Geležinė šerdis, kaip transformatoriaus „širdis“, atlieka lemiamą vaidmenį elektromagnetinės energijos konversijoje. Ji turi įtakos ne tik transformatorių energijos vartojimo efektyvumui, bet ir tiesiogiai susijusi su įrangos tūriu, svoriu ir eksploataciniu patikimumu. Geležies šerdies medžiagų evoliucija – nuo pramoninės grynos geležies iki šiandieninių amorfinių lydinių – liudija šlovingą transformatorių technologijos vystymąsi.
Geležies šerdies pagrindinė funkcija ir eksploataciniai reikalavimai
Pagrindinė transformatoriaus šerdies funkcija – užtikrinti efektyvią magnetinę grandinę, leidžiančią perduoti elektros energiją tarp skirtingų grandinių elektromagnetinės indukcijos principu. Geležinės šerdies veikimas tiesiogiai veikia transformatoriaus techninius ir ekonominius rodiklius. Pagrindiniai geležinės šerdies medžiagų reikalavimai yra šie: maži geležinės šerdies nuostoliai esant tam tikram dažniui ir magnetinio srauto tankiui bei didelis magnetinio srauto tankis esant tam tikram magnetinio lauko stiprumui.
Šerdies nuostoliai susideda iš dviejų dalių: histerezės nuostoliais ir sūkurinių srovių nuostoliais. Histerezės nuostoliai susiję su medžiagos įmagnetinimo sunkumais, o sūkurinių srovių nuostoliai atsiranda dėl cirkuliuojančios srovės, kurią sukelia kintamasis magnetinis srautas geležies šerdyje. Norint sumažinti šiuos nuostolius, idealios geležies šerdies medžiagos turėtų pasižymėti didele elektrine varža, didele magnetine pralaidumu ir maža koercyvitetu.
Geležies šerdies medžiagų evoliucijos procesas
Transformatorių šerdies medžiagų kūrimas nuėjo ilgą ir įdomų kelią. Ankstyviausiuose transformatorių šerdies gaminiuose kaip magnetinė medžiaga buvo naudojama įprasta anglinio plieno viela arba anglinis plienas. 1885 m. Vengrijos „Gunz“ gamykla sukūrė pirmąjį vienfazį transformatorių su uždara magnetine grandine, o jo geležinė šerdis buvo pagaminta iš šios medžiagos.
1900 m. anglas R. A. Hadfieldas ir kiti mokslininkai nustatė, kad į mažaanglį plieną įdėjus silicio, galima pagerinti varžą, sumažinti sūkurinių srovių ir histerezės nuostolius bei sušvelninti „šerdies senėjimo“ reiškinį. 1903 m. Jungtinės Valstijos ir Vokietija pradėjo gaminti karštai valcuotus silicio plieno lakštus, taip pradėdamos silicio plieno lakštų erą.
Karštai valcuoti silicio plieno lakštai turi tokių problemų kaip netolygus veikimas ir dideli nuostoliai. Ketvirtajame dešimtmetyje buvo padaryta proveržio šaltai valcuotų silicio plieno lakštų technologijoje. 1933 m. Gaussas panaudojo du šalto valcavimo ir atkaitinimo metodus, kad pagamintų 3 % silicio turintį plieną, pasižymintį didelėmis magnetinėmis savybėmis išilgai valcavimo krypties. 1935 m. Jungtinių Valstijų bendrovė „Armco Steel Company“ bendradarbiavo su „Westinghouse Company“, kad pradėtų gaminti šaltai valcuotą orientuotą silicio plieną.
Po septintojo dešimtmečio pagrindinės pramoninės šalys palaipsniui nustojo gaminti karštai valcuotus silicio plieno lakštus ir perėjo prie šaltai valcuotų silicio plieno lakštų, pasižyminčių geresnėmis eksploatacinėmis savybėmis. 1964 m. Japonijos „Nippon Steel Corporation“ sukūrė didelio pralaidumo grūdėtumo orientuoto šaltai valcuoto silicio plieno lakštus (Hi-B plieną), dar labiau sumažindama transformatorių tuščiosios eigos nuostolius.
Aštuntajame dešimtmetyje istorijoje debiutavo amorfiniai lydiniai. 1974 m. „United Microelectronics Corporation“ sukūrė geležies pagrindu pagamintus amorfinius lydinius, o 1978 m. Jungtinės Valstijos sukūrė 10 kVA amorfinius geležies šerdies transformatorius. Ši naujo tipo medžiaga pasižymi itin mažais geležies nuostoliais – tik 1/3–1/5 tradicinių silicio plieno lakštų, todėl prasidėjo nauja transformatorių energijos taupymo era.
Pagrindiniai geležies šerdies medžiagų tipai ir charakteristikos
silicio plieno lakštas
Silicio plieno lakštas yra minkštas magnetinis silicio geležies lydinys, kuriame yra itin mažai anglies, paprastai silicio kiekis yra 0,5–4,5 %. Pridėjus silicio, galima padidinti geležies elektrinę varžą ir maksimalų magnetinį pralaidumą, sumažinti koercinį krūvį, šerdies nuostolius ir magnetinį senėjimą. Silicio plieno lakštus galima suskirstyti į dvi kategorijas: karštai valcuotus ir šaltai valcuotus, o šaltai valcuoti lakštai dar skirstomi į orientuotus ir neorientuotus.
Šalto valcavimo neorientuotas silicio plieno lakštas – tai 0,5–4,0 % (Si + Al) lydinys, šaltai valcuotas iki 0,65 mm, 0,5 mm ir 0,35 mm storio, o po to atkaitintas ir padengtas. Jo grūdelių tekstūra yra gana išsklaidyta, o magnetinės savybės visomis kryptimis yra gana vienodos.
Orientuotas silicio plienas pasižymi dideliu magnetiniu pralaidumu ir mažais nuostoliais lengvai įmagnetėjamoje kryptyje, todėl atitinka statinės galios įrangos, tokios kaip transformatoriai, magnetinio laidumo reikalavimus. Įprasto orientuoto silicio plieno (CGO) vidutinis grūdų orientacijos nuokrypio kampas yra apie 7°, o soties magnetinio jautrumo vertė B8 yra didesnė nei 1,82 Tesla; didelės magnetinės orientacijos orientuoto silicio plieno (Hi-B) vidutinis grūdų orientacijos nuokrypio kampas yra apie 3°, o B8 vertė yra didesnė nei 1,90 Tesla.
amorfinis lydinys
Amorfinis lydinys yra metalinė funkcinė medžiaga, kurios atomai atsitiktinai pasiskirstę medžiagos matricoje ir turi „stiklinę“ sudėtį. Tipiškas amorfinis lydinys turi 80 % geležies, o likę komponentai yra boras ir silicis. Ši medžiaga pasižymi dideliu soties magnetinio indukcijos stipriu (1,54 T), dideliu magnetiniu pralaidumu, maža sužadinimo srove ir itin mažais geležies nuostoliais.
Geležies pagrindu pagamintų amorfinių lydinių geležies nuostoliai sudaro tik trečdalį–penktadalį orientuotų silicio plieno lakštų geležies nuostolių, todėl amorfinių lydinių transformatorių tuščiosios eigos nuostoliai, palyginti su tradiciniais silicio plieno transformatoriais, sumažėja 70–80 %. Amorfinių lydinių soties magnetinio srauto tankis yra santykinai mažas (apie 1,5 T), todėl vardinis magnetinio srauto tankis paprastai parenkamas 1,3–1,4 T.
Amorfinio lydinio juostelės storis yra itin plonas – vos 0,03 mm, todėl amorfinio geležies šerdies laminavimo koeficientas siekia tik apie 80 %. Nors amorfinių lydinių savitasis svoris yra mažesnis nei silicio plieno lakštų, geležies šerdies svoris vis tiek yra gana didelis.
Pagrindinės konstrukcijos projektavimas
Transformatoriaus šerdies konstrukcijos konstrukcija taip pat gerokai pasikeitė. Nuo ankstyviausios sluoksniuotos geležinės šerdies iki C formos geležinės šerdies ir galiausiai žiedo formos (susuktos geležinės šerdies) geležinės šerdies kiekviena struktūra turi savo savybių ir privalumų.
Apvali geležinė šerdis gaminama vyniojant silicio plieno juostas, panašiai kaip sandariai suvyniota laikrodinė spyruoklė. Šio tipo geležinė šerdis turi ištisinę magnetinę grandinę be oro tarpų, todėl pasižymi maža magnetine varža ir dideliu efektyvumu. Palyginti su tos pačios talpos laminuotais transformatoriais, toroidiniai transformatoriai turi mažo dydžio, lengvo svorio ir mažo magnetinio nuotėkio pranašumus.
Amorfinių lydinių transformatoriai, dėl sudėtingumo pjaustant jų medžiagas, paprastai projektuojami kaip spiralinės geležies šerdies struktūros. Vienfazio transformatoriaus šerdies struktūra yra rėmas, o trifazio transformatoriaus šerdies struktūra suformuota sujungiant keturis rėmus į struktūrą, panašią į trifazę penkių kolonų struktūrą. Ši struktūra leidžia kiekvieną fazės apviją išdėstyti ant dviejų nepriklausomų magnetinės grandinės rėmų, efektyviai pašalinant trečiosios harmonikos magnetinio srauto įtaką.
Geležies šerdies medžiagos gamybos procesas
Silicio plieno lakštų gamybos procesas yra sudėtingas, ypač orientuotų silicio plieno lakštų. Gamybos procesas yra sudėtingas, proceso langas siauras, o gamybos sudėtingumas didelis. Jis vadinamas „plieno gaminių amatu“.
Šalto valcavimo neorientuotų silicio plieno lakštų gamybos procesas paprastai apima: karšto valcavimo plieno ruošinių arba nepertraukiamo liejimo ruošinių susukimą į maždaug 2,3 mm storio ritinius, po to plovimą rūgštimi, šaltą valcavimą, atkaitinimą ir izoliacinės plėvelės dengimą. Didelio silicio kiekio gaminiams po karšto valcavimo pirmiausia reikia normalizuoti 800–850 ℃ temperatūroje, po to plauti rūgštimi, šaltai valcuoti iki tam tikro storio, atkaitinti, tada šaltai valcuoti mažu redukcijos greičiu ir galiausiai atkaitinti.
Dažniausias amorfinių lydinių gamybos būdas yra išlydyto metalo garų purškimas ant dideliu greičiu besisukančio vario apvijos rėmo, o išlydytas metalas aušinamas ir sukietinamas į plonas briaunas 106 ℃/s greičiu. Didelis vidinis įtempis, susidaręs grūdinimo metu, turi būti sumažintas atkaitinant 200–280 ℃ temperatūroje, kad būtų gautos geros magnetinės savybės.
Geležies šerdies medžiagų energijos taupymo privalumai
Transformatorių yra daug ir jie turi didelę elektros energijos sistemoje esančią galią, todėl patiriami dideli bendri nuostoliai. Apskaičiuota, kad bendri transformatorių nuostoliai Kinijoje sudaro apie 10 % sistemos energijos gamybos. Kiekvienas 1 % nuostolių sumažinimas gali sutaupyti milijardus kilovatvalandžių elektros energijos per metus.
Amorfinio lydinio geležies šerdies transformatoriai pasižymi dideliu energijos taupymo poveikiu. SH12 serijos amorfinio lydinio šerdies transformatorių tuščiosios eigos nuostoliai yra maždaug 75 % mažesni, palyginti su S9 serijos silicio plieno transformatoriais. Nors amorfinio lydinio transformatoriai yra brangesni nei tradiciniai transformatoriai, jų eksploatavimo išlaidos yra itin mažos, o investicijų atsipirkimo laikotarpis paprastai yra nuo 2 iki 5 metų.
Ekonomiškai išsivysčiusiuose regionuose, kuriems atstovauja Šanchajaus, Dziangsu ir Džedziango provincijos, plačiai naudojami amorfinių lydinių transformatoriai. „Jiangsu Electric Power Company“ netgi planuoja ateityje įrengti naujas ir renovuojamas linijas, o amorfinių lydinių transformatorių naudojimas turėtų sudaryti ne mažiau kaip 30 %.
Geležies šerdies medžiagų vystymosi tendencija
Geležies šerdies medžiagos tobulėja siekiant mažų geležies nuostolių ir didelės magnetinės indukcijos. Silicio plieno lakštams, įskaitant neorientuotą silicio plieną, skirtą mažų geležies nuostolių ir didelio efektyvumo varikliams, ploną specifikaciją, ypač mažų geležies nuostolių ir didelės magnetinės indukcijos orientuotą silicio plieną, ir didelės silicio plieno, skirto vidutinio ir aukšto dažnio energiją taupantiems elektros prietaisams.
Didelio silicio kiekio plienas (Si/Fe lydinys su 4,5–6,7 % Si) pasižymi žymiai sumažintu geležies nuostoliu esant aukštiems dažniams, dideliu maksimaliu magnetiniu pralaidumu ir mažu koerciniu krūviu. Tačiau jo Si kiekis yra per didelis, o plastiškumas kambario temperatūroje yra labai prastas, todėl jį sunku valcuoti ir formuoti. Šiuo metu neorientuotos 6,5 % Si/Fe lydinio medžiagos daugiausia gaminamos silicio infiltracijos būdu.
Nano modifikuotos medžiagos ir biologinės kilmės medžiagos taip pat yra viena iš būsimų plėtros krypčių. Didėjant aplinkos apsaugos poreikiui, netoksiškų, biologiškai skaidžių arba perdirbamų geležies šerdies medžiagų kūrimas taps svarbia tyrimų kryptimi.
Išvada
Transformatorių šerdies medžiagų evoliucija buvo tobulo medžiagų mokslo ir elektrotechnikos derinio liudininkas. Nuo įprasto anglinio plieno iki silicio plieno lakštų ir galiausiai amorfinių lydinių – kiekvienas medžiagų proveržis žymiai pagerino transformatorių energijos vartojimo efektyvumą.
Šiandieniniame pasaulyje, kuriame energijos taupymas ir išmetamųjų teršalų mažinimas tapo visuotinai priimtais principais, efektyvių geležies šerdies medžiagų pasirinkimas yra susijęs ne tik su ekonomine nauda, bet ir su aplinkosaugine atsakomybe. Ateityje, nuolat atsirandant naujoms medžiagoms ir procesams, transformatorių šerdys ir toliau vystysis siekiant mažesnių nuostolių ir didesnio efektyvumo, prisidedant prie ekologiškos ir mažai anglies dioksido į aplinką išskiriančios energetikos sistemos kūrimo.
Įrašo laikas: 2025 m. rugpjūčio 29 d.
