Трансформатордың «жүрегі» ретінде темір өзегі электромагниттік энергияны түрлендіруде шешуші рөл атқарады. Ол трансформаторлардың энергия тиімділігіне ғана емес, сонымен қатар жабдықтың көлеміне, салмағына және жұмыс сенімділігіне тікелей әсер етеді. Темір өзек материалдарының, өнеркәсіптік таза темірден бүгінгі таңда аморфты қорытпаларға дейін эволюциясы трансформатор технологиясының керемет дамуына куә болды.
Темір өзегінің негізгі функциясы және өнімділік талаптары
Трансформатор өзегінің негізгі функциясы - тиімді магниттік тізбекті қамтамасыз ету, электр энергиясын электромагниттік индукция принципі арқылы әртүрлі тізбектер арасында беруге мүмкіндік береді. Темір өзегінің өнімділігі трансформатордың техникалық және экономикалық көрсеткіштеріне тікелей әсер етеді. Темір өзегінің материалдарына қойылатын негізгі талаптар: белгілі бір жиілікте және магнит ағынының тығыздығында темір өзегінің төмен шығыны және белгілі бір магнит өрісінің кернеулігінде жоғары магнит ағынының тығыздығы.
Өзектің жоғалуы екі бөліктен тұрады: гистерезис жоғалуы және құйынды токтың жоғалуы. Гистерезис жоғалуы материалдың магниттелу қиындықтарымен байланысты, ал құйынды токтың жоғалуы темір өзегіндегі айнымалы магнит ағынынан туындаған айналымдағы токтан туындайды. Бұл шығындарды азайту үшін идеалды темір өзек материалдары жоғары электрлік кедергіге, жоғары магниттік өткізгіштікке және төмен коэрцитивтілікке ие болуы керек.
Темір өзегінің материалдарының эволюциялық процесі
Трансформатор өзегінің материалдарын әзірлеу ұзақ және қызықты жолдан өтті. Ең алғашқы трансформатор өзектерінде магниттік материалдар ретінде кәдімгі көміртекті болат сым немесе көміртекті болат пайдаланылды. 1885 жылы Венгриядағы Гунц зауыты тұйық магниттік тізбегі бар алғашқы бір фазалы трансформаторды жасап шығарды, ал оның темір өзегі осы материалдан жасалған.
1900 жылы ағылшын РА Хадфилд және басқалар жұмсақ болатқа кремний қосу кедергіні жақсарта алатынын, құйынды ток пен гистерезис шығындарын азайта алатынын және «өзектің қартаюы» құбылысын жеңілдете алатынын анықтады. 1903 жылы Америка Құрама Штаттары мен Германия ыстықтай жайылған кремнийлі болат парақтарын шығара бастады, бұл кремнийлі болат парақтары дәуірінің басталуын белгіледі.
Ыстықтай илектелген кремнийлі болат парақтарының біркелкі емес өнімділігі және жоғары шығындар сияқты мәселелері бар. 1930 жылдары суықтай илектелген кремнийлі болат парақтарының технологиясында серпіліс жасалды. 1933 жылы Гаусс илектеу бағыты бойынша жоғары магниттік қасиеттері бар 3% Si болатын алу үшін суықтай илектеу және күйдірудің екі әдісін қолданды. 1935 жылы Америка Құрама Штаттарының Armco Steel компаниясы Westinghouse компаниясымен бірлесіп, суықтай илектелген бағытталған кремнийлі болат өндірісін бастады.
1960 жылдардан кейін ірі индустриалды елдер ыстықтай илектелген кремнийлі болат парақтарын өндіруді біртіндеп тоқтатып, жақсы өнімділікке ие суықтай илектелген кремнийлі болат парақтарына көшті. 1964 жылы Жапонияның Nippon Steel Corporation компаниясы жоғары өткізгіштігі бар дәнге бағытталған суықтай илектелген кремнийлі болат парақтарын (Hi-B болаты) жасап шығарды, бұл трансформаторлардың жүктемесіз шығындарын одан әрі азайтты.
1970 жылдары аморфты қорытпа материалдары тарихи сахнада алғаш рет пайда болды. 1974 жылы United Microelectronics Corporation темір негізіндегі аморфты қорытпаларды, ал 1978 жылы Америка Құрама Штаттары 10 кВА аморфты темір өзекті трансформаторларды жасап шығарды. Бұл жаңа материал түрі темірдің өте төмен шығыны, дәстүрлі кремнийлі болат парақтарының тек 1/3-1/5 бөлігі ғана болуымен сипатталады, бұл трансформаторлар үшін энергия үнемдеудің жаңа дәуірін ашады.
Темір өзек материалдарының негізгі түрлері мен сипаттамалары
кремнийлі болат парағы
Кремнийлі болат парағы - көміртегі мөлшері өте төмен, әдетте кремний мөлшері 0,5-4,5% болатын кремнийлі темірдің жұмсақ магниттік қорытпасы. Кремний қосу темірдің электрлік кедергісін және максималды магниттік өткізгіштігін арттыра алады, коэрцитивтілікті, өзектің жоғалуын және магниттік қартаюды азайта алады. Кремнийлі болат парағы екі санатқа бөлуге болады: ыстықтай илектелген және суықтай илектелген, ал суықтай илектелген парағы бағытталған және бағытталмаған түрлерге бөлінеді.
Суықтай жайылған бағдарланбаған кремнийлі болат парағы 0,5% ~ 4,0% (Si + Al) қорытпасын білдіреді, ол 0,65 мм, 0,5 мм және 0,35 мм дейін суықтай жайылған, содан кейін күйдіріліп, қапталған. Оның түйіршікті құрылымы салыстырмалы түрде шашыраңқы және барлық бағытта салыстырмалы түрде біркелкі магниттік қасиеттерге ие.
Бағытталған кремнийлі болат жоғары магнит өткізгіштікке және оңай магниттелетін бағытта төмен шығын сипаттамаларына ие, бұл трансформаторлар сияқты статикалық қуат жабдықтарының магнит өткізгіштік талаптарына сәйкес келеді. Кәдімгі бағдарланған кремнийлі болаттың (КБК) орташа түйіршік бағдарының ауытқу бұрышы шамамен 7°, ал қанығу магниттік сезімталдығы B8 мәні 1,82Tesla-дан жоғары; жоғары магниттік бағдарланған кремнийлі болаттың (Hi-B) орташа түйіршік бағдарының ауытқу бұрышы шамамен 3°, ал B8 мәні 1,90Tesla-дан жоғары.
аморфты қорытпа
Аморфты қорытпа - материал матрицасында кездейсоқ орналасқан, «шыны тәрізді» құрамға ие атомдары бар металл функционалды материал. Әдеттегі аморфты қорытпаның құрамында 80% темір бар, қалған компоненттері бор және кремний. Бұл материал жоғары қанығу магниттік индукция беріктігі (1,54 Т), жоғары магниттік өткізгіштігі, төмен қоздыру тогы және өте төмен темір шығыны сияқты сипаттамаларға ие.
Темір негізіндегі аморфты қорытпалардың темір шығыны бағытталған кремнийлі болат парақтарының үштен бірінен беске дейін ғана құрайды, бұл аморфты қорытпалы трансформаторлардың жүктемесіз шығынын дәстүрлі кремнийлі болат трансформаторларымен салыстырғанда 70%-дан 80%-ға дейін төмендетеді. Аморфты қорытпалардың қанығу магниттік ағынының тығыздығы салыстырмалы түрде төмен (шамамен 1,5 Т), сондықтан номиналды магниттік ағын тығыздығы әдетте 1,3-1,4 Т ретінде таңдалады.
Аморфты қорытпа жолағының қалыңдығы өте жұқа, тек 0,03 мм, бұл аморфты темір өзегі үшін ламинация коэффициентін шамамен 80% құрайды. Аморфты қорытпалардың меншікті салмағы кремнийлі болат парақтарына қарағанда төмен болғанымен, темір өзегінің салмағы әлі де салыстырмалы түрде ауыр.
Негізгі құрылымды жобалау
Трансформатор өзегінің құрылымының дизайны да айтарлықтай эволюциядан өтті. Ең алғашқы ламинатталған темір өзегінен бастап, С-тәрізді темір өзегіне, содан кейін сақина тәрізді (шиыршықталған темір өзегі) темір өзегіне дейін әрбір құрылымның өзіндік сипаттамалары мен артықшылықтары бар.
Дөңгелек темір өзек тығыз оралған сағат серіппесі сияқты оралған кремнийлі болат жолақтардан жасалған. Бұл типтегі темір өзек ауа саңылаулары жоқ үздіксіз магниттік тізбекке ие, бұл төмен магниттік кедергі мен жоғары тиімділікті қамтамасыз етеді. Бірдей сыйымдылықтағы ламинатталған трансформаторлармен салыстырғанда, тороидтық трансформаторлардың кіші өлшемді, жеңіл және төмен магниттік ағып кету артықшылықтары бар.
Аморфты қорытпадан жасалған трансформаторлар үшін, материалдарды кесу қиындығына байланысты, олар әдетте орама темір өзек құрылымдары ретінде жасалады. Бір фазалы трансформатордың өзек құрылымы - рамка, ал үш фазалы трансформатордың өзек құрылымы төрт раманы үш фазалы бес бағаналы құрылымға ұқсас құрылымға біріктіру арқылы жасалады. Бұл құрылым әрбір фазалық ораманы магниттік тізбектің екі тәуелсіз рамасына орналастыруға мүмкіндік береді, бұл үшінші гармоникалық магнит ағынының әсерін тиімді түрде жояды.
Темір өзегінен жасалған материалды өндіру процесі
Кремнийлі болат парақтарын өндіру процесі күрделі, әсіресе кремнийлі болат парақтарына бағытталған. Оның өндіріс процесі күрделі, технологиялық терезесі тар және өндірістің қиындығы жоғары. Ол «болат бұйымдарының қолөнері» деп аталады.
Суықтай илектелген бағдарланбаған кремнийлі болат парақтарын өндіру процесі әдетте мыналарды қамтиды: ыстықтай илектелген болат дайындамалары немесе қалыңдығы шамамен 2,3 мм катушкаларға үздіксіз құю дайындамалары, содан кейін қышқылмен жуу, суықтай илектеу, күйдіру және оқшаулағыш пленкамен жабу процестері. Жоғары кремнийлі өнімдер үшін ыстықтай илектелгеннен кейін алдымен оларды 800-850 ℃ температурада қалыпқа келтіру, содан кейін қышқылмен жуу, белгілі бір қалыңдыққа дейін суықтай илектеу, күйдіру, содан кейін төмен тотықсыздану жылдамдығымен суықтай илектеу және соңында соңғы күйдіру қажет.
Аморфты қорытпаларды алудың ең көп таралған әдісі - балқытылған металл буын жоғары жылдамдықты айналатын мыс орамасының рамасына бүрку, ал балқытылған металл 106 ℃/с жылдамдықпен салқындатылып, жұқа қабырғаларға айналады. Жақсы магниттік қасиеттерге қол жеткізу үшін шынықтыру кезінде пайда болатын жоғары ішкі кернеуді 200 ℃ және 280 ℃ аралығында күйдіру арқылы азайту керек.
Темір өзекті материалдардың энергия үнемдеу артықшылықтары
Трансформаторлар көп және энергетикалық жүйеде үлкен сыйымдылыққа ие, бұл айтарлықтай жалпы шығындарға әкеледі. Қытайдағы трансформаторлардың жалпы шығындары жүйенің электр энергиясын өндіруінің шамамен 10%-ын құрайды деп есептеледі. Шығындардың әрбір 1%-ға азаюы жыл сайын миллиардтаған киловатт-сағат электр энергиясын үнемдеуге мүмкіндік береді.
Аморфты қорытпадан жасалған темір өзекті трансформаторлардың энергияны үнемдеуде айтарлықтай әсері бар. SH12 сериялы аморфты қорытпадан жасалған өзекті трансформаторлардың бос жүктеме шығыны S9 сериялы кремнийлі болаттан жасалған трансформаторлармен салыстырғанда шамамен 75%-ға азаяды. Аморфты қорытпадан жасалған трансформаторлар дәстүрлі трансформаторларға қарағанда қымбатырақ болғанымен, олардың пайдалану шығындары өте төмен, ал инвестицияның өтелу мерзімі әдетте 2-5 жыл аралығында болады.
Шанхай, Цзянсу және Чжэцзян провинциялары сияқты экономикалық тұрғыдан дамыған аймақтар аморфты қорытпадан жасалған трансформаторларды кеңінен қолдана бастады. Цзянсу электр энергетикалық компаниясы болашақта жаңа және жаңартылған желілерді орнатуды жоспарлап отыр, ал аморфты қорытпадан жасалған трансформаторларды пайдалану 30%-дан кем болмауы тиіс.
Темір өзек материалдарының даму үрдісі
Темір өзекті материалдар темірдің төмен шығыны мен жоғары магниттік индукция бағытында дамып келеді. Кремнийлі болат парақтары үшін, соның ішінде темірдің төмен шығыны мен жоғары тиімді қозғалтқыштарға арналған бағытталмаған кремнийлі болат, жұқа сипаттамалары бар ультра төмен темір шығыны мен жоғары магниттік индукцияға бағытталған кремнийлі болат және орташа және жоғары жиілікті энергия үнемдейтін электр құрылғыларына арналған жоғары кремнийлі болат қолданылады.
Жоғары кремнийлі болат (Si Fe қорытпасы 4,5% ~ 6,7% Si) жоғары жиіліктерде темір шығынын айтарлықтай төмендету, жоғары максималды магниттік өткізгіштік және төмен коэрцитивтілік сипаттамаларына ие. Бірақ оның Si құрамы тым жоғары және бөлме температурасында оның икемділігі өте нашар, бұл оны илемдеу мен пішіндеуді қиындатады. Қазіргі уақытта бағытталмаған 6,5% Si Fe қорытпасы материалдары негізінен кремний инфильтрация процесі арқылы дайындалады.
Нано-модификацияланған материалдар мен биологиялық негіздегі материалдар да болашақ даму бағыттарының бірі болып табылады. Қоршаған ортаны қорғауға деген сұраныстың артуымен улы емес, биологиялық ыдырайтын немесе қайта өңделетін темір өзекті материалдарды әзірлеу маңызды зерттеу бағытына айналады.
Қорытынды
Трансформаторлық өзек материалдарының эволюциясы материалтану мен электротехниканың тамаша үйлесіміне куә болды. Кәдімгі көміртекті болаттан кремнийлі болат парақтарына, содан кейін аморфты қорытпаларға дейін, әрбір материалдық жетістік трансформаторлардың энергия тиімділігі деңгейін айтарлықтай жақсартты.
Энергияны үнемдеу және шығарындыларды азайту жаһандық консенсусқа айналған бүгінгі әлемде тиімді темір өзек материалдарын таңдау тек экономикалық пайдамен ғана емес, сонымен қатар экологиялық жауапкершілікпен де байланысты. Болашақта жаңа материалдар мен процестердің үздіксіз пайда болуымен трансформатор өзектері аз шығын мен жоғары тиімділікке қарай дами береді, бұл жасыл және төмен көміртекті энергия жүйесін құруға ықпал етеді.
Жарияланған уақыты: 2025 жылғы 29 тамыз
