Le but du noyau de fer du transformateur est de fournir un circuit magnétique à faible réluctance pour le flux magnétique traversant les enroulements primaire et secondaire.
En raison du circuit magnétique fourni, le phénomène d'hystérésis du noyau de fer et les courants de Foucault circulant à l'intérieur peuvent provoquer des pertes dans le noyau de fer, qui se manifestent par un échauffement du matériau du noyau de fer. De plus, pour les gros transformateurs de puissance, le flux magnétique alternatif peut également générer du bruit. Ce type de bruit se propage dans l’environnement comme le bruit émis lorsqu’un avion à réaction ou un moteur à combustion interne tourne à pleine puissance.
Bien que la perte dans le noyau de fer ne soit pas significative par rapport à la capacité transmise par le transformateur, elle existe tant que le transformateur est excité. Par conséquent, la perte de noyau de fer représente une perte d’énergie constante et notable dans le système électrique. On estime qu’environ 5 % de toute l’énergie électrique générée par les équipements électriques est consommée sous forme de pertes dans les noyaux de fer. Uniquement au Royaume-Uni, entre 1987 et 1988. La perte à vide du transformateur -perte de charge est d'environ 110 millions de livres. Pendant ce temps, dans les transformateurs de distribution, environ 109 unités d'énergie sont gaspillées chaque année en raison des pertes de noyaux de fer, ce qui équivaut à 1,146 milliard de litres (2 millions de barils) de pétrole utilisé pour la production d'électricité et libère 35 000 tonnes de SO2 et 4 millions de tonnes de CO2 dans l'atmosphère. Les États-Unis ont mené une étude similaire en 1998, et le coût était même plus de 110 fois supérieur. Sans aucun doute, en raison de l’étendue du système électrique, il ne s’agit là que d’une estimation approximative. Néanmoins, il est évident que la valeur fiscale cumulée est assez importante. Bien entendu, la raison pour laquelle le coût estimé mentionné ci-dessus est si élevé est due à l’impact considérable de la hausse des prix de l’énergie provoquée par la crise pétrolière du début des années 1970.
Par conséquent, il n’est pas surprenant que pendant des décennies, les gens aient concentré leurs efforts de recherche et développement sur le développement de nouveaux types de plaques rigides électriques et de structures de noyau en fer pour transformateur. Principalement pour réduire les pertes et le bruit. En raison de l’établissement des principes de base pour la conception et la structure des transformateurs de puissance modernes dans les années 1920 et 1930. Depuis lors, des progrès et des changements importants ont eu lieu dans ces domaines.
La perte du noyau de fer se compose de deux parties : l'une est la perte par hystérésis, qui est proportionnelle à la fréquence et dépend de la zone de la boucle d'hystérésis. La boucle d'hystérésis dépend des propriétés du matériau et est fonction de la densité de flux magnétique maximale ; Une petite partie de la perte dans le noyau de fer est constituée de pertes par courants de Foucault, qui dépendent du carré de la fréquence mais sont également proportionnelles au carré de l'épaisseur du matériau. Par conséquent, afin de minimiser les pertes par hystérésis, il est nécessaire de faire en sorte que le matériau du noyau de fer présente la plus petite zone de boucle d'hystérésis. Pour minimiser les pertes par courants de Foucault, de fines tôles d'acier à noyau de fer doivent être utilisées et la résistance inter-feuilles doit être augmentée pour rendre difficile la circulation des courants de Foucault entre les tôles.
En fait, les pertes par courants de Foucault sont très complexes et se composent de deux parties : la première partie varie en fait avec la fréquence au carré multipliée par l'épaisseur du matériau et la surface de densité de flux magnétique ; La deuxième partie dépend de la structure du matériau, comme la taille des grains et le mouvement des domaines magnétiques au cours de la période de magnétisation, appelée perte anormale ou perte résiduelle. Pour toute tôle d'acier électrique spécifique, les pertes anormales par courants de Foucault représentent environ la moitié des pertes totales. C’est précisément ce type de perte anormale qui peut être considérablement réduit grâce à un traitement spécial du matériau du noyau de fer, jetant ainsi les bases de méthodes modernes de réduction des pertes dans le noyau de fer.
Le premier lot de noyaux de transformateur produits dans les années 1880 était tous constitués de fer forgé de haute qualité-, et le fer suédois était populaire pendant un certain temps. Mais vers 1900, on a découvert que l’ajout d’une petite quantité de silicium ou d’aluminium au fer pouvait réduire considérablement les pertes magnétiques, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle ère de tôles d’acier électriques spécialement fabriquées.
1. Tôle d'acier électrique laminée à chaud
L'ajout de silicium à la tôle d'acier réduit la perte d'hystérésis et augmente la perméabilité magnétique et la résistivité. Par conséquent, cela réduit également la perte par courants de Foucault du noyau de fer. L’un des inconvénients de l’ajout de silicium est que cela peut rendre la plaque d’acier cassante et dure. Par conséquent, afin de garantir la transformabilité et la facilité de production du noyau de fer, la quantité de silicium ajoutée doit être limitée à 4 %. L'élimination des impuretés, notamment du carbone, des tôles d'acier électriques a également un effet significatif sur la réduction des pertes. Bien que la tôle d'acier électrique initiale contenant du silicium présentait une perte unitaire de 7 W/kg à 50 Hz et une densité de flux magnétique de 1,5 T, des tôles d'acier électrique de haute pureté similaires produites en 1990 présentaient une perte unitaire inférieure à 2 W/kg dans les mêmes conditions de test.
Comme mentionné ci-dessus, les tôles d'acier électriques ont une structure cristalline, et le magnétisme des tôles d'acier électriques provient de divers cristaux ou grains, et le magnétisme de la plupart des grains dépend de la direction des grains dans les conditions de test.
Aux États-Unis, jusque dans les années 1940, les transformateurs étaient constitués de tôles d'acier électrique d'une épaisseur d'environ 0,35 mm. Au Royaume-Uni, les transformateurs étaient fabriqués à l'aide de la technologie de laminage à chaud jusqu'à la fin des années 1940, où les grains des tôles d'acier électrique étaient combinés de manière aléatoire. Par conséquent, les données magnétiques mesurées à partir d’une tôle d’acier ont approximativement la même valeur et sont indépendantes de la direction du test. Parce que ces données reflètent l’uniformité de chaque cristal dans toutes les directions, ces matériaux électriques sont considérés comme isotropes.
2. Tôle d'acier électrique à grains orientés
Dès les années 1920, il a été reconnu que les cristaux de tôles d'acier électriques présentaient une anisotropie, mais ce n'est qu'en 1934 que l'américain NP Gauss a déposé une demande de brevet pour un procédé de production industrielle, principalement développé par la société américaine Amick et dont la valeur commerciale réside dans l'anisotropie des tôles d'acier. Le premier lot de tôles d'acier électrique laminées à froid -à grains orientés a été produit commercialement en 1939. L'épaisseur est de 0,32 mm et la perte unitaire à 50 Hz et 1,5 T est de 1,5 W/kg.
Ce matériau est laminé selon un processus de laminage à froid. Ce processus constitue depuis de nombreuses années la base de production de tôles d'acier électriques à grains orientés laminées à froid. La bande d'acier qui commence à être laminée à chaud-doit être décapée pour éliminer les oxydes de surface, puis la bande d'acier qui est laminée à chaud-à 2-2,5 mm d'épaisseur est laminée à froid-à 0,6 mm d'épaisseur. Ensuite, un recuit est effectué pour permettre à la structure formée lors du laminage à froid de cristalliser à nouveau, puis laminée à nouveau à froid jusqu'à l'épaisseur souhaitée. Lorsque la fraction massique de la teneur en carbone des matériaux électriques est inférieure à 0,003 %, appliquer une fine couche d'oxyde de magnésium. Ensuite, la tôle d'acier est recuite à 1 200 degrés pendant 24 heures pour être purifiée davantage et subir une recristallisation secondaire. Dans le même temps, l'oxyde de magnésium réagit avec la surface de la tôle d'acier pour former une couche de silicate de magnésium, également connue sous le nom de revêtement de verre ou couche d'olivine de magnésium. Enfin, la tôle d'acier électrique laminée à froid est nivelée et recuite pour éliminer l'excès d'oxyde de magnésium, puis recouverte d'un revêtement de phosphate. Lorsque le phosphate réagit avec le silicate de magnésium, un film mince solide et isolant se forme.
Pendant le processus de laminage à chaud, il agit comme un inhibiteur de croissance des grains en ajoutant des particules de sulfure de manganèse à la masse fondue, empêchant ainsi la croissance des grains. Bien qu'il soit précipité lors du refroidissement de la bande d'acier. En même temps, certains cristaux ayant des structures cristallines gaussiennes, c'est-à-dire des cristaux ayant l'orientation souhaitée, sont générés selon de nombreuses autres orientations. Après le laminage à froid, lors du recuit de décarburation, les noyaux cristallins à structure gaussienne cristallisent à nouveau, comme si le matériau avait évolué vers une « mémoire structurelle ». À ce stade, le diamètre du grain est d'environ 0,02 mm et lors d'un recuit à haute température -à 800 degrés. Lorsque les particules de sulfure de manganèse empêchent d’autres particules de croître, elles continuent à croître sur des grains orientés gaussiens. Chaque grain gaussien doit fusionner 106 à 107 grains primaires au cours du processus de cristallisation secondaire, formant ainsi toute l'épaisseur de la tôle d'acier. Le diamètre du grain augmentera jusqu'à 10 mm ou plus. Tous les grains n’ont pas une orientation gaussienne idéale. Mais la plupart des grains se situent dans la plage de 6 degrés de la direction idéale.
3. Tôle d'acier électrique à haute conductivité magnétique
Les tôles d'acier électrique à grains orientés-laminées à froid-mentionnées ci-dessus ont été utilisées jusqu'à la fin des années 1960, avant quoi seules des améliorations mineures ont été apportées à leur processus de production. En 1965, Nippon Steel a annoncé une nouvelle avancée dans la qualité des tôles d'acier électriques : le Japon a développé des tôles d'acier électrique à grains à haute conductivité magnétique. Ce programme est simplifié en éliminant un processus de laminage à froid et en ajoutant environ 0,025 % d'aluminium pour faire du chlorure d'aluminium un inhibiteur de la croissance des grains. Les tôles d'acier électrique à haute conductivité magnétique ont une meilleure orientation que les tôles d'acier électrique à grains orientés laminées à froid (ci-après dénommées « tôles d'acier électrique ordinaires »). Étant donné que les grains des tôles d'acier électrique à haute conductivité magnétique sont pour la plupart disposés à moins de 3 degrés, le diamètre moyen des grains est de 1 cm, ce qui est beaucoup plus grand que le diamètre de 0,3 mm des tôles d'acier électriques ordinaires. À une densité de flux magnétique de 1,7 T ou plus, sa perméabilité magnétique est trois fois supérieure à celle de la meilleure tôle d'acier électrique ordinaire. La sensibilité aux contraintes des pertes et de la magnétostriction est relativement faible, car la tôle d'acier électrique génère une résistance à la traction élevée en la recouvrant d'un revêtement dit de contrainte. Le revêtement de contrainte transfère la contrainte de traction à la bande d'acier électrique, réduisant ainsi les pertes par courants de Foucault. Sinon, en raison de la grande taille des grains, les pertes par courants de Foucault seraient également importantes. Grâce au revêtement, la perte par hystérésis peut être réduite, ce qui entraîne une diminution de la perte totale. Cependant, la faible perte des tôles d'acier électriques à haute perméabilité est principalement due à l'amélioration de l'orientation des grains, qui réduit la perte par hystérésis de 30 à 40 %.
4. Tôles d'acier électrique avec domaines magnétiques raffinés
Avec la demande croissante de réduction des pertes dans les noyaux de transformateur, le processus de production de tôles d'acier électriques s'améliore également constamment. Dans les années 1980, Nippon Steel proposait une tôle d'acier électrique gravée au laser avec une perte de 5 à 8 % inférieure à celle des tôles d'acier électrique à haute perméabilité. Le Japon produit ce matériau depuis 1983, d'une épaisseur de 0,23 mm. La perte unitaire à 50 Hz et 1,7T est de 0,85 W/kg.
Comme mentionné précédemment. Au cours du processus de magnétisation, certaines « pertes anormales par courants de Foucault » se produisent en raison du mouvement des parois du domaine magnétique. Dès 1958, Messerz Pory et Binai supposaient que dans les tôles d'acier électrique à grains orientés, les pertes anormales par courants de Foucault étaient proportionnelles à l'espace occupé par les parois du domaine magnétique et inversement proportionnelles à l'épaisseur de la tôle d'acier électrique.
Depuis de nombreuses années, il est reconnu que l'application de contraintes sur les tôles d'acier électriques a un certain impact sur la subdivision des domaines magnétiques et peut réduire les pertes dans le noyau de fer. C'est la base théorique de l'utilisation de revêtements sous contrainte sur des tôles d'acier électrique à haute conductivité magnétique. Le revêtement exerce une contrainte de traction sur la tôle d'acier lors du refroidissement en raison de son faible coefficient de dilatation thermique. La réalisation de rayures mécaniques sur la surface des tôles d'acier électriques dans le sens transversal de laminage à une certaine distance peut être utilisée comme moyen de générer des contraintes, mais il est difficile de réaliser une production commerciale. L'inconvénient de cette approche est que l'épaisseur de la tôle d'acier électrique au niveau de la rayure est réduite, ce qui augmente la densité de flux magnétique local et provoque le déplacement du flux magnétique vers les tôles adjacentes, entraînant une augmentation nette des pertes.
La mesure prise par Nippon Steel Corporation pour résoudre ce problème consiste à utiliser une méthode sans contact-pour améliorer les domaines magnétiques, qui utilise l'irradiation laser, communément appelée marquage laser. Lorsque le faisceau laser de haute -puissance est dirigé vers la surface de la bande d'acier, des phénomènes de vaporisation et de diffusion se produisent simultanément dans la couche la plus externe de la bande d'acier. Par conséquent, la pression d'impact de milliers d'atmosphères amènera la tôle d'acier à former une zone plastique élastique - locale. En raison du désalignement complexe à haute densité causé par la déformation élastique, la déformation restante entraînera le raffinement requis des domaines magnétiques. En raison de la vaporisation et de la diffusion provoquées par l'irradiation laser sur la couche la plus externe de la surface de la tôle d'acier, un revêtement supplémentaire est nécessaire pour maintenir la surface de la couche isolante intacte.
Un aspect important du processus de raffinement du domaine magnétique décrit ci-dessus est que si le matériau est recuit à des températures supérieures à 500 degrés, la déformation résiduelle peut être éliminée, mais cela inverse en réalité le programme. Le problème important est qu’après le programme de marquage laser, aucun processus ne peut être effectué à des températures supérieures à 500 degrés.
5. Alliages amorphes
L'alliage amorphe est un matériau électrique nouvellement développé et son développement est complètement différent des tôles d'acier électriques. Les alliages amorphes, également appelés verres métalliques, ont été développés à l'origine par la société américaine Arled Singer Glass Products Co., Ltd. Dès les années 1970, ils étaient utilisés comme matériau de substitution pour le renforcement de l'acier dans les pneus de voiture, et ce n'est qu'au milieu des années 1970 que l'on a pris conscience de l'importance des propriétés magnétiques des alliages amorphes. Bien que les matériaux en alliages amorphes soient encore difficiles à produire et à traiter 35 ans plus tard, ce qui limite leur application, la perte d'alliages amorphes est considérablement réduite par rapport aux meilleures tôles d'acier électriques ordinaires.
Les matériaux en alliage amorphe ont une structure atomique amorphe, sans axe de symétrie et avec des atomes répartis de manière aléatoire. La structure atomique dépend principalement du refroidissement rapide de l’alliage fondu et de l’inclusion d’éléments formant du verre tels que le bore. Un alliage amorphe typique contient 80 % de fer, 20 % de bore et de silicium.
Il existe différentes méthodes pour produire des alliages amorphes, mais la plus couramment utilisée consiste à pulvériser un faisceau d'alliage fondu sur un rouleau de cuivre en rotation. La vitesse de refroidissement du métal fondu est d'environ 106 degrés/s et l'alliage se solidifie pour former une bande d'acier continue. La trempe peut provoquer des contraintes internes élevées dans les matériaux, par conséquent, un recuit à basse température à 200 degrés et 280 degrés est nécessaire pour réduire les contraintes internes et donner au matériau une bonne conductivité magnétique. Le premier alliage amorphe développé mesurait seulement 2 mm de large et 0,025 à 0,05 mm d’épaisseur. Au milieu des années 1990, un grand nombre de fabricants de fils de transformateur ont réussi à produire des matériaux en alliages amorphes d'une largeur allant jusqu'à 200 mm.
À la fin des années 1980, le développeur original d'alliages amorphes, Arled Singer Metallic Glass Products Co., Ltd., a produit un matériau d'alliage amorphe en bande durcie appelé bande d'acier POWERCORE, qui était utilisé comme noyau de fer laminé. L'épaisseur de ce matériau est de 0,125 à 0,25 mm et il est formé en liant plusieurs couches de bandes d'acier moulées ensemble pour former une bande d'acier facile à traiter. Plus de 15 % à 75 % de la surface des bandes d’acier peuvent être efficacement liées entre elles grâce à l’effet adhésif de la liaison diffusée à l’oxyde de silicium. Cette liaison faible ne permet pas aux courants de Foucault importants de traverser chaque couche de bande d'acier. Par conséquent, les caractéristiques de la bande d'acier à volume accru sont similaires à celles d'une bande unique.
Étant donné que les éléments formant le verre sont non-magnétiques, leur utilisation entraîne une autre limitation, à savoir que le matériau a une très faible densité de flux magnétique à saturation. La bande POWERCORE présente une saturation à une densité de flux magnétique de 1,56 T. La perte unitaire à 50 Hz et 1,35 T est de 0,12 W/kg. La perte unitaire à 50 Hz et 1,5 T est de 0,28 W/kg.
Une autre caractéristique importante des alliages amorphes est la voltamétrie d’excitation. À 1,3 T, la tension d'excitation de l'alliage amorphe est de 0,25 V · A/kg, tandis que la tension d'excitation d'une tôle d'acier électrique contenant 3 % de silicium est de 0,69 V · A/kg. L'effet d'une faible densité de flux magnétique à saturation sur la voltammétrie d'excitation peut être observé grâce à la voltamétrie d'excitation d'une densité de flux magnétique de 1,5 T. Pour les bandes d'acier POWERCORFR, la tension d'excitation peut atteindre jusqu'à 1,3 V · A/kg. La valeur typique du volt-ampère d'excitation d'une bande d'acier électrique ordinaire n'est que de 0,94 V · A/kg.
Le ruban d'acier POWERCORE disponible actuellement n'est toujours pas adapté à la fabrication de gros noyaux de transformateurs de puissance, bien que (en particulier aux États-Unis) des milliers de noyaux de transformateurs de distribution d'une capacité nominale moyenne de 50 kV · A soient constitués de matériaux en alliage amorphe. En Europe, l’utilisation d’alliages amorphes est bien moindre qu’aux États-Unis. Les utilisateurs se trouvent principalement aux Pays-Bas, en Suède, en Suisse, en Allemagne et en Hongrie. La raison pour laquelle l'Europe est relativement lente à adopter les alliages amorphes peut être que l'acier à bande étroite n'est pas adapté à la structure à noyau de fer adoptée en Europe. Et le noyau de fer enroulé est une forme courante de transformateur de distribution aux États-Unis. Parce que le noyau de fer laminé est particulièrement adapté à l’utilisation de matériaux en alliages amorphes. Au Royaume-Uni, une seule usine de transformateurs utilise des matériaux en alliages amorphes, tandis que les autres usines de transformateurs ne les utilisent pratiquement pas. Cette usine de transformateurs a fabriqué des centaines de petits transformateurs de distribution en matériaux amorphes. Ces transformateurs adoptent tous une structure à noyau de fer enroulé. Cette usine de transformateurs du Royaume-Uni a également utilisé des matériaux en alliages amorphes pour fabriquer un petit nombre de transformateurs de test. Selon les rapports, la difficulté de couper des matériaux en alliages amorphes et de fabriquer des structures à noyau de fer ordinaires l'emporte sur les avantages obtenus.
Un autre problème pratique lié aux bandes d’acier allié amorphe est leur mauvais facteur de stratification. Cela est dû à la fine épaisseur des bandes d’acier allié amorphe et aux multiples couches de stratifications. Un autre problème lié à cela est que la planéité est mauvaise en raison de la finesse de la feuille. Le facteur de stratification du noyau de fer en alliage non cristallin de 0,03 mm n'est que de 0,8 et le facteur de stratification de la bande d'acier POWERCORE de 0,13 mm d'épaisseur est de 0,9. Par rapport aux noyaux de tôle d'acier électrique ordinaires, les deux ont un facteur de stratification de 0,95 à 0,98, ce qui est très inférieur.
6. Tôle d'acier microcristalline
Une autre façon d'optimiser les propriétés magnétiques et mécaniques des tôles d'acier électriques consiste à produire des alliages d'aluminium et de fer à haute teneur en silicium et à durcissement rapide, qui sont produits de la même manière que les alliages amorphes. Cette recherche a attiré beaucoup d'attention au Japon et elle ne contient pas d'additifs formant du verre, ce qui en fait un acier microcristallin résistant. Généralement appelé bande d’acier microcristallin. Nous avons déjà produit des bandes d'acier à base de fer et de silicium à 6 %, dont il a été prouvé qu'elles sont plus résistantes et présentent des pertes inférieures à celles des bandes d'acier électriques commerciales à grains orientés à 3 %. À 50 Hz et densité de flux magnétique de 1,7 T. La perte unitaire typique indiquée pour ce matériau en alliage est de 0,56 W/kg. L’avantage de la trempe rapide de l’acier microcristallin est qu’il présente une conductivité magnétique supérieure à celle des alliages amorphes.
7. Adopter des plaques d'acier améliorées
Les tôles d'acier électrique à grains orientés laminées à froid ont presque complètement remplacé les premières tôles d'acier électrique laminées à chaud-utilisées dans la fabrication de transformateurs dans les années 1940 et 1950, et ont suscité une nouvelle réflexion dans le domaine de la conception des noyaux de fer. Après avoir été promu et appliqué pendant environ 30 ans, le développement de tôles d'acier électriques à grains orientés à haute conductivité magnétique a été relativement lent, principalement en raison de leur coût élevé. Les premières applications de tôles d'acier électrique à haute conductivité magnétique étaient essentiellement limitées aux situations où le coût approuvé de la perte à vide -était élevé. Les gens améliorent constamment la conception et la fabrication des noyaux de fer pour utiliser pleinement les performances des nouveaux matériaux, et en même temps, certaines améliorations sont également bénéfiques pour les conceptions utilisant des matériaux traditionnels. En 1981, la production mondiale de tôles d'acier électriques à grains orientés hautement magnétiques ne représentait que 12 % ; En 1995, l’utilisation de tôles d’acier électrique à haute conductivité magnétique est devenue une norme. Il en va de même pour la situation après l'émergence des tôles d'acier électriques gravées au laser. Après plus d’une décennie de développement réussi, ils étaient contraints à la fois par des facteurs de production et de coûts. Le film de gravure laser est encore considéré par beaucoup comme un matériau « spécial », utilisé uniquement pour les transformateurs avec des coûts élevés à vide -de perte de charge. L’orientation du développement de la conception et de la structure du noyau de fer peut refléter les propriétés des matériaux existants.
8. Marque de tôle d'acier électrique à noyau de fer
La CEI 60404 est une norme internationale pour les matériaux magnétiques, y compris les tôles d'acier à noyau de fer. Il s'agit d'une norme complète qui inclut plusieurs fichiers. Ce n'est qu'à la fin des années 1980 que les tôles d'acier pour noyaux de transformateurs de puissance ont été incluses dans la norme britannique BS 601. Avant cela, la plupart des tôles d'acier électrique à grains orientés laminées à froid-utilisées suivaient cette norme. Cette norme utilise une méthode de codage pour identifier divers matériaux spécifiques. Par exemple, 28M4 ou 30M5 représentent respectivement des épaisseurs de 0,28 mm et 0,30 mm, les valeurs suivantes représentant la perte unitaire maximale. Avec la promotion des tôles d'acier électrique à haute conductivité magnétique, cette méthode de codage a été arbitrairement étendue pour attribuer des étiquettes à ce matériau. Par exemple, la tôle d'acier à haute perméabilité est étiquetée 30M2H, où 0,30 mm représente l'épaisseur et 2 représente la perte unitaire. Bien que ce label soit encore utilisé par les gens, la norme actuelle n'utilise plus le label 30M2H.
