Como o projeto do núcleo do transformador afeta a perda e a eficiência de energia?

Nos sistemas de energia modernos, os transformadores são equipamentos fundamentais no processo de transmissão e distribuição de energia e seu desempenho está diretamente relacionado ao nível de eficiência energética de todo o sistema. Entre os muitos fatores decisivos, o projeto do núcleo de ferro é, sem dúvida, um dos elos centrais que afetam a eficiência e o consumo de energia do transformador.
1. O papel do núcleo de ferro no transformador
O princípio básico de funcionamento do transformador é a indução eletromagnética, e o núcleo de ferro é a “ponte intermediária” nesse processo. Quando a corrente CA flui através do enrolamento primário, um fluxo magnético alternado é gerado no núcleo de ferro, induzindo assim uma tensão no enrolamento secundário. As propriedades magnéticas do núcleo de ferro afetam diretamente a eficiência da transferência do fluxo magnético, o que também afeta o desempenho geral da eficiência energética do transformador.

2. O impacto do projeto do núcleo de ferro no consumo de energia
O consumo de energia do transformador é composto principalmente por duas partes: perda de cobre (causada pela resistência do enrolamento) e perda de ferro (causada pela mudança do campo magnético dentro do núcleo de ferro). O design central tem um impacto particularmente significativo neste último. A perda de ferro inclui duas formas principais:

1. Perda de corrente parasita
Quando o campo magnético alternado passa pelo núcleo de ferro, uma corrente circular, ou seja, "corrente parasita", é induzida no metal, gerando energia térmica e causando perda de energia. A perda por correntes parasitas está relacionada à espessura e condutividade do núcleo de ferro. Usar chapas de aço silício mais finas ou materiais amorfos e realizar um tratamento de revestimento isolante pode efetivamente suprimir a formação de correntes parasitas e reduzir esta parte da perda.

2. Perda por histerese
Devido ao "fenômeno de histerese" dos materiais ferromagnéticos durante a magnetização e desmagnetização, cada mudança no fluxo magnético consome alguma energia. A perda por histerese está intimamente relacionada à permeabilidade magnética, força coercitiva e outras propriedades do material do núcleo de ferro. Aço silício orientado de alta qualidade ou materiais amorfos possuem loops de histerese mais estreitos, reduzindo assim a perda de energia.

3. O impacto do design do núcleo de ferro na eficiência
Um núcleo de ferro bem projetado pode não apenas reduzir a perda de energia, mas também melhorar a eficiência geral e a confiabilidade do transformador. O desempenho específico é o seguinte:

1. Seleção de materiais
Os materiais de núcleo comuns incluem aço silício de grão orientado laminado a frio (CRGO), aço silício laminado a quente, ligas amorfas, etc. Entre eles, as ligas amorfas são amplamente utilizadas em transformadores de economia de energia devido ao seu arranjo atômico desordenado e perda magnética extremamente baixa. A escolha dos materiais afeta diretamente parâmetros-chave como permeabilidade magnética, valor de perda e densidade de fluxo de saturação.

2. Estrutura central
O núcleo possui principalmente dois tipos: tipo laminado (estrutura laminada) e tipo enrolado (como núcleo amorfo). O tipo laminado é feito de múltiplas camadas de chapas de aço finas isoladas e empilhadas, o que ajuda a reduzir as perdas por correntes parasitas; o núcleo enrolado tem continuidade, um circuito magnético mais suave e menor perda de energia.

3. Tamanho e forma do núcleo
O tamanho razoável do núcleo e o design do formato da seção transversal podem reduzir o fenômeno de saturação local causado pela distribuição desigual da densidade do fluxo magnético, reduzindo assim as perdas locais e prolongando a vida útil do equipamento. O núcleo com seção transversal circular ou elíptica apresenta distribuição de fluxo magnético mais uniforme e menores perdas.

4. Tendências de otimização em aplicações práticas
Use materiais amorfos: Em comparação com o aço silício tradicional, os núcleos amorfos apresentam menores perdas sob condições de baixa carga e são adequados para cenários de economia de energia, como transformadores de distribuição e sistemas de energia solar.

Melhorar a precisão do processamento: O refinamento dos processos de cisalhamento, empilhamento e enrolamento do núcleo pode reduzir as lacunas de ar, melhorar a continuidade do circuito magnético e reduzir o vazamento de energia.

Adote um design trifásico de cinco colunas ou estrutura em anel: em comparação com os núcleos tradicionais do tipo E ou tipo U, algumas novas estruturas têm melhores características de distribuição de fluxo magnético e melhoram a eficiência.

Introduzir projeto de simulação de elementos finitos: No projeto moderno de transformadores, o software de simulação é amplamente utilizado para analisar com precisão a forma e as propriedades eletromagnéticas do núcleo para otimizar ainda mais o desempenho do consumo de energia.

Núcleo do transformador o design não envolve apenas a seleção de materiais, mas também uma reflexão abrangente da combinação de estrutura, processo e sistema. Um projeto de núcleo eficiente pode reduzir significativamente a perda de ferro e melhorar a eficiência energética geral, reduzindo assim o desperdício de energia, prolongando a vida útil do equipamento e reduzindo os custos operacionais. Hoje, quando a neutralidade de carbono e a energia verde são cada vez mais valorizadas, a otimização do design do núcleo do transformador tornou-se uma parte importante da promoção do desenvolvimento sustentável dos sistemas de energia.