Οι περιελίξεις του μετασχηματιστή είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου κατασκευασμένες από χαλκό, και συγκεκριμένα από χαλκό υψηλής αγωγιμότητας. Ο χαλκός έχει πολλές χρήσεις στην ηλεκτρική βιομηχανία. Εκτός από τις εξαιρετικές μηχανικές του ιδιότητες, ο χαλκός έχει την υψηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ των βιομηχανικών μεταλλικών υλικών. Ο χαλκός έχει σημαντική αξία στους μετασχηματιστές επειδή η καλή του απόδοση μπορεί να μειώσει τον όγκο του τυλίγματος και να ελαχιστοποιήσει τις απώλειες φορτίου.
1. Απώλεια φορτίου
Η απώλεια φορτίου μετασχηματιστή είναι ένα μέρος της απώλειας που προκαλείται από το ρεύμα φορτίου, το οποίο ποικίλλει ανάλογα με το τετράγωνο του ρεύματος φορτίου. Το ρεύμα φορτίου μπορεί να χωριστεί σε τρία μέρη:
1) Απώλειες αντίστασης σε σύρματα περιέλιξης και καλώδια.
2) Απώλειες δινορευμάτων καλωδίων περιέλιξης.
3) Απώλειες δινορευμάτων δεξαμενών καυσίμου και χαλύβδινων δομικών στοιχείων.
Η μείωση του αριθμού των στροφών περιέλιξης, η αύξηση της-διατομής του σύρματος ή ο συνδυασμός και των δύο μπορεί να μειώσει τις απώλειες αντίστασης. Η μείωση του αριθμού των στροφών απαιτεί αύξηση της-διατομής του πυρήνα του σιδήρου, αλλά η συνέπεια είναι αύξηση του βάρους και απώλεια του πυρήνα του σιδήρου. Επομένως, η μείωση της απώλειας φορτίου μπορεί να ανταλλάσσεται με την αύξηση της μη-απώλειας φορτίου και αντίστροφα. Η αύξηση του μεγέθους του πλαισίου πυρήνα σιδήρου απαιτεί μείωση του ύψους περιέλιξης για να αντισταθμιστεί η σύνθετη αντίσταση, έτσι ώστε η σύνθετη αντίσταση να παραμένει σταθερή. Αν και η μερική αντιστάθμιση της σύνθετης αντίστασης θα μειώσει τον αριθμό των στροφών (αρχικός σκοπός). Η μείωση του αξονικού ύψους της περιέλιξης σημαίνει μείωση του ύψους της στήλης πυρήνα σιδήρου, η οποία μπορεί επίσης να αντισταθμίσει σε κάποιο βαθμό την αύξηση του βάρους του πυρήνα σιδήρου που προκαλείται από την αύξηση του μεγέθους του πλαισίου. Επομένως, η διακύμανση απώλειας που αντιστοιχεί σε ένα ή δύο μεγέθη πλαισίου δεν είναι σημαντική, επομένως το βέλτιστο πλαίσιο πυρήνα σιδήρου μπορεί να επιλεγεί για να καλύψει άλλες απαιτήσεις, όπως μια σταθερή αναλογία απώλειας φορτίου ή απαιτήσεις ύψους μεταφοράς.
Η διαδρομή δινορευμάτων των συρμάτων περιέλιξης είναι πολύ περίπλοκη. Η ροή διαρροής των περιελίξεων του μετασχηματιστή μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στην ακτινική και αξονική ροή των περιελίξεων σε οποιοδήποτε δεδομένο χώρο και ανά πάσα στιγμή. Οι αλλαγές μαγνητικής ροής επάγουν τάση, η οποία προκαλεί το ρεύμα να ρέει σε κατεύθυνση κάθετη προς τις αλλαγές της μαγνητικής ροής. Η αύξηση της αντίστασης της διαδρομής ρεύματος μπορεί να μειώσει το πλάτος του ρεύματος ή μπορεί να επιτευχθεί με τη μείωση της συνολικής-διατομής των καλωδίων περιέλιξης ή με τη διαίρεση των συρμάτων περιέλιξης σε πολλές μονωμένες δέσμες καλωδίων (παρόμοια με τον τρόπο που οι στοιβαγμένοι πυρήνες σιδήρου μπορούν να μειώσουν τις απώλειες δινορευμάτων στους πυρήνες σιδήρου). Η πρώτη αυξάνει τη συνολική αντίσταση της περιέλιξης, η οποία με τη σειρά της αυξάνει τις απώλειες αντίστασης. Αντίθετα, εάν η συνολική-διατομή του σύρματος αυξηθεί για να μειωθούν οι απώλειες αντίστασης, το αποτέλεσμα θα είναι αναπόφευκτα η αύξηση των απωλειών δινορευμάτων. Επομένως, αυτή η αντίφαση μπορεί να επιλυθεί μόνο με τη μείωση της-διατομής των νημάτων του σύρματος και την αύξηση του συνολικού αριθμού των κλώνων. Το κόστος της παράλληλης περιέλιξης των συρμάτων είναι υψηλό, επομένως οι κατασκευαστές ελπίζουν να περιορίσουν τον συνολικό αριθμό των παράλληλων κλώνων και η αύξηση του αριθμού των κλώνων θα αυξήσει το στρώμα μόνωσης, με αποτέλεσμα τον κακό κύκλο λειτουργίας περιέλιξης.
Η μείωση του μεγέθους είναι ζωτικής σημασίας για οποιοδήποτε στοιχείο του ηλεκτρικού εξοπλισμού. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τις περιελίξεις του μετασχηματιστή. Το μέγεθος της περιέλιξης του μετασχηματιστή καθορίζει το μέγεθος του μετασχηματιστή. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η περιέλιξη πρέπει να έχει μεγάλη-διατομή για να επιτυγχάνεται ένα αποδεκτό επίπεδο απώλειας φορτίου, όχι μόνο επειδή η απώλεια είναι σπατάλη για τους χρήστες, αλλά και επειδή η θερμότητα που παράγεται από την απώλεια πρέπει να διαχέεται μέσω των καναλιών λαδιού ψύξης. Εάν η απώλεια αυξηθεί, πρέπει να παρέχεται περισσότερος χώρος για τη δίοδο λαδιού, η οποία θα αυξήσει επίσης το μέγεθος της περιέλιξης και το μέγεθος του πυρήνα του σιδήρου. Η αύξηση του μεγέθους του πυρήνα του σιδήρου θα αυξήσει την απώλεια-μηδενικού φορτίου του πυρήνα του σιδήρου. Επιπλέον, όσο αυξάνεται το μέγεθος της περιέλιξης, πρέπει να αυξηθεί αντίστοιχα και η δεξαμενή λαδιού, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η κατανάλωση λαδιού και να επηρεάζεται σταδιακά η όλη διαδικασία κατασκευής. Αντίθετα, η μείωση του μεγέθους της περιέλιξης οδηγεί συχνά σε μείωση του συνολικού μεγέθους του μετασχηματιστή, κάτι που με τη σειρά του εξοικονομεί άλλες πτυχές. Ως υλικό που μπορεί να πληροί οικονομικά τα παραπάνω γενικά πρότυπα και μπορεί να αγοραστεί στην εμπορική αγορά, ο χαλκός υψηλής αγωγιμότητας γίνεται φυσικά η προτιμώμενη επιλογή για υλικά περιέλιξης μετασχηματιστών.
Οι απώλειες δινορευμάτων των δεξαμενών καυσίμου και των εσωτερικών δομικών στοιχείων από χάλυβα, όπως οι σφιγκτήρες πυρήνα σιδήρου, προκαλούνται από τη μαγνητική ροή διαρροής και ο έλεγχος των απωλειών δινορευμάτων περιλαμβάνει κυρίως τον έλεγχο της μαγνητικής ροής διαρροής.
Στη δεκαετία του 1960, υπήρξε μια περίοδος ραγδαίας αύξησης των τιμών του χαλκού και οι άνθρωποι προσπάθησαν να αντικαταστήσουν τον χαλκό με αλουμίνιο, το οποίο ήταν πολύ φθηνότερο από τον χαλκό, σε διάφορες ηλεκτρικές συσκευές. Πράγματι, κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η χρήση αλουμινίου για την κατασκευή καλωδίων ήταν πολύ συνηθισμένη και υπήρχαν σχέδια να συνεχιστεί η χρήση του από τότε. Ωστόσο, αν και ορισμένες πολύ μεγάλες περιελίξεις μετασχηματιστών είναι κατασκευασμένες από σύρματα αλουμινίου, που ενθαρρύνονται κυρίως από τους παραγωγούς αλουμινίου, η πρακτική έχει αποδείξει ότι η χρήση υλικών αλουμινίου σε μεγάλους μετασχηματιστές ισχύος έχει πολλά μειονεκτήματα.
Το αλουμίνιο είναι κατάλληλο μόνο για ορισμένες πτυχές των μετασχηματιστών, με τις περιελίξεις από φύλλο αλουμινίου να είναι οι πιο εμφανείς, οι οποίες απαιτούν ενθυλάκωση ρητίνης. Σε αυτή την περίπτωση, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του αλουμινίου είναι πιο κοντά σε αυτόν της ρητίνης από αυτόν του χαλκού. Επομένως, η ρητίνη σπάνια ραγίζει κατά τη φόρτωση.
Οι πόροι εξόρυξης χαλκού είναι άφθονοι σε όλο τον κόσμο. Το εξαιρετικό πλεονέκτημα του χαλκού είναι ότι είναι εύκολο να ανακυκλωθεί. Είναι εύκολο να εξαχθεί και να καθαριστεί εκ νέου από τα απόβλητα, αποτρέποντας την περιττή ανάπτυξη ορυκτών πόρων. Ο χαλκός υψηλής αγωγιμότητας έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην ηλεκτρική βιομηχανία. Μπορεί να παρατεθεί ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών τύπων χαλκού, αλλά οι περισσότερες ηλεκτρολογικές βιομηχανίες επιλέγουν ηλεκτρολυτικό σκληρό χαλκό (Cu-ETP-2) ή υψηλότερης ποιότητας χαλκό CH-ETP1. Το πρώτο είναι χαλκός υψηλής αγωγιμότητας (που περιέχει-οξυγόνο), ο οποίος έχει υποστεί ηλεκτρολυτική διύλιση για τη μείωση των ακαθαρσιών, με συνολικό επίπεδο ακαθαρσίας κάτω από 0,03%. Στο ΗΒ, ο Cu-ETP-2 είναι χυτός χαλκός και ο C101 είναι σφυρηλατημένος χαλκός. Αυτός ο τύπος χαλκού μπορεί εύκολα να επεξεργαστεί σε διάφορα σχήματα και μπορεί να υποβληθεί σε θερμή ή κρύα επεξεργασία. Δεν είναι εύκολο να σπάσει κατά τη διάρκεια της θερμής διαδικασίας επεξεργασίας, επειδή τα στοιχεία μολύβδου και βισμούθιου που προκαλούν ρωγμές έχουν περιοριστεί σε ένα συγκεκριμένο εύρος. Το τελευταίο Cu-ETP-1 είναι χυτός χαλκός και το C100 είναι σφυρηλατημένος χαλκός. Αυτά τα δύο υλικά χρησιμοποιούνται από τα εργοστάσια παραγωγής λόγω των πλεονεκτημάτων τους ότι μπορούν να υποστούν επεξεργασία σε σύγχρονες μηχανές έλασης και σύρματος έλξης υψηλής ταχύτητας και μπορούν να ανόπτονται ηλεκτρονικά. Αυτός ο χαλκός είναι μια εξαιρετική πρώτη ύλη για την κατασκευή διαφόρων εμαγιέ συρμάτων. Κατά τη διαδικασία παραγωγής αυτών των επισμαλτωμένων συρμάτων, απαιτείται συνεχής ανόπτηση σε χαμηλή θερμοκρασία για να διασφαλιστεί ότι τα σύρματα έχουν καλές ιδιότητες επανεπεξεργασίας.
2. Διαδικασία παραγωγής χαλκού υψηλής αγωγιμότητας
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ο χαλκός εξορύσσεται και εξευγενίζεται σε πολλές χώρες σε όλο τον κόσμο. Τα χυτά προϊόντα χαλκού των μεταλλουργείων διατίθενται σε διάφορα σχήματα, ανάλογα με τον τύπο του ημικατεργασμένου υλικού που πρόκειται να υποβληθεί σε περαιτέρω επεξεργασία. Ο καθοδικός ηλεκτρολυτικός χαλκός είναι το ηλεκτρολυτικά εξευγενισμένο προϊόν του χαλκού. Πριν από τη χρήση, πρέπει να λιώσει ξανά και στη συνέχεια να χυθεί σε διαφορετικά «σχήματα προϊόντων μεταλλουργίας». Η ράβδος χρησιμοποιείται για θερμή συμπίεση, οι χάλκινες ράβδοι χρησιμοποιούνται για την έλαση χάλκινων πλακών, οι ράβδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την έλαση ράβδων χαλκού και οι χάλκινες ράβδοι χρησιμοποιούνται για το τράβηγμα χάλκινων συρμάτων. Η διακύμανση του μεγέθους του ηλεκτρολυτικού χαλκού καθορίζεται από το μεταλλουργείο. Σε γενικές γραμμές, έχει σχήμα πλάκας-, με διαστάσεις 1200mm * 900mm και βάρος 100-300kg.
Η διάμετρος των χάλκινων πλινθωμάτων είναι συνήθως 200mm και το μήκος δεν ξεπερνά τα 750mm, ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν σε κουτί θερμής πρέσας. Μετά τη γενική εν θερμώ συμπίεση, τα χάλκινα πλινθώματα (ή μπλοκ χαλκού) πρέπει να τραβηχτούν στο απαιτούμενο μέγεθος χρησιμοποιώντας μια μηχανή τραβήγματος σύρματος πολλαπλών διόδων, η οποία μπορεί να συμπιεστεί σε χάλκινες πλάκες, φύλλα χαλκού, λωρίδες χαλκού και φύλλα χαλκού. Επί του παρόντος, σχεδόν όλα τα πλινθώματα χαλκού χυτεύονται συνεχώς. Γενικά, η θερμή έλαση πραγματοποιείται από 150mm έως 9mm, ακολουθούμενη από ψυχρή έλαση.
Μετά την εν θερμώ έλαση, οι χάλκινες πλάκες γίνονται χάλκινα σύρματα, τα οποία πρέπει να χυτεύονται οριζόντια για να έχουν ένα στρώμα οξειδίου στην επιφάνεια. Είναι πλέον δυνατή η συνεχής χύτευση κάθετα με ένα κρεμασμένο πριόνι στον εξοπλισμό για την κοπή τους σε ένα ορισμένο μήκος, αλλά αυτή η πρακτική χρησιμοποιείται σπάνια επί του παρόντος.
Το τυφλό σύρμα χαλκού αναφέρεται σε χάλκινο υλικό τυλιγμένο σε διάμετρο 6-35 mm (συνήθως 9 mm), το οποίο μπορεί να τραβηχτεί για να κατασκευαστεί σύρμα χαλκού. Για μια χρονική περίοδο, το βάρος των κυλινδρικών μπιλιετών από σύρμα χαλκού περιορίστηκε στα 100 κιλά, που είναι το βάρος της παρτίδας των χάλκινων πλακών που έχουν τυλιχθεί σε χάλκινα σύρματα. Έτσι, πριν στείλετε το χάλκινο σύρμα κενό στη μηχανή συνεχούς έλξης καλωδίων, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί συγκόλληση τόξου για τη συγκόλληση των δίσκων μεταξύ τους.
Η τρέχουσα πρακτική είναι η συνεχής τήξη του ηλεκτρολυτικού χαλκού σε έναν κατακόρυφο κλίβανο και στη συνέχεια, υπό αυστηρό έλεγχο της συγκέντρωσης οξυγόνου, η αποστολή του λιωμένου χαλκού σε ένα καλούπι που διαμορφώνεται συνεχώς. Οι πρώτες ύλες που σχηματίζονται από το καλούπι εισάγονται στη συνέχεια απευθείας σε ένα μύλο θερμής έλασης πολλαπλών θυρών. Τα ακατέργαστα σύρματα χαλκού που λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο μπορούν να ζυγίζουν αρκετούς τόνους ανά πλάκα. Προκειμένου να διευκολυνθεί η επακόλουθη έλξη σύρματος, αυτά τα μπιγιέτα χάλκινου σύρματος πρέπει να σταλούν σε ένα ελασματουργείο υψηλής-ταχύτητας, το οποίο διεξάγει τη σταδιακή ανόπτηση στα ελασματοποιημένα χάλκινα σύρματα με την ταχύτητα της γραμμής παραγωγής μέσω θέρμανσης με αντίσταση. Αυτή η μέθοδος αντικαθιστά την προηγούμενη μέθοδο ανόπτησης παρτίδων και έχει δείξει σημαντικά οικονομικά οφέλη, αλλά απαιτεί σταθερά-χαλκό υψηλής ποιότητας.
3. Ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες του χαλκού
Ο χαλκός δεν είναι μόνο καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, αλλά και καλός αγωγός της θερμότητας. Το πρότυπο για την αξιολόγηση άλλων αγωγών είναι το «Διεθνές Πρότυπο για Ανοπτημένο Χαλκό» που δημοσιεύτηκε το 1913, το οποίο αναφέρει ότι ο χαλκός έχει αγωγιμότητα 100%.
4. Κράμα χαλκού υψηλής αγωγιμότητας
Υπάρχουν πολλά κράματα χαλκού και κράματα χαλκού υψηλής αγωγιμότητας, τα οποία έχουν όλες τις συγκεκριμένες χρήσεις τους σε διάφορους τύπους συσκευών ισχύος. Τα περισσότερα στοιχεία έχουν μια ορισμένη διαλυτότητα στον χαλκό. Και αυτές οι αδιάλυτες ουσίες δεν έχουν σχεδόν καμία επίδραση στην αγωγιμότητα και συχνά προστίθενται για να βελτιώσουν τη μηχανική επεξεργασία και άλλες ιδιότητες του χαλκού υψηλής αγωγιμότητας.
Μέχρι στιγμής, το πιο χρήσιμο κράμα για τους σχεδιαστές μετασχηματιστών είναι ο ασημί χαλκός. Η προσθήκη αργύρου σε καθαρό χαλκό θα αυξήσει σημαντικά τη θερμοκρασία μαλακώματος και δεν θα έχει σχεδόν καμία επίδραση στην αγωγιμότητα. Η ελάχιστη ποσότητα αργύρου που προστίθεται στα γενικά κράματα χαλκού αργύρου είναι 0,01%, η οποία μπορεί να παρέχει την απαιτούμενη μηχανική αντοχή για τις περιελίξεις χαλκού μετασχηματιστή, να αντέξει τις δυνάμεις βραχυκυκλώματος που δημιουργούνται από εξωτερικά σφάλματα και βραχυκυκλώματα κατά τη λειτουργία και να βελτιώσει άλλες μηχανικές ιδιότητες του χαλκού, ιδιαίτερα την αντίσταση ερπυσμού. Το μειονέκτημα αυτού του υλικού είναι ότι μετά την προσθήκη αργύρου, η σκληρότητά του αυξάνεται, δυσκολεύοντας το τύλιγμα, επομένως η χρήση του περιορίζεται σε πολύ μεγάλους μετασχηματιστές που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή μηχανική αντοχή.
Περισσότερες πληροφορίες για τον ηλεκτρικό χαλκό, συμπεριλαμβανομένης της εξαγωγής χαλκού και των ηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων του, μπορείτε να λάβετε από το φυλλάδιο "High Conductivity Copper" που κυκλοφόρησε από τη British Copper Development Association. Προηγούμενες περιγραφές του χαλκού βασίστηκαν σε αυτό το φυλλάδιο.
5. Χάλκινο σύρμα περιέλιξης
Το χάλκινο σύρμα που χρησιμοποιείται στις περιελίξεις του μετασχηματιστή είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου ορθογώνιο χάλκινο σύρμα-διατομής ή λωρίδα χαλκού, σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο EN13601:2002 "Copper and Copper Dielectric Gold, Copper Rod and Copper Wire for General Electrical Use". Εκτός από τον καθορισμό των απαιτήσεων καθαρότητας, στρογγυλοποίησης, ειδικής αντίστασης και περιθωρίου μεγέθους για χάλκινους αγωγούς, το παράρτημα παραθέτει επίσης συνιστώμενα μεγέθη. Η περιέλιξη από στρογγυλό χάλκινο σύρμα έχει χαμηλότερο κύκλο λειτουργίας και φτωχότερη μηχανική σταθερότητα σε σύγκριση με την επίπεδη περιέλιξη σύρματος χαλκού. Το στρογγυλό χάλκινο σύρμα χρησιμοποιείται γενικά μόνο σε μικρούς μετασχηματιστές διανομής με μέση τάση και το στρογγυλό καλώδιο έχει τη μορφή εμαγιέ σύρματος. Οι περιελίξεις ειδικού τύπου πρέπει να τυλίγονται με στρογγυλό χάλκινο σύρμα
