Transformadore baten "bihotza" den aldetik, burdinazko nukleoak funtsezko zeregina du energia elektromagnetikoaren bihurketan. Ez du soilik transformadoreen energia-eraginkortasunean eragiten, baizik eta zuzenean lotuta dago ekipamenduen bolumenarekin, pisuarekin eta funtzionamendu-fidagarritasunarekin. Burdinazko nukleoko materialen bilakaerak, burdin puru industrialetik gaur egungo aleazio amorfoetaraino, transformadoreen teknologiaren garapen loriatsua ikusi du.
Burdin nukleoaren funtzio nagusia eta errendimendu-eskakizunak
Transformadorearen nukleoaren funtzio nagusia zirkuitu magnetiko eraginkor bat eskaintzea da, energia elektrikoa zirkuitu ezberdinen artean transmititzea ahalbidetuz indukzio elektromagnetikoaren printzipioaren bidez. Burdin nukleoaren errendimenduak zuzenean eragiten die transformadorearen adierazle tekniko eta ekonomikoei. Burdin nukleoko materialen oinarrizko eskakizunak hauek dira: burdin nukleoaren galera txikia maiztasun eta fluxu magnetiko dentsitate jakin batean, eta fluxu magnetiko dentsitate handia eremu magnetikoaren intentsitate jakin batean.
Nukleoaren galerak bi zati ditu: histereesi-galera eta korronte zurrunbilotsuaren galera. Histereesi-galera materialaren magnetizazioaren zailtasunarekin lotuta dago, korronte zurrunbilotsuaren galera, berriz, burdinaren nukleoan fluxu magnetiko alternoak eragindako zirkulazio-korronteak eragiten du. Galera horiek murrizteko, burdinaren nukleoko material idealek erresistentzia elektriko handia, iragazkortasun magnetiko handia eta koertzibitate baxua izan beharko lituzkete.
Burdin nukleoko materialen eboluzio prozesua
Transformadoreen nukleoen materialen garapenak bidaia luzea eta zirraragarria egin du. Lehenengo transformadoreen nukleoek altzairu karboniko arrunta edo altzairu karbonikoa erabiltzen zuten material magnetiko gisa. 1885ean, Hungariako Gunz fabrikak zirkuitu magnetiko itxia zuen lehen transformadore monofasikoa garatu zuen, eta bere burdinazko nukleoa material mota horretaz egina zegoen.
1900ean, RA Hadfield ingelesak eta beste batzuek aurkitu zuten altzairu bigunari silizioa gehitzeak erresistentzia hobetu, korronte zurrunbilotsu eta histereesi galerak murriztu eta "nukleoaren zahartzearen" fenomenoa arindu zezakeela. 1903an, Estatu Batuek eta Alemaniak siliziozko altzairuzko xafla bero laminatuak ekoizten hasi ziren, siliziozko altzairuzko xaflen aroaren hasiera markatuz.
Siliziozko altzairuzko xafla bero laminatuek arazoak dituzte, hala nola errendimendu irregularra eta galera handiak. 1930eko hamarkadan, aurrerapenak egin ziren siliziozko altzairuzko xaflen teknologian. 1933an, Gaussek bi metodo erabili zituen: laminazio hotzean eta erreketan, % 3ko Si altzairua ekoizteko, laminazio norabidean propietate magnetiko handiak zituena. 1935ean, Estatu Batuetako Armco Steel Company-k Westinghouse Company-rekin lankidetzan aritu zen siliziozko altzairu orientatu hotzean laminatuaren ekoizpena hasteko.
1960ko hamarkadaren ondoren, industrializatutako herrialde nagusiek pixkanaka utzi zioten beroan laminatutako siliziozko altzairuzko xaflak ekoizteari eta errendimendu hobea zuten hotzean laminatutako siliziozko altzairuzko xafletara jo zuten. 1964an, Japoniako Nippon Steel Corporation-ek iragazkortasun handiko ale orientatutako hotzean laminatutako siliziozko altzairuzko xaflak (Hi-B altzairua) garatu zituen, transformadoreen kargarik gabeko galerak are gehiago murriztuz.
1970eko hamarkadan, aleazio amorfo materialek lehen aldiz agertu ziren historian. 1974an, United Microelectronics Corporationek burdinetan oinarritutako aleazio amorfoak garatu zituen, eta 1978an, Estatu Batuek 10KVA-ko burdin nukleo amorfoko transformadoreak garatu zituzten. Material mota berri honek burdin galera oso txikia du, siliziozko altzairuzko xafla tradizionalen 1/3-1/5 baino ez, transformadoreentzako energia aurrezteko aro berri bat irekiz.
Burdin nukleoko materialen mota eta ezaugarri nagusiak
siliziozko altzairuzko xafla
Siliziozko altzairuzko xafla silizio-burdinazko aleazio magnetiko bigun bat da, karbono-eduki oso baxua duena, oro har. % 0,5-4,5eko silizio-edukiarekin. Silizioa gehitzeak burdinaren erresistentzia elektrikoa eta iragazkortasun magnetiko maximoa handitu ditzake, koertzibitatea, nukleo-galera eta zahartze magnetikoa murriztu. Siliziozko altzairuzko xaflak bi kategoriatan bana daitezke: beroan laminatuak eta hotzean laminatuak, eta hotzean laminatuak, berriz, orientatu eta ez-orientatu motetan banatzen dira.
Siliziozko altzairuzko xafla ez-orientatu hotzean laminatua % 0,5 ~ % 4,0ko (Si + Al) aleazio bat da, 0,65 mm, 0,5 mm eta 0,35 mm-ko lodieretan hotzean laminatua eta ondoren erregosi eta estali egiten dena. Bere ale-ehundura nahiko sakabanatua da, eta propietate magnetiko nahiko uniformeak ditu norabide guztietan.
Siliziozko altzairu orientatuak iragazkortasun magnetiko handia eta galera txikiko ezaugarriak ditu erraz magnetizatzeko norabidean, eta horrek transformadoreak bezalako potentzia-ekipo estatikoen eroankortasun magnetikoaren eskakizunak betetzen ditu. Siliziozko altzairu orientatu arruntaren (CGO) batez besteko aleen orientazio-desbideratze angelua 7 ° ingurukoa da, eta B8 saturazio-suszeptibilitate magnetikoaren balioa 1,82 Tesla baino handiagoa da; orientazio magnetiko handiko siliziozko altzairu orientatuaren (Hi-B) batez besteko aleen orientazio-desbideratze angelua 3 ° ingurukoa da, eta B8 balioa 1,90 Tesla baino handiagoa da.
aleazio amorfoa
Aleazio amorfoa material funtzional metaliko bat da, material matrizean ausaz banatutako atomoak dituena, eta "beirazko" konposizioa duena. Aleazio amorfo tipiko batek % 80 burdina dauka, eta gainerako osagaiak boroa eta silizioa dira. Material honek saturazio-indukzio magnetiko handiko indarra (1,54 T), iragazkortasun magnetiko handikoa, kitzikapen-korronte txikia eta burdin-galera oso txikia ditu ezaugarri.
Burdin-oinarritutako aleazio amorfoen burdin-galera siliziozko altzairuzko xaflen galeraren heren bat edo bosten bat baino ez da, eta horrek aleazio amorfoen transformadoreen kargarik gabeko galera % 70etik % 80ra murrizten du siliziozko altzairuzko transformadore tradizionalen aldean. Aleazio amorfoen saturazio-fluxu magnetikoaren dentsitatea nahiko baxua da (1,5 T inguru), beraz, fluxu magnetikoaren dentsitate nominala, oro har, 1,3-1,4 T gisa hautatzen da.
Aleazio amorfoaren zerrendaren lodiera oso mehea da, 0,03 mm-koa besterik ez, eta ondorioz, burdin amorfoaren nukleoaren laminazio-koefizientea % 80 ingurukoa baino ez da. Aleazio amorfoek siliziozko altzairuzko xaflek baino grabitate espezifiko txikiagoa badute ere, burdin nukleoaren pisua nahiko astuna da oraindik.
Nukleoaren egituraren diseinua
Transformadoreen nukleoaren egituraren diseinuak ere bilakaera nabarmena izan du. Lehenengo burdin nukleo laminatutik hasi eta C formako burdin nukleora, eta gero eraztun formako (burdin nukleo kiribildua) burdin nukleora, egitura bakoitzak bere ezaugarriak eta abantailak ditu.
Burdin nukleo zirkularra siliziozko altzairuzko zerrendak kiribilduz egiten da, erloju-malguki estu bat bezala. Burdin nukleo mota honek aire-tarterik gabeko zirkuitu magnetiko jarraitua du, eta horrek erresistentzia magnetiko txikia eta eraginkortasun handia ematen ditu. Ahalmen bereko transformadore laminatuekin alderatuta, transformadore toroidalek tamaina txikia, pisu arina eta ihes magnetiko txikia dituzte abantaila gisa.
Aleazio amorfozko transformadoreentzat, materialak mozteko zailtasuna dela eta, normalean burdinazko nukleo kiribilduen egitura gisa diseinatzen dira. Fase bakarreko transformadore baten nukleo-egitura marko bat da, eta hiru faseko transformadore baten nukleo-egitura, berriz, lau marko hiru faseko bost zutabeko egitura baten antzeko egitura batean batuz sortzen da. Egitura honek fase-harilketa bakoitza zirkuitu magnetikoaren bi marko independenteetan jartzea ahalbidetzen du, hirugarren harmonikoko fluxu magnetikoaren eragina eraginkortasunez ezabatuz.
Burdin nukleoko materialaren fabrikazio prozesua
Siliziozko altzairuzko xaflen fabrikazio prozesua konplexua da, batez ere siliziozko altzairuzko xafla orientatuena. Bere ekoizpen prozesua konplexua da, prozesu leihoa estua da eta ekoizpen zailtasuna handia da. "Altzairuzko produktuen artisautza" bezala ezagutzen da.
Siliziozko altzairuzko xafla ez-orientatu hotzen fabrikazio-prozesuak normalean honako hauek barne hartzen ditu: altzairuzko lingoteak beroan laminatzea edo lingoteak etengabe galdaketa egitea 2,3 mm inguruko lodierako bobinetan, ondoren azido bidezko garbiketa, hotzeko laminazioa, erreketa eta isolamendu-filmaren estaldura prozesuak. Silizio handiko produktuen kasuan, lehenik eta behin 800-850 ℃-tan normalizatu behar dira beroan laminatu ondoren, ondoren azido bidezko garbiketa, hotzeko laminazioa lodiera jakin bateraino, erreketa, azkenik hotzeko laminazioa murrizketa-tasa txikian, eta azkenik erreketa.
Aleazio amorfoak ekoizteko metodorik ohikoena kobrezko biraketa-marko baten gainean metal urtuaren lurruna ihinztatzea da, abiadura handian biraka dabilen metal urtua hoztu eta saihets meheetan solidotzen da 106 ℃/s-ko abiaduran. Tenplatzean sortutako barne-tentsio handia murriztu behar da 200 ℃ eta 280 ℃ artean erretuz, propietate magnetiko onak lortzeko.
Burdinezko nukleoko materialen energia aurrezteko onurak
Transformadoreak ugariak dira eta ahalmen handia dute potentzia-sisteman, eta horrek galera oso handiak eragiten ditu. Kalkulatzen da Txinako transformadoreen galera osoak sistemaren energia-sorkuntzaren % 10 inguru suposatzen duela. Galeren % 1eko murrizketa bakoitzak milaka milioi kilowatt-orduko elektrizitatea aurreztu dezake urtero.
Burdin amorfozko aleaziozko nukleoko transformadoreek energia aurrezteko efektu nabarmenak dituzte. SH12 serieko aleaziozko nukleoko transformadoreen kargarik gabeko galera % 75 inguru murrizten da S9 serieko siliziozko altzairuzko transformadoreekin alderatuta. Aleazio amorfozko transformadoreak transformadore tradizionalak baino garestiagoak diren arren, haien funtzionamendu-kostuak oso baxuak dira, eta inbertsioaren itzulera-epea, oro har, 2-5 urte bitartekoa da.
Shanghai, Jiangsu eta Zhejiang probintziek ordezkatutako eskualde ekonomikoki garatuek aleazio amorfozko transformadoreak hartu dituzte eskala handian. Jiangsu Electric Power Company-k etorkizunean linea berriak eta berrituak instalatzeko asmoa ere badu, eta aleazio amorfozko transformadoreen erabilera ez da % 30etik beherakoa izango.
Burdin nukleoko materialen garapen joera
Burdin nukleoko materialak burdin-galera txikiagorantz eta indukzio magnetiko handirantz garatzen ari dira. Siliziozko altzairuzko xaflei dagokienez, besteak beste, burdin-galera txikiko motor eraginkorretarako siliziozko altzairu ez-orientatua, burdin-galera ultra-txikiko indukzio magnetiko handiko siliziozko altzairu orientatua espezifikazio mehekoa, eta maiztasun ertain eta handiko energia aurrezteko etxetresna elektrikoetarako siliziozko altzairu handia.
Silizio handiko altzairuak (% 4,5~% 6,7 Si duen Si Fe aleazioa) ezaugarri hauek ditu: burdin galera nabarmen murriztua maiztasun altuetan, iragazkortasun magnetiko maximo handia eta koertzibitate baxua. Baina Si edukia altuegia du, eta plastizitatea oso eskasa da giro-tenperaturan, eta horrek zaildu egiten du ijeztea eta moldatzea. Gaur egun, % 6,5eko Si Fe aleazioko material ez-orientatuak silizio infiltrazio prozesuaren bidez prestatzen dira batez ere.
Nanomaterial eraldatuak eta biooinarritutako materialak ere etorkizuneko garapen-ildoetako bat dira. Ingurumen-babesaren eskaria gero eta handiagoa denez, burdinazko nukleoko materialen garapena, toxiko ez direnak, biodegradagarriak edo birziklagarriak direnak, ikerketa-ildo garrantzitsu bihurtuko da.
Ondorioa
Transformadoreen nukleo-materialen bilakaerak materialen zientziaren eta ingeniaritza elektrikoaren konbinazio perfektua ikusi du. Karbono-altzairu arruntetik hasi eta siliziozko altzairuzko xafletaraino, eta gero aleazio amorfoetaraino, material-aurrerapen guztiek nabarmen hobetu dute transformadoreen energia-eraginkortasun maila.
Gaur egungo munduan, energiaren aurrezpena eta isurien murrizketa adostasun global bihurtu diren honetan, burdinazko nukleoko materialen hautaketa ez dago soilik onura ekonomikoekin lotuta, baita ingurumen-erantzukizunarekin ere. Etorkizunean, material eta prozesu berriak etengabe agertzen direnez, transformadoreen nukleoak galera txikiagoak eta eraginkortasun handiagoak lortzeko garatzen jarraituko dute, energia-sistema berde eta karbono gutxiko baten eraikuntzan lagunduz.
Argitaratze data: 2025eko abuztuak 29
