Экономия энергии в сравнении с ценой покупки.

Вопреки концепциям энергосбережения, принятым во всех крупных странах, на рынке товаров для индуктивных обмоток начинает появляться тенденция — обмотки из алюминия вместо меди. Большим преимуществом, помимо меньшего веса, является сравнительно более низкая закупочная цена на алюминий по сравнению с медью.

Особенно во времена сильного франка многие производители машин и оборудования думают только о цене. Энергоэффективность не должна интересовать их в условиях ценового давления, иначе экономия будет достигнута не с того конца. Во многих секторах, таких как частные СМИ и бытовая техника, идет борьба за высокую эффективность и минимальные потери в режиме ожидания. Однако в промышленном секторе «управление энергией» слишком часто игнорируется. В качестве примера можно привести кабели со слишком маленьким сечением, дешевые переключатели/контакты или «дешевые» индуктивные обмотки, такие как трансформаторы, дроссели и двигатели. Зачастую стоит внимательнее присмотреться к потерям здесь.

Снижение тепловых потерь уменьшает дизайн
Это связано с тем, что прямая экономия энергии часто компенсирует более высокую начальную цену в течение 12-24 месяцев. Косвенная экономия энергии также возможна в помещениях или распределительных шкафах, если их необходимо вентилировать или кондиционировать. Благодаря снижению потерь тепла можно добиться дополнительной экономии объема здания и затрат. В принципе, потери «дешевых» индуктивных обмоток теперь можно уменьшить вдвое экономически «нормальными» средствами, не удваивая цену.

За исключением серебра, медь имеет наилучшее значение проводимости γ = 56, в то время как у алюминия только γ = 36. Алюминий следует за ней с разрывом примерно в 35%. Таким образом, медь является лучшим драгоценным металлом, а алюминий — «всего лишь» вторым среди технически и экономически пригодных проводниковых материалов. После нее нет ничего. Все остальные металлы не могут быть использованы в качестве проводников, а сплавы обычно имеют значительно более низкую проводимость, чем чистые металлы. Серебро или золото полностью исключены из-за их высокой цены. Алюминий — легкий металл, плотность которого составляет всего 35% от плотности меди.

Алюминий требует меньшей плотности тока
Для того чтобы намотать трансформатор из алюминия, эквивалентный по эффективности, плотность тока должна быть снижена примерно на 35% по сравнению с медью. Этого можно достичь путем соответствующего увеличения сечения проводников. Это означает, что ламинированные сердечники и все механические компоненты должны быть увеличены. Соответственно, увеличиваются объем, вес и расход материалов на весь трансформатор. Такая ситуация также может привести к повышению цены. Экономия на материале проводников частично сводится на нет. Однако в целях экономии трансформаторы строятся с большим количеством каналов охлаждения, чтобы держать температуру под контролем. Многие алюминиевые трансформаторы сегодня должны иметь класс изоляции F, H или выше, потому что нагрев является проблемой. Точно так же, как если бы чем выше класс изоляции, тем лучше трансформатор.

Материал проводника алюминий в сравнении с медью
Алюминий достаточно пластичен, но не так пластичен, как медь. Магнитомеханическая нагрузка на отдельные витки намотанной катушки чрезвычайно возрастает с увеличением плотности тока и его величины. Представьте себе, что катушка нагружена током с частотой 100 Гц в сети переменного напряжения 50 Гц. Это приводит к тому, что обмотка буквально взрывается. Максимальное сжимающее напряжение на проводнике может составлять несколько Н/мм2 даже в небольших трансформаторах. Это деформирует поперечное сечение провода и, в худшем случае, может даже привести к его обрыву в случае длительного короткого замыкания. Это часто не учитывается при определении размеров трансформаторов. Эта проблема возрастает при использовании алюминия по сравнению с медью. Кроме того, отдельные обмотки начинают тереться друг о друга при частоте 100 Гц, что повреждает изоляцию. Неисправность остается незамеченной до тех пор, пока в обмотке не произойдет короткое замыкание, а на это могут уйти годы.

Механическое трение влияет на обмотку
В случае короткого замыкания сужение проплавляется, что, в свою очередь, может произойти гораздо легче, чем с медью, из-за более низкой температуры плавления и более низкой теплопроводности алюминия, не говоря уже о склонности к образованию таких сужений, и образуется дуга, что означает повышенный риск возгорания. По отношению к объему теплоемкость также ниже. При α = 23,1 коэффициент теплового расширения алюминия примерно на 30% выше, чем у меди при α = 16,5. Это означает, что алюминий сильнее расширяется при нагревании, а значит, обмотка может потерять больше прочности, и механическое трение оказывает большее влияние. Однако здесь есть небольшое преимущество: в полностью герметичных трансформаторах с эпоксидной смолой алюминий имеет примерно такой же коэффициент расширения, как и сама эпоксидная смола. Это может привести к меньшему внутреннему напряжению обмотки в случае огромных колебаний температуры и нагрузки в системе изоляции F или H. При контакте с воздухом алюминий очень быстро покрывается твердым, стойким оксидным слоем, который не проводит электричество и, следовательно, затрудняет контакт. Может возникнуть контактное сопротивление, что, в свою очередь, может привести к риску возгорания.

Алюминий «механически» проблематичен
Алюминий склонен к текучести с течением времени. Под воздействием высокого давления материал со временем рассыхается. Это означает, что первоначально плотные соединения могут постепенно ослабнуть. По этой причине алюминиевые концы проводников всегда следует соединять с помощью плотно затянутых винтовых контактов и пружинных шайб, но зачастую они все равно не являются постоянными. В принципе, пружинные контакты могут исправить ситуацию, но тогда проблемой снова становятся оксидные слои. В обоих случаях происходит медленное увеличение сопротивления контактов и, следовательно, риск возгорания. Здесь может помочь только масштабная пайка или сварка. Однако не следует пренебрегать электрохимической контактной коррозией между алюминием и медью. Алюминиевые трансформаторы часто неправильно подключают к медным кабелям по незнанию. Единственным чисто техническим недостатком алюминия может быть его вес с плотностью ~2,7 г/см³ в отличие от меди с ~8,93 г/см³, где требование к пространству не является критерием, а вес — является. Это актуально, например, для воздушных линий или трансформаторов, которые должны быть очень легкими.

Заключение
Тот, кто хочет учитывать не только доминирующую цену, но и затраты в течение всего срока службы, должен уделить этой теме больше внимания. Эффективность всей системы с точки зрения выбора материалов будет иметь решающее значение для энергоэффективности в будущем, если специальные решения потребуются не только из-за экономических, геометрических или функциональных ограничений. »

Автор:
Франк Ханиш, выпускник факультета электротехники,
Руководитель отдела технологий и разработок в компании Bächli AG.