składnikiem jest żelazo, a następnie poprzez obróbkę w polu termicznym i niekiedy magnetycznym tak wytworzonego szkła metalicznego, uzyskuje się materiał o strukturze nanokrystalicznej (rys. 1.).

Podczas wspomnianej obróbki zachodzi kontrolowany proces krystalizacji drobnokrystalicznej – stwarzający dodatkowo możliwości wytwarzania – wskutek zjawiska anizotropii indukowanej – materiałów o różnych własnościach magnetycznych.

Taśmy nanokrystaliczne – na bazie Fe w przeciwieństwie do amorficznych – charakteryzują się małą magnetostrykcją (cechą zmiany wymiarów geometrycznych pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego). Wynika to z faktu, że stała magnetostrykcji l fazy ferromagnetycznej nanokrystalicznej a – FeSi (obszar 2 na rys. 1.) wynosi λa-FeSi ≈ –9·10–6, podczas gdy dla fazy amorficznej Fe (obszar 3 na rys. 1.) λam ≈ +21·10–6.

Łatwo zatem obliczyć – korzystając z superpozycji, że przy udziale objętościowym ok. 80–70% fazy nanokrystalicznej i 20–30% fazy amorficznej (rys. 1.) – wypadkowa wartość magnetostrykcji wynosić może nawet zero.

Ze względu na oddziaływania pomiędzy fazami nanokrystaliczną i amorficzną oraz obecność Cu w stopie – za katalogową magnetostrykcję taśm nanokrystalicznych przyjmuje się wartość λ = +0,5·10-6, co czyni ten materiał bardzo odpowiednim w bezszumowych urządzeniach pracujących w podwyższonych częstotliwościach.

Rys. 2. Poziomy stratności magnetycznych taśmy elektrotechnicznej oraz rdzeni z różnych materiałów magnetycznych dla B =0,1 T oraz częstotliwości f = 10 kHz (dane literaturowe na podstawie katalogów i badań własnych, za [6]) gdzie: 0,1 taśma GO – taśma elektrotechniczna zorientowana o grubości 100 µm (dane katalogowe), 0,1 rdzeń JNEX – rdzeń pakietowany z taśmy 6,5%SiFe o grubości 100 µm [16], 0,02 rdzeń AMCC1000 – rdzeń zwijany owalny cięty z taśmy amorficznej Fe o grubości 20 µm [17], rdzeń NMSC – rdzeń pakietowany z taśmy nanokrystalicznej Fe o grubości ok. 33 µm [18], rdzeń FINEMET F3CC0125 – rdzeń zwijany owalny cięty z taśmy nanokrystalicznej Fe o grubości ok. 20 µm; rys. Cezary Świeboda
Rys. 2.  Poziomy stratności magnetycznych taśmy elektrotechnicznej oraz rdzeni z różnych materiałów magnetycznych dla B =0,1 T oraz częstotliwości f = 10 kHz (dane literaturowe na podstawie katalogów i badań własnych, za [6]) gdzie: 0,1 taśma GO – taśma elektrotechniczna zorientowana o grubości 100 mm (dane katalogowe), 0,1 rdzeń JNEX – rdzeń pakietowany z taśmy 6,5%SiFe o grubości 100 mm [16], 0,02 rdzeń AMCC1000 – rdzeń zwijany owalny cięty z taśmy amorficznej Fe o grubości 20 mm [17], rdzeń NMSC – rdzeń pakietowany z taśmy nanokrystalicznej Fe o grubości ok. 33 mm [18], rdzeń FINEMET F3CC0125 – rdzeń zwijany owalny cięty z taśmy nanokrystalicznej Fe o grubości ok. 20 mm; rys. Cezary Świeboda

Przedstawione omówienie uzasadnia w pełni propozycję szerszego upowszechnienia taśm nanokrystalicznych – nie tylko w postaci rdzeni zwijanych, ale także pakietowanych, w tym rdzeni wieloszczelinowych w dławikach układów przekształtnikowych. Odpowiednia obróbka wyjściowego szkła metalicznego, warunkuje bowiem pożądany poziom jego krystalizacji (rys. 1.), a to pozwala z kolei na modelowanie własności magnetycznych wytwarzanych w ten sposób taśm nanokrystalicznych [7, 9–11]: z niezwykle małym natężeniem koercji, nawet Hc < 1 A/m oraz bardzo dużą początkową względną przenikalnością magnetyczną mi dochodzącą do 300 000 (dotyczy rdzeni toroidalnych i po obróbce w odpowiednio ukierunkowanym polu magnetycznym [12]).

Bliższe dane dotyczące własności materiałów oraz cechy niektórych typów rdzeni produkowanych z taśm nanokrystalicznych znaleźć można w katalogach licznych ich producentów, przykładowo [13–15]. Zauważa się przy tym najniższe straty w tych materiałach, co jest szczególnie przydatne w warunkach podwyższonych częstotliwości (rys. 2.).

Do budowy rdzeni wieloszczelinowych wykorzystywane są głównie stale elektrotechniczne SiFe [3], w tym w przypadku podwyższonych częstotliwości do ok. 5 kHz stale o zawartości krzemu 6,5%SiFe [16].

Taśmy na rdzenie JNEX (rys. 2.) mają niewielką magnetostrykcję oraz charakteryzują się użytkowymi grubościami do 200 mm i z tego też względu rdzenie wykonane z tych materiałów mają relatywnie wysoki poziom stratności magnetycznej.

Czytaj też: Podstawowe wiadomości o napowietrznej sieci dystrybucyjnej energetyki zawodowej >>>

Bibliografia

1. Kuczyński K., „Transformatory rozdzielcze”, Elektro Info, 7-8/2010, str. 51.
2. Tomczuk K., „Przegląd przekształtników do zasilania silników reluktancyjnych”, Elektro Info, 7-8/2010, str. 46.
3. Czornik J., „Filtry harmonicznych gwarancją kompatybilności elektromagnetycznej oraz wysokiej sprawności przekształtnikowych układów napędowych”, Elektro Info, 7/8 2016, str. 20.
4. Szymański J., „Efektywność tłumienia prądów doziemnych silnika filtrami LC w napędach z falownikami napięciowymi zasilanymi z sieci TN”, Elektro Info, 7-8/2011, str. 24.
5. Soinski M., Leszczynski J., Swieboda C., Kwiecień M., „The applicability of nanocrystalline stacked cores for power electronics”, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 48, no. 2,3, 2015, pp. 301-307, 10.3233/JAE-152002.
6. Soinski M., Leszczynski J., Swieboda C., Kwiecien., „Nanocrystalline Block Cores for High-Frequency Chokes”, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 50, November 2014, no. 11, part 1 of 2, article no. 2801904.
7. Yoshizawa Y., Yamauchi K., Oguma S.: New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure, European Patent Application 0271 657, 1988.
8. Herzer G.: Nanocrystalline Soft Magnetic Alloys, Handbook of Magnetic Materials, North - Holland, Vol. 9, 1997, s. 417 – 462.
9. Kulik T., „Nanokrystaliczne materiały magnetycznie miękkie otrzymywane przez krystalizację szkieł metalicznych”, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, monografia nr 7, 1998.
10. Soiński M., „Materiały magnetyczne w technice”, Warszawa, COSiW SEP, 2001.
11. Zbroszczyk J., „Amorficzne i nanokrystaliczne stopy żelaza”, Monografie 134, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2007.
12. Świeboda C., „Current and future use of the nanocrystalline strips”, 3rd IEEE International Students Conference on Electrodynamics and Mechatronics, Opole University of Technology, Opole, 6–8.10.2011.
13. Dane katalogowe: Hitachi Powerlite® Inductor Cores, Metglas, 2011 [dostępne online pod adresem www.metglas.com].
14. Dane katalogowe: Vacuumschmelze GmbH & co. KG, Germany, “Nanocrystalline VITROPERM EMC Products” [dostępne online pod adresem www.vacuumschmelze.de].
15. Dane katalogowe: Anhui Astromagnet Co.,Ltd, China, “Amorphous Division”. [dostępne online pod adresem www.astromagnet.cn].
16. Dane katalogowe: JFE Steel Corporation, JFE Super Core (electrical steel sheets for high-frequency application), 2012 [dostępne online pod adresem www.jfe-steel.co.jp].
17. Dane katalogowe: Hitachi Metals, Tokyo, Japan. Metglas® AMCC Series Cut Core, Power Electronics Components (Catalog). [dostępne online pod adresem www.hitachimetals.co.jp].
18. Świeboda C., „Informacja Techniczna nr III – Projekt badawczy pt.: Badania przemysłowe nowego typu wytwarzania nanokrystalicznych rdzeni pakietowanych”, Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, nr umowy UDA-POIG.01.04.00-24-004/10-00, 22.05.2014.
19. Cezary Świeboda, Jacek Leszczyński, Influence of production technology on magnetic properties of nanocrystalline stacked and block magnetic cores (na prawach rękopisu).
20. Leszczyński J., Soiński M., Pytlech R., Rozik M., Pinkosz P., Kwiecień M., Pasek T., Pasierb P.: „ Narzędzie do cięcia taśm amorficznych”, zgłoszenie patentowe do Urzędu Patentowego Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 23.08.2011, numer zgłoszenia P.396093.
21. Cezary Świeboda, Marcin Kwiecień, Przemysław Pinkosz, „Analiza wybranych właściwości magnetycznych oraz ocena aplikacyjnej przydatności magnetycznych rdzeni blokowych z taśm amorficznych i nanokrystalicznych”, Wiadomości Elektrotechniczne, nr 9/2012,
str. 22 – 24.
22. J. Leszczyński, M. Soiński, R. Pytlech, R. Rygał, M. Pałęga, P. Pinkosz, M. Kwiecień, C. Świeboda, „Sposób wytwarzania rdzenia magnetycznego z taśmy nanokrystalicznej”, Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej, patent nr DP.P.401882.9.shol.
23. IEC 60404-6:2004 Magnetic materials – Part 6: Methods of measurement of the magnetic properties of magnetically soft metallic and powder materials at frequencies in the range 20 Hz to 200 kHz by the use of ring specimens.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 11/2016

Wybrane dla Ciebie


Jakie wybrać kable, przewody i osprzęt kablowy!

kable i przewody - przewodnik

Rozporządzenia CPR, dotyczące kabli i przewodów elektrycznych w zakresie reakcji na ogień. Została przedstawiona klasyfikacja materiałów budowlanych w zakresie reakcji na ogień oraz... czytam więcej »

 


Kamery termowizyjne nawet 40% taniej!

Promocja na kamery termowizyjne FLIR

Tylko do 9 grudnia możesz kupić kamery termowizyjne do prac elektrycznych i energetycznych w dużo niższych cenach... sprawdź za ile »

 


Dowiedz się, jak dobrać odpowiedni dla Twojego urządzenia rodzaj zasilania?

Rodzaje zasilania

Współczesne urządzenia elektryczne i elektroniczne spełniają ogrom funkcji, których oczekują ich użytkownicy. Są znakomitą pomocą w życiu i pracy, jednak wymagają zadbania o jeden aspekt – niezawodną, łatwo... czytam dalej »

 


Jaki silnik elektryczny wybrać? »

silnik elektryczny

W działaniu wielu maszyn i urządzeń technicznych wymagany jest ruch postępowy lub postępowo-zwrotny. Zazwyczaj ruch ten wytwarzają (...) czytam więcej »

 


Łączniki elektroinstalacyjne - rodzaje i sposób działania?

Oświetlenie zewnętrzne LED - dobór i zastosowanie»

Ranki łączniki gniazdka oswietlenie zewnętrzen LED
W każdej standardowej instalacji elektrycznej w budynku występują gniazda wtyczkowe oraz łączniki. Ich budowa oraz sposób zamocowania zależą od miejsca zainstalowania oraz metody wykonania (...) czytam więcej » Wymiana opraw oświetlenia zewnętrznego ze źródłami LED przynosi przede wszystkim poprawę efektywności energetycznej oświetlenia ulicznego. Oświetlenie LED posiada również (...) czytam dalej »

 


Przyrządy kontrolne i pomiarowe - zobacz niezawodne rozwiązania»

narzedzia pomiarowe dla elektryka Miernik napięcia, ciągłości i kolejności faz są zaprojekotwane do testowania napięcia, fazy, polaryzacji, kolejności faz i półprzewodników. Cyfrowy multimetr oraz cyfrowy miernik cęgowy oferują idealne rozwiązania dla wszystkich wymagań i możliwych zastosowań. Mierniki wykorzystują standardowe (...) czytam dalej »


Zobacz jakie oprawy zaprezentowano na Energetab 2019  »

Wiele nowych produktów od najlepszych w branży marek »

Samochody elektryczne i  mobilne stacje elektronika
Oświetlenie awaryjne ma zapewnić bezpieczne opuszczenie zajmowanych przestrzeni podczas awarii zasilania opraw oświetlenia podstawowego. Niejednokrotnie zanik oświetlenia podstawowego nie jest spowodowany zwykłą awarią zasilania czy wyłączeniem(...) czytam więcej » Poznaj pierwszy w branży przewodnik elektroniczny po złączach. Internetowe narzędzie referencyjne ułatwiające dobór złączy. (...) chcę zobaczyć »

 


Odpowiednie oświetlenie - prawidłowy dobór oświetlenia w projekcie »

projekt oświetlenia Są takie miejsca w domu, o których nie myśli się w pierwszej kolejności. Zostawia się je na później, dopiero wtedy, gdy zadba się o ważniejsze pomieszczenia. Tak jest często (...) czytam dalej »

 


Jak zapewnić bezprzerwowe zasilanie gwarantowane? »

Kolektor słoneczny – urządzenie do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło »

zasilanie gwarantowane panele słoneczne
Co rusz znaczenie tego problemu uświadamiają nam przechodzące nad naszym krajem orkany i wichury oraz widmo blackoutu, wynikające z pojawiającego się latem ogromnego zapotrzebowania na ... czytam więcej » Udział energii słonecznej w Polsce jest bardzo niski i według urzędu statystycznego, pozyskanie energii z promieniowania słonecznego w porównaniu do innych źródeł odnawialnych w 2017 roku wyniósł niecałe 1%.... czytam dalej »

Szafy energetyczne, sterowniczne, rozdzielcze - dlaczego nie wiesz co wybrać? »

szafy rozdzielcze i sterownicze Zgrupowanie urządzeń elektroenergetycznych wraz z szynami zbiorczymi, połączeniami elektrycznymi, elementami izolacyjnymi i osłonami, służący do rozdziału energii elektrycznej i łączenia oraz ... czytam dalej »


Bezprzewodowa automatyka domowa - i możesz sterować wszystkim w domu »

Intuicyjne oprogramowanie do projektowania listew ze złączkami !

Automatyka domowa - sterowaniem ze smatfona Projektowanie listew - oprogramowanie
Nowoczesny smartdom powinien być gotów na każde życzenie. Dlatego rozwiązania bezprzewodowej automatyki domowej dają Ci zdalną kontrolę nad funkcjami Twojego domu - oświetleniem, roletami, ogrzewaniem ... czytam więcej » Intuicyjne oprogramowanie do projektowania listew ze złączkami oraz profesjonalnego opisywania oznaczników do złączek szynowych, przewodów, kabli, urządzeń i instalacji. Oprogramowanie dostępne jest bezpłatnie na stronie www ... chcę poznać »

Małe, średnie i duże systemy sterowania »

Sterowniki plc Jeszcze kilka lat temu sterowniki PLC „tylko” wspierały pracowników przy wykonywaniu monotonnych zadań i zwiększaniu szybkości produkcji. Aktualnie każda produkcja ... czytam dalej »


Złącza silnoprądowe - czy silikon sobie poradzi?

Złącza silnopradowe Czy możemy zastosować elastyczne przewody silikonowe i czy są one odporne na uszkodzenie i wysokie temperatury? Przykładowo dla przekroju kabla 240 mm2 ... chcę obejrzeć »


Może Cię to zainteresuje ▼

Wyświetlacz cyfrowy - jaki wybrać?

Technologie robotyczne zgodne z koncepcją Industry 4.0 » »

wyświetlacze cyfrowe robotyka i automatyka
Współpracujący z dowolnym nadajnikiem sygnału w standardzie 4-20 mA. Urządzenia nie wymagające dodatkowego zasilania. Do obszaru zastosowań ... czytam więcej » Nowoczesne urządzenia mechaniczne nic nie znaczyłyby bez ukrytej w nich elektroniki, dizęki której ... czytam dalej »


Odczyty cyfrowe - przyrządy przeznaczone do wyświetlania położenia »

czytniki cyfrowe Współpracują z przetwornikami przemieszczeń liniowych (liniały) i kątowych (enkodery). Wykonywane są w różnych wersjach dostosowanych do (...) czytam dalej »


1-fazowe liczniki energii elektrycznej - widziałeś to?!

Inteligentny system dystrybucji mocy »

Liczniki energii jakie wybrać moc
Wymagania stawiane licznikom energii elektrycznej zawarte są w normach oraz przepisach (...) czytam dalej » Uniwersalne zastosowanie, w pojedynczych szafach sterowniczych, jak też w kompletnych systemach... czytam dalej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
11/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 11/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Instalacje elektryczne na terenie imprez plenerowych – błędy oraz wymagania
  • - Ochrona przed pożarem z wykorzystaniem wyłączników różnicowoprądowych
Zobacz szczegóły
COMEX S.A. COMEX S.A.
O firmie COMEX S.A. od początku swojej działalności, tj. od 1987 zajmuje się kompleksową obsługą klientów w zakresie zasilania...

Ciekawe strony

Elektryk na Fixly.pl

EPS System - agregaty prądotwórcze

Producent oświetlenia

Ciekawa Architektura

Instalacje

Literatura fachowa

Rekuperacja

Termomodernizacja

Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl