Магнитопроводы силовых трансформаторов изготавливают из электротехнических сталей для

Почему сердечник трансформатора выполняют только из электротехнической стали ?

Электротехническими сталями зазывают металлы, используемые в производстве элементов электротехнического оборудования. Ответ на вопрос, почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали: она обладает характеристиками, которые дают возможность уменьшить сопротивление. Благодаря снижению сопротивления трансформатор тратит меньше энергии при передаче импульсов.

Состав и производство

Электротехническая сталь – это сплав железа и силицида железа (FeSi) в различных пропорциях:

• горячекатаном сплаве до 3,3% FeSi (Э41, Э42, Э43);
• в холоднокатаном сплаве до 4,5% FeSi (Э310, Э320, Э3ЗО).

Силицид выводит из железа кислород, снижающий магнитные свойства. Железо восстанавливается из окислов, образуется оксид кремния, который частично превращается в шлак. Одновременно цеменит (Fe3C) заменяется графитом. Иногда в процессе производства добавляется до 0,5% алюминия. Готовая продукция поставляется в виде тонких листов.

• Э – электротехническая;
• Первая цифра (содержание алюминия):
• «1» – слаболегированная;
• «2» – среднелегированная;
• «3» – повышеннолегированная;
• «4» – высоколегированная;
• «А» – небольшие удельные потери;
• 0 – холоднокатаная.

Горячекатаные сплавы в конце обработки подвергаются воздействию высокой температуры, позволяющей придать ей нужные параметры по толщине. Высокая температура способствует перестроению связей между молекулами, что влечет за собой снижение некоторых свойств.

У холоднокатаного сплава более высокая магнитная проницаемость, если она совпадает с направлением проката. Поперек показатель гораздо ниже, поэтому сердечник лучше производить так, чтобы линии смыкались, и использовать специальные методы сборки. Кроме того, холодная прокатка повышает механическую прочность и качество поверхности листов за счет образования кристаллографической текстуры. Ее качество зависят от степени обжатия, температуры обработки и толщины листа.

По этим причинам большинство производителей стараются выполняться сердечники из стали Э-3ЗОА, хотя ее себестоимость в 2 раза превышает себестоимость горячекатаного материала.

Эксплуатационные характеристики

При выборе сплава для изготовления сердечников учитывается:

• показатель удельно сопротивления (способность удерживать и передавать напряжение);
• коэрцитивная сила (напряжение магнитного поля, способность материала размагничиваться);
• коэффициент магнитной проницаемости (соотношение между индукцией и напряжением магнитного поля);
• толщина листа.

Коэрцитивная сила, удельное сопротивление, магнитная проницаемость должны быть максимальные.

Магнитопровод в трансформаторе концентрирует магнитные потоки, вызывающие вихревые электротоки. Сердечник трансформатора выполняется из электротехнической стали для того, чтобы их снизить. Достичь этой цели можно, если выполнять его из пластин толщиной 0,35-0,5 мм.

Технические характеристики холоднокатаной электротехнической стали:

• высокая магнитная проницаемость;
• высокое сопротивление, снижающее потери на нагрев;
• низкие потери на гистерезис (размагничивание) и вихревые токи.

Листы хорошо штампуются, в магнитопроводе изолируются лаком или тонкой бумагой. Это полностью отвечает на вопрос, почему сталь холоднокатаная.

Магнитопроводы трансформаторов выполняются из электротехнической стали для улучшения их эксплуатационных характеристик. При добавлении в сплав кремния и холодной прокатке сталь становится практически идеальным материалом для производства элементов электрических приборов.

Источник

Характеристики и свойства трансформаторной стали, марки и состав

Особенность трансформаторной стали в улучшенных электромагнитных характеристиках. Чтобы улучшить показатели материала, в него добавили кремний, количество которого отличается в зависимости от марки. С помощью этого материала производят разнообразные виды трансформаторов. Его популярность связана с более высокими характеристиками, чем у других металлов.

Состав трансформаторной стали

Материал выполняют не только из кремния, а создают сплав с железом. Добавление этого элемента приводит к тому, что коэффициент силы увеличивается, а удельное сопротивление электрической мощности повышается, если сравнить с марками без кремния.

Если добавить в состав определенное количество кремния, это приведет к снижению отдельного веса оксидов железа.

По химическому составу этот материал можно отнести к легированным металлам за счет наличия кремния в количестве до 0,5%.

В трансформаторном железе добавление посторонних примесей в пределах 3-4,5%.

Свойства кремния

Кремнием называют основной материал полупроводниковой электроники. С его помощью изготовляют интегральные схемы, диоды, транзисторы, солнечные батареи, фотоприемники и другие приборы.

Это полупроводник, электрические свойства которого зависят от примесей. Он прозрачен для инфракрасных лучей. При низкой температуре проявляет химическую инертность, на воздухе образовывается тонкая пленка оксида. Окисление кремния происходит при нагревании до 400 градусов. Растворим во многих расплавленных металлах.

Отличительные особенности изотропной и анизотропной сталей

Какими свойствами будет обладать соединение зависит от того, сколько в него добавили кремния во время производственного процесса. Горячекатаная и холоднокатаная сталь имеют разные по размеру ячейки. Если материал отличается крупными кристаллами, то его магнитная проницаемость больше, но незначительная коэрцитивная сила, если сравнить с материалами с мелкими кристаллами. Размер зерен зависит от применяемой механической или термической обработки.

Во время отжига внутреннее напряжение в металле понижается, а одновременно с этим кристаллы увеличиваются, формируя структуру. Если сделать горячую прокатку, то не получится сформировать зерна устойчивыми в определенном положении, поэтому они размещаются хаотично. Это изотропная сталь. Она обладает магнитными свойствами, не зависящими от направления.

Чтобы была получить текстурированный материал второй раз прибегают к холодной прокатке стали, сопровождая ее отжигом в особых условиях. Это позволяет получить анизотропную сталь. Ребра в ней расположены так, как проходила прокатка. Расположение материала в правильном положении способствует повышению магнитной проницаемости и снижению коэрцитивной силы, улучшению работы устройств.

Электротехническую сталь производят и продают в рулонах или отдельных листах. Их длина от 720 до 1000 мм.

Расшифровка маркировки

Каждая марка стали обозначается определенными цифрами, несущими в себе информацию:

1. Вначале маркировки стоит число, показывающее структурное строение и вид прокатки. К первому классу относят горячекатаную изотропную, ко второму – холоднокатаную изотропную, к третьему – холоднокатаную анизотропную.
2. Вторая – количество кремния в материале от 0,4 до 4,8%.
3. Третья – принадлежность к нормируемой группе.
4. Начальные цифры используются для обозначения типа.

Четвертая и пятая цифры показывают основные нормируемые характеристики в количественном значении. Маркировка предоставляет основную информацию о материале.

Основные марки

Существуют две основные марки.

Сернистая

Марка 2212. Для промышленного производства используют тонкие листы, подверженные холодной прокатке.

Нелегированная

Она отличается от углеродистой стали наличием в составе менее 5% легирующих элементов.

Оба вида используют в производстве трансформаторной стали.

Основные свойства и характеристики

Сталь для трансформаторов применяется нержавеющая, магнитная с достаточными показателями проницаемости. Она так популярна в производстве электрооборудования благодаря тому, что обладает высокими электромагнитными характеристиками и теряет минимальное количество энергии в результате нестериса.

Из металла делают различные элементы для трансформаторов и другого электрооборудования. Также он идеально подходит для создания магнитных проводов.

Без этого особого вида стали не обходятся сердечники трансформатора по той причине, что материал способствует более высокому удельному сопротивлению. Это позволяет терять меньше мощности от вихревых токов. Эта проблема обычно касается сердечников электрооборудования. Благодаря его использованию не происходит чрезмерное нагревание сердечника.

Для уменьшения потерь от вихревых потоков, уменьшают толщину пластины. Поэтому толщина стали должна быть 0,5 мм при частоте в 50Гц. Если устройство работает при большей частоте, то необходимо делать сердечник из листов 0,1-0,2 мм.

Металл помогает уменьшить потери на перемагничивание. Это еще одна причина популярности электротехнической стали для производства сердечника трансформатора.

Так как снизить потери и процесс циклического перемагничивания можно с помощью добавления кремния в металл, то сплавы с повышенным содержанием этого элемента получили название трансформаторная сталь. Благодаря применению удалось добиться уменьшения потерь на треть. Также это позволяет уменьшить массу трансформатора на 10%, а расход металла на 20%.

Электромагнитную сталь используют практически во всей электромеханической продукции за счет своих уникальных свойств.

Производители

Этот материал производят по всему миру. Основными потребителями его считаются Япония и Китай. Они потребляют и производят до 50% всей электротехнической стали. Основным производителем является Китай, а Япония в основном экспортирует этот вид стали.

На территории Российской Федерации делают гораздо больше металла, чем необходимо для использования внутри страны. Стоимость этого вида на российском рынке составляет 80-180 рублей за килограмм. В последние годы Российской Федерации удалось выйти на объемы производства, которые составили 10% от мирового импорта стали. В качестве основных производителей выступают:

1. Северсталь.
2. ВИЗ-Сталь.
3. Новолипецкий металлургический комбинат.

Эти учреждения производят продукцию в количестве в несколько раз превосходящем потребности внутреннего рынка. Это дает возможность продавать материал западным странам, таким как Италия, Швейцария, а также отправлять сталь в Индию.

Если обратить внимание на конкретный вид стали в общем объеме производства, то упор делают на динамный сортамент металла. Сталь для создания электрооборудования составляет только 30% от всего объема производства, так как ее не нужно неограниченное количество. Ее стоимость в пределах 120-180 руб./кг.

Применение

Трансформаторную сталь используют для изготовления важных элементов трансформаторов. Ее популярность связана с повышенными свойствами, благодаря добавлению в состав кремния.

Стержневой магнитопровод

Этот элемент представляет собой стержень, на который размещаются обмотки и ярма, для замыкания магнитной цепи. Их всегда делают шихтованными. Этот элемент имеет более простую конструкцию, чем броневой стержень и позволяет получить необходимую изоляцию для обмоток.

Стержневые магнитопроводы необходимы для мощных трансформаторов, так как у них на каждом стержне расположена половина обмотки. Устройства, в которых есть стержневой магнитопровод, имеет малый магнитный поток рассеивания, меньший расход провода и большая поверхность охлаждения обмотки.

Броневой

Броневые магнитопроводы больше всего подходят для небольших показателей мощности. Это касается устройств, производящих от единицы до нескольких десятков вольт-ампер. Они функционируют, когда уровень напряжения не превышает 1000 В, а частота сети питания 50 или 400Гц. От стержневых трансформаторы с броневым магнитостержнем отличаются меньшей удельной мощностью на единицу объема и веса. Но главным их преимуществом считается стоимость.

Броневые магнитопроводы отличаются прямоугольными стержнями, расположенными в горизонтальном положении, на них располагаются обмотки прямоугольной формы.

В броневом магнитопроводе присутствует ряд конструктивных достоинств. При его использовании понадобится только один комплект обмоток, в котором присутствует ярмо для защиты от негативных факторов внешней среды.

Вывод

Трансформаторная сталь производится с добавлением кремния. Этот элемент обеспечивает улучшение электромагнитных характеристик ее используют для создания сердечников трансформаторов, стержневых и броневых магнитопроводов. В маркировке изделий заложена информация о типе стали и основных нормируемых характеристиках. Стоимость материала на российском рынке составляет 120-180 руб. за кг.

Производством этого материала занимаются разные компании, но наибольшее количество выпускается на территории Китара, если рассматривать показатели по всему миру. России удалось выйти на рынок и производить до 10% мирового количества стали.

Источник

Электротехническая сталь (трансформаторная) – свойства и применение

Электротехническая сталь – это разновидность черного металла с улучшенными электромагнитными свойствами. Добиться этого удается внедрением кремния. Таким образом, как металл, электротехническая сталь представляет собой сплав железа с кремнием, содержание которого составляет 0.8 – 4.8%. Наименование, этот специфический состав получил вследствие области своего непосредственно применения.

Электротехническая сталь, также имеет названия динамная сталь, трансформаторная сталь и кремнистая электротехническая сталь.

Зачем кремний в стали?

Легирование производится не чистым элементом кремнием, а ферросилицием. Это вещество представляет собой сплав FeSi с железом. Легирование стали Si позволяет вывести из металла кислород, элемент – оказывающий наибольшее негативное воздействие на магнитные свойства Fe. Происходит реакция восстановления железа из его окислов, с результирующим образованием оксида кремния, частичного переходящего в шлак.

Так выглядит ферросилициий – марка ФС45

Второй положительный эффект от внедрения кремния в сталь связан с выделением цеменита (Fе3С) из металла, который замещается образующимся графитом. Оба соединения, оксид железа и цеменит увеличивают коэрцитивной силы в металле, что приводит к росту потерь на гистерезис. Более того, легирование кремнием железа с концентрацией Si выше 4% способствует также снижению потерь на вихревые токи, что обусловлено повышением удельного электрического сопротивления электротехнической стали относительно ее марок, нелегированных кремнием.

Химический состав стали с улучшенными магнитными характеристиками

Исходя из вышесказанного, повышение содержания кремния в металле снижает удельный вес оксидов железа. Как показывает практика, одновременно с этим происходит рост индукции насыщения Вs железа. Ее максимальная величина достигается при содержании Si на уровне 6.4%.

Однако по химическому составу электротехническая сталь остается легированным металлом с содержанием кремния не более 4.8%. Это связано с ухудшением механических свойств металла, хрупкости в частности, при росте концентрации Si. Наряду с кремнием в электротехническую сталь может добавляться алюминий на уровне 0.5%.

Сердечник трансформатора из электротехнической стали

Исходя из химического состава (содержания легирующих примесей), металл разделяют на две категории динамная и трансформаторная сталь. В первой разновидности процент вхождения кремния составляет 0.8 – 2.5%, тогда как трансформаторное железо характеризуется уровнем легирования 3.0 – 4.5%.

Читайте также: Лом трансформаторов, о том, как сдают трансформаторы в металлолом, и что ценного в них есть.

Изотропная и анизотропная сталь – отличия производства

Как можно понять из вышесказанного, характеристики легированного соединения сильно зависят от содержания кремния. Вторым фактором, определяющим свойства металла, выступает его внутренняя структура, которая формируется в процессе производства. В частности горячекатаная и холоднокатаная стали обладают различными по размеру ячейками. Для крупнокристаллических материалов характерны большие величины магнитной проницаемостью, но коэрцитивная сила существенно ниже, чем у металлов с мелкокристаллической структурой. Варьировать размер зерна позволяют два вида обработки: механическая и термическая.

Так отжиг стали способствует понижению внутренних напряжений в металле, одновременно приводя к увеличению кристаллов, образующих его структуру. Горячая прокатка электротехнической стали не способна создать устойчивую ориентацию зерен внутри металла, оставляя ее хаотичной. Подобная изотропная сталь, как результат, характеризуется независимостью магнитных свойств от направления.

Добиться текстурованной структуры с определенной пространственной ориентацией кристаллов в металле позволяет повторной холодной прокатки стали, сопровождающаяся отжигом при особых условиях. Как результат получается анизотропная сталь, где ребра кубической решетки кристаллов установлены в направлении прокатки. Расположив анизотропную сталь в правильном направлении, можно добиться повышения магнитной проницаемости, одновременно понизив коэрцитивную силу.

Производство электротехнической стали налажено в виде листового проката с шириной полосы 240 – 1000 мм. Металл выпускается рулонами или отдельными листами, длина которых варьируется от 720 до 2000 мм. Толщина электротехнического стального профиля начинается с 0.05 мм и может иметь следующие показатели: 0.1, 0.2, 0.35, 0.5 и 1,0 мм. Кроме того, классификация электротехнических сталей по разновидности продукции допускает следующие виды проката: сортовой и лента резанная.

Марки изотропной тонколистовой стали х/к: 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414, 2421.

Марки анизотропной тонколистовой стали х/к: 3311 (3411), 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409.

Металлическая буква “Е” – что это?

Всех мучил вопрос в детстве – что эта за металлическая буква Е или Ш такая?

Эта металлическая пластина в виде буквы Ш или Е (кто как видит) и есть та самая трансформаторная сталь, точнее сердечник трансформатора, изготовленный из электротехнической стали. Такие пластины часто попадались в детстве – ржавые, гнутые, склеенные, кто-то затачивал их и бросался, словно, самурайскими сюрикэнами.

Буква Е или Ш – та, что мы видели в детстве

Этих металлических букв Ш (Е), казалось, валяется целая куча – они были в каждом дворе иногда валялись целыми россыпями, а появлялись они после разбора вот таких трансформаторов, см. фото:

Внутри этого трансформатора находится сердечник из трансформаторной стали и склеенных букв “Е”

Электротехническая сталь – марки

Маркировка данного вида металла представляет число, где его цифры указывают:

1. Первая – структурное состояние металла и класс его прокатки. Это может быть горячекатаная (1) или холоднокатаная (2) изотропная, а также холоднокатаная анизотропная разновидность стали.
2. Вторая – отображает процент вхождения кремния. Она принимает следующие допустимые значения от 0 до 5. Стартовая величина – менее 0.4% обозначается как 0. Вторая цифра 1 соответствуют содержанию Si 4 – 0.8 %. Последующие четыре значения отображают увеличение концентрации кремния на 1, вплоть до величины 4.8%.
3. Третья цифра характеризует электромагнитные характеристики: коэрцитивная сила, магнитна индукция и прочие.
4. Последние две цифры отображают количественное значение характеристики из третьего пункта.

Марки электротехнической стали:

• Сталь электротехническая сернистая: 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1313, 1411, 1412, 1413, 1511, 1512, 1513, 1514, 1521, 1561, 1562, 1571, 1572, 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2213, 2214, 2215, 2216, 2311, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414, 2421, 3311, 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409, 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3421, 3422, 3423, 3424, 3425

• Сталь электротехническая нелегированная: 10832, 10848, 10850, 10860, 10864, 10880, 10895, 11832, 11848, 11850, 11860, 11864, 11880, 11895, 20832, 20848, 20850, 20860, 20864, 20880, 20895, 21832, 21848, 21850, 21860, 21864, 21880, 21895

к содержанию ↑

Свойства электротехнической стали

Ценность легированного кремнием железа обусловлена его улучшенными электромагнитными характеристиками: высокий уровень индукции насыщения, минимизация потерь на гистерезис, а также пониженная коэрцитивной сила. Поскольку анизотропная структура позволяет еще больше улучшить эти свойства, то спрос не текстурованные стали изначально выше.

Вопрос, для каких целей применяют электротехнические стали, находит ответ в наименовании металла. Одно из предназначений сплава – это сердечники в таких устройствах:

• трансформаторов тока;

• статоры и роторы электрооборудования;

• силовых трансформаторов.

Кроме того, электротехническая сталь – отличный материал для магнитопроводов в составе электрических аппаратов. Понять, почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали несложно. Это следует из свойств металла, в частности повышению удельного электрического сопротивления. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению потерь мощности от вихревых токов, характерных для сердечника трансформатора. Как результат, повышается общая эффективность устройства, а сам сердечник меньше нагревается.

Еще больше нивелировать потери от вихревых токов, можно уменьшив толщину пластин. Поэтому электротехническая сталь для электродвигателей, в частности сердечников трансформаторов, должна иметь толщину 0.5 мм при частоте 50 Гц. Если источник тока работает на больших частотах, под сердечник используют более толстые листы электротехнической стали: 0.1 или 0.2 мм.

Дополнительные потери энергии в сердечнике трансформатора происходят вследствие гистерезиса – процесса циклического перемагничивания. Сузить петлю гистерезиса, соответственно уменьшить ее площадь приведут к понижению потерь на перемагничивание. Это вторая причина использования электротехнической стали в сердечнике трансформатора.

Поскольку снижение потерь на вихревые токи и гистерезис достигается повышением содержания кремния в металле, сплав с высокой концентрацией Si получил название трансформаторная сталь, характеристики которой лучше подстроены именно под трансформаторы. Выражаясь языком цифр, в производстве мощных трансформаторов использование текстурованной стали позволяет уменьшить уровень потерь на треть. Кроме того, это способствует снижению массы трансформатора на 10% и расхода самого металла на 20%.

Сбор сердечника трансформатора

Кроме трансформаторов, электротехническая сталь, в зависимости от марки применяется для:

• магнитных цепей при изготовлении электрического оборудования – марки 2212, сернистая изотропная, 20895/20880 АРМКО;

• электродвигателей и подобных изделий – марка 10895/Э12/АРМКО;

• прочая электротехническая продукция – марка10880/Э10/АРМКО.

Назначение некоторых марок стали электротехнической:

Назначение 1211, 1212, 1213, 22110 Для якорей и полюсов электрических машин постоянного тока, для роторов и статоров асинхронных двигателей промышленной частоты мощностью до 100 кВт, для магнитопроводов приборов. Пластичность высокая. 1311, 1312 Для роторов и статоров асинхронных двигателей мощностью от 100 до 400 кВт. Пластичность хорошая. 1411, 1412, 2411 Для роторов и статоров асинхронных двигателей мощностью 400 -1000 кВт, маломощных силовых трансформаторов, для двигателей повышенной частоты. Пластичность удовлетворительная.

к содержанию ↑

Основные производители электротехнической стали

Если рассматривать выпуск данного вида металла в мировом масштабе, то основными игроками выступаю восточные страны: Китай и Япония. Их долевой вклад в производстве и потребление электротехнической стали составляет до 50%. Дисбаланс между странами состоит в том, что Китай – основной производитель, тогда как Япония преимущественно экспортирует этот сортамент стали.

Готовая продукция – рулоны электротехнической стали

Россия относится к числу тех государств, где объемы производства металла превышают внутреннее потребление сортамента электротехническая сталь. Цена этого вида продукции на отечественном рынке составляет от 80 до 180 рублей за килограмм. На сегодня РФ сумела выйти на объемы производства данного сортамента металла, которые составляют 10% от общего мирового импорта электротехнической стали. Основными производителями металла на российском рынке выступают:

• Северсталь;

• ВИЗ-Сталь;

• Новолипецкий металлургический комбинат.

Объемы, производимой ими продукции троекратно превосходят потребности внутреннего рынка, что позволять импортировать электротехническую сталь как на Запад: Италия, Швейцария, так и в сторону Востока – Индия. Что касается долю конкретного вида стали в общем объеме, то две трети производственных мощностей ориентированы на выпуск динамного сортамента металла. И только 30% производства – это трансформаторная сталь, цена которой составляет 120 – 180 руб/кг.

Источник