Transformatory niskostratne: nowoczesne technologie i materiały

Niskostratne transformatory i efektywność energetyczna stały się globalnym priorytetem. W szczególności nacisk kładziony jest na minimalizację strat. Każdy procent redukcji strat przekłada się na ogromne oszczędności energii na poziomie całej sieci dystrybucyjnej, co ma bezpośredni wpływ na gospodarkę i środowisko. Niższe straty oznaczają nie tylko niższe koszty operacyjne, ale także znaczną redukcję emisji CO ₂ i mniejsze obciążenie dla środowiska. Tendencja ta została również sformalizowana prawnie, w szczególności poprzez rygorystyczne rozporządzenie Komisji (UE) 2019/1783 (Ekoprojekt 2021, etap 2), które ustanawia bezkompromisowe wymagania dotyczące strat transformatora.

Zrozumienie strat transformatora

Straty transformatora dzielimy na dwie główne grupy, które mają różne źródła i wymagają różnych rozwiązań projektowych.

1. Straty na biegu jałowym (straty żelaza)

Straty te występują w rdzeniu magnetycznym transformatora. Są one stałe i nie zależą od obciążenia. Są one zużywane przez transformator zawsze, gdy jest on podłączony do sieci, nawet jeśli nie przesyła żadnej mocy. Straty histerezowe są spowodowane ciągłą zmianą kierunku pola magnetycznego (przemagnesowanie) materiału rdzenia. Są one związane z jakością arkuszy magnetycznych i ich charakterystyką strat. Straty wiroprądowe są spowodowane prądami indukowanymi bezpośrednio w materiale rdzenia, które są generowane przez zmienny strumień magnetyczny. Są one redukowane poprzez podzielenie rdzenia na cienkie izolowane arkusze (laminowanie).

2. Straty zwarciowe (straty w uzwojeniach)

Straty zwarciowe występują głównie w uzwojeniu transformatora (miedzianym lub aluminiowym). Straty te są bezpośrednio związane z wielkością prądu przepływającego przez transformator i dlatego są zależne od obciążenia. Są one spowodowane rezystancją uzwojenia. Wraz ze wzrostem obciążenia transformatora wzrasta natężenie prądu, a straty rosną wraz z kwadratem natężenia prądu.

Innowacyjne materiały do redukcji strat w transformatorach niskostratnych

Kluczem do radykalnego zmniejszenia obu rodzajów strat jest wybór i obróbka najwyższej jakości materiałów. W BEZ TRANSFORMÁTORY używamy najwyższej jakości stali o ziarnistej strukturze (CRGO), która zapewnia łatwy przepływ strumienia magnetycznego. Rdzenie te wykorzystują również zaawansowaną technologię cięcia i zaginania blachy, taką jak step-lap, która minimalizuje przejściowe straty rezystancyjne w narożnikach.

Amorficzny materiał metalowy ma nieuporządkowaną strukturę atomową, podobną do szkła. Brak struktury krystalicznej zmniejsza energię wymaganą do ponownego namagnesowania materiału, co skutkuje wyjątkowo niskimi stratami histerezy. Niskostratne transformatory z amorficznym rdzeniem metalowym mogą zmniejszyć straty bez obciążenia nawet o 66% w porównaniu z konwencjonalną stalą CRGO, zapewniając niezrównaną wydajność w trybie gotowości. Do produkcji uzwojeń używamy albo miedzi, która ma wyjątkowo niską rezystancję właściwą, albo aluminium, które oferuje korzystny stosunek ceny do wydajności. Kluczem jest zastosowanie przewodników o idealnym przekroju w odniesieniu do przepływającego przez nie prądu. Większy przekrój naturalnie zmniejsza opór, a tym samym straty ciepła. Optymalizacja przekroju przewodów staje się najważniejszym elementem konstrukcyjnym w walce ze stratami obciążenia.

Zaawansowane technologie i rozwiązania konstrukcyjne dla transformatorów niskostratnych

Niskie straty nie są tylko kwestią materiałów, ale wymagają również precyzyjnego projektu i technologii produkcji, aby zapewnić optymalne wykorzystanie tych doskonałych surowców. Do produkcji rdzeni magnetycznych wykorzystujemy zaawansowane linie tnące z technologią Step-Lap. Metoda ta zapewnia niezwykle precyzyjne połączenia lameli w rogach rdzenia, minimalizując szczeliny powietrzne i redukując lokalne prądy wirowe i straty histerezy w punktach zginania strumienia magnetycznego.

Konstrukcja uzwojenia, szczególnie w przypadku transformatorów mocy, musi minimalizować straty błądzące. Są to dodatkowe straty spowodowane wyciekiem strumienia magnetycznego, który indukuje prądy w otaczających metalowych częściach transformatora (np. ramy zaciskowe). Stosujemy specjalne ekranowanie i optymalizujemy przestrzenne rozmieszczenie uzwojeń, aby ukierunkować strumień i stłumić te niepożądane straty.

Niskostratne transformatory suche z odlewaną izolacją stanowią nowoczesną alternatywę dla tradycyjnych transformatorów chłodzonych olejem i przynoszą znaczne korzyści w zakresie niskich strat i bezpieczeństwa. Zamiast łatwopalnego oleju, do zalewania uzwojeń wykorzystuje się żywicę epoksydową (EP). Żywica ta jest przyjazna dla środowiska, trudnopalna i zmniejsza ryzyko pożaru, zwiększając tym samym bezpieczeństwo pracy. Technologia odlewanej izolacji pozwala na bardziej precyzyjne rozmieszczenie uzwojeń, minimalizując opór wewnętrzny i zwiększając stabilność mechaniczną.

Kluczowe jest również odpowiednie odprowadzanie ciepła. Wyższa temperatura robocza zwiększa rezystancję uzwojenia, co bezpośrednio prowadzi do wzrostu strat zwarciowych. Dlatego stosujemy wydajne naturalne lub wymuszone systemy chłodzenia, aby utrzymać optymalną temperaturę pracy transformatora. Zapewniamy maksymalny przepływ chłodziwa (powietrza lub oleju) wokół uzwojeń i rdzenia, osiągając w ten sposób stabilną niską temperaturę, a transformator konsekwentnie pracuje w warunkach najniższych możliwych strat.

Ekoprojekt i przyszłość transformatorów niskostratnych

Dla BEZ TRANSFORMÁTORY spełnienie wymogów UE w zakresie ekoprojektu jest minimalnym standardem, a nie celem. Nasze innowacje w zakresie materiałów i konstrukcji zapewniają, że nasze transformatory niskostratne nie tylko spełniają surowe limity strat obowiązujące od 2021 r. (etap 2), ale wiele z nich nawet je przekracza, zapewniając naszym klientom rozwiązania gotowe na przyszłość.