Si “zemra” e një transformatori, bërthama e hekurit luan një rol vendimtar në shndërrimin e energjisë elektromagnetike. Ajo jo vetëm që ndikon në performancën e efikasitetit energjetik të transformatorëve, por lidhet drejtpërdrejt edhe me vëllimin, peshën dhe besueshmërinë operative të pajisjeve. Evolucioni i materialeve të bërthamës së hekurit, nga hekuri i pastër industrial te lidhjet amorfe sot, ka dëshmuar zhvillimin e lavdishëm të teknologjisë së transformatorëve.
Funksioni kryesor dhe kërkesat e performancës së bërthamës së hekurit
Funksioni kryesor i bërthamës së transformatorit është të sigurojë një qark magnetik efikas, duke lejuar që energjia elektrike të transmetohet midis qarqeve të ndryshme nëpërmjet parimit të induksionit elektromagnetik. Performanca e bërthamës së hekurit ndikon drejtpërdrejt në treguesit teknikë dhe ekonomikë të transformatorit. Kërkesat themelore për materialet e bërthamës së hekurit janë: humbje e ulët e bërthamës së hekurit në një frekuencë dhe dendësi të caktuar të fluksit magnetik, dhe dendësi e lartë e fluksit magnetik në një forcë të caktuar të fushës magnetike.
Humbja e bërthamës përfshin dy pjesë: humbjen e histerezës dhe humbjen e rrymës së vorbullës. Humbja e histerezës lidhet me vështirësinë e magnetizimit të materialit, ndërsa humbja e rrymës së vorbullës shkaktohet nga rryma qarkulluese e induktuar nga fluksi magnetik alternativ në bërthamën e hekurit. Për të zvogëluar këto humbje, materialet ideale të bërthamës së hekurit duhet të kenë rezistencë të lartë elektrike, përshkueshmëri të lartë magnetike dhe koercitivitet të ulët.
Procesi i evolucionit të materialeve të bërthamës së hekurit
Zhvillimi i materialeve të bërthamave të transformatorëve ka kaluar nëpër një udhëtim të gjatë dhe emocionues. Bërthamat e para të transformatorëve përdornin tela çeliku të zakonshëm karboni ose çelik karboni si materiale magnetike. Në vitin 1885, fabrika Gunz në Hungari zhvilloi transformatorin e parë njëfazor me një qark magnetik të mbyllur, dhe bërthama e tij prej hekuri ishte bërë nga ky lloj materiali.
Në vitin 1900, RA Hadfield, një anglez, dhe të tjerë zbuluan se shtimi i silikonit në çelikun e butë mund të përmirësojë rezistencën, të zvogëlojë humbjet nga rrymat vorbull dhe histereza, dhe të lehtësojë fenomenin e "plakjes së bërthamës". Në vitin 1903, Shtetet e Bashkuara dhe Gjermania filluan të prodhonin fletë çeliku silikoni të petëzuara në të nxehtë, duke shënuar fillimin e epokës së fletëve të çelikut silikoni.
Fletët e çelikut silikon të petëzuara në të nxehtë kanë probleme të tilla si performanca e pabarabartë dhe humbjet e larta. Në vitet 1930, u bënë përparime në teknologjinë e fletëve të çelikut silikon të petëzuara në të ftohtë. Në vitin 1933, Gauss përdori dy metoda të petëzimit në të ftohtë dhe kalitjes për të prodhuar çelik 3% Si me veti të larta magnetike përgjatë drejtimit të petëzimit. Në vitin 1935, Armco Steel Company e Shteteve të Bashkuara bashkëpunoi me Westinghouse Company për të filluar prodhimin e çelikut silikon të orientuar të petëzuar në të ftohtë.
Pas viteve 1960, vendet kryesore të industrializuara gradualisht ndaluan prodhimin e fletëve të çelikut silikon të petëzuara në të nxehtë dhe iu drejtuan fletëve të çelikut silikon të petëzuara në të ftohtë me performancë më të mirë. Në vitin 1964, Nippon Steel Corporation e Japonisë zhvilloi fletë çeliku silikon të petëzuara në të ftohtë të orientuara me kokrriza me përshkueshmëri të lartë (çelik Hi-B), duke zvogëluar më tej humbjet pa ngarkesë të transformatorëve.
Në vitet 1970, materialet e aliazheve amorfe debutuan në skenën historike. Në vitin 1974, United Microelectronics Corporation zhvilloi aliazhe amorfe me bazë hekuri, dhe në vitin 1978, Shtetet e Bashkuara zhvilluan transformatorë me bërthamë hekuri amorfe 10KVA. Ky lloj i ri materiali ka karakteristikën e humbjes jashtëzakonisht të ulët të hekurit, vetëm 1/3-1/5 e fletëve tradicionale të çelikut të silikonit, duke hapur një epokë të re të kursimit të energjisë për transformatorët.
Llojet dhe karakteristikat kryesore të materialeve të bërthamës së hekurit
fletë çeliku silikoni
Fleta e çelikut prej silikoni është një aliazh i butë magnetik i hekurit prej silikoni me përmbajtje jashtëzakonisht të ulët karboni, përgjithësisht me një përmbajtje silikoni prej 0.5-4.5%. Shtimi i silikonit mund të rrisë rezistencën elektrike dhe përshkueshmërinë maksimale magnetike të hekurit, të zvogëlojë koercitivitetin, humbjen e bërthamës dhe plakjen magnetike. Fletët e çelikut prej silikoni mund të ndahen në dy kategori: të petëzuara në të nxehtë dhe të petëzuara në të ftohtë, me ato të petëzuara në të ftohtë që ndahen më tej në lloje të orientuara dhe jo të orientuara.
Fleta e çelikut silikoni jo e orientuar e petëzuar në të ftohtë i referohet një aliazh prej 0.5%~4.0% (Si+Al), i cili petëzohet në të ftohtë deri në 0.65 mm, 0.5 mm dhe 0.35 mm dhe më pas kalitet dhe veshet për ta bërë atë. Lloji i strukturës së kokrrizave të tij është relativisht i shpërndarë dhe ka veti magnetike relativisht uniforme në të gjitha drejtimet.
Çeliku i silikonit të orientuar ka karakteristika të përshkueshmërisë së lartë magnetike dhe humbjeve të ulëta në drejtimin lehtësisht të magnetizueshëm, gjë që përmbush kërkesat e përçueshmërisë magnetike të pajisjeve statike të energjisë siç janë transformatorët. Këndi mesatar i devijimit të orientimit të kokrrizave të çelikut të silikonit të orientuar të zakonshëm (CGO) është rreth 7 °, dhe vlera e ndjeshmërisë magnetike të ngopjes B8 është mbi 1.82 Tesla; Këndi mesatar i devijimit të orientimit të kokrrizave të çelikut të silikonit të orientuar me orientim të lartë magnetik (Hi-B) është rreth 3 °, dhe vlera B8 është mbi 1.90 Tesla.
aliazh amorf
Lidhja amorfe është një material funksional metalik me atome të shpërndara rastësisht në matricën e materialit, që zotëron një përbërje "qelqore". Një lidhje tipike amorfe përmban 80% hekur, me përbërësit e mbetur që janë bor dhe silic. Ky material ka karakteristikat e forcës së lartë të induksionit magnetik të ngopjes (1.54T), përshkueshmërisë së lartë magnetike, rrymës së ulët të ngacmimit dhe humbjes jashtëzakonisht të ulët të hekurit.
Humbja e hekurit e lidhjeve amorfe me bazë hekuri është vetëm një e treta deri në një të pestën e asaj të fletëve të çelikut të silikonit të orientuar, gjë që zvogëlon humbjen pa ngarkesë të transformatorëve të lidhjeve amorfe me 70% deri në 80% krahasuar me transformatorët tradicionalë të çelikut të silikonit. Dendësia e fluksit magnetik të ngopjes së lidhjeve amorfe është relativisht e ulët (rreth 1.5T), kështu që dendësia e vlerësuar e fluksit magnetik zgjidhet përgjithësisht si 1.3-1.4T.
Trashësia e shiritit të aliazhit amorf është jashtëzakonisht e hollë, vetëm 0.03 mm, duke rezultuar në një koeficient petëzimi prej vetëm rreth 80% për bërthamën e hekurit amorf. Edhe pse aliazhet amorfe kanë një gravitet specifik më të ulët se fletët e çelikut të silikonit, pesha e bërthamës së hekurit është ende relativisht e rëndë.
Projektimi i strukturës kryesore
Projektimi i strukturës së bërthamës së transformatorit ka pësuar gjithashtu një evolucion të rëndësishëm. Nga bërthama më e hershme e hekurit të petëzuar, te bërthama e hekurit në formë C, dhe më pas te bërthama e hekurit në formë unaze (bërthama e hekurit të mbështjellë), secila strukturë ka karakteristikat dhe avantazhet e veta.
Bërthama rrethore e hekurit është bërë duke mbështjellë shirita çeliku silikoni, si një sustë ore e mbështjellë fort. Ky lloj bërthame hekuri ka një qark magnetik të vazhdueshëm pa boshllëqe ajri, duke rezultuar në rezistencë të ulët magnetike dhe efikasitet të lartë. Krahasuar me transformatorët e petëzuar me të njëjtin kapacitet, transformatorët toroidalë kanë avantazhet e madhësisë së vogël, peshës së lehtë dhe rrjedhjes së ulët magnetike.
Për transformatorët e aliazhit amorf, për shkak të vështirësisë së prerjes së materialeve të tyre, ato zakonisht projektohen si struktura me bërthamë hekuri të mbështjellë. Struktura e bërthamës së një transformatori njëfazor është një kornizë, ndërsa struktura e bërthamës së një transformatori trefazor formohet duke bashkuar katër korniza në një strukturë të ngjashme me një strukturë trefazore me pesë kolona. Kjo strukturë mundëson që secila dredhje faze të vendoset në dy korniza të pavarura të qarkut magnetik, duke eliminuar në mënyrë efektive ndikimin e fluksit magnetik harmonik të tretë.
Procesi i prodhimit të materialit të bërthamës së hekurit
Procesi i prodhimit të fletëve të çelikut silikon është kompleks, veçanërisht fletët e çelikut silikon të orientuara. Procesi i prodhimit është kompleks, dritarja e procesit është e ngushtë dhe vështirësia e prodhimit është e lartë. Njihet si "artizanati i produkteve të çelikut".
Procesi i prodhimit të fletëve të çelikut silikoni jo të orientuar të petëzuara në të ftohtë zakonisht përfshin: petëzim të nxehtë të shufrave të çelikut ose shufra të derdhura vazhdimisht në spirale me një trashësi prej rreth 2.3 mm, e ndjekur nga larja me acid, petëzimi në të ftohtë, kalitja dhe proceset e veshjes së filmit izolues. Për produktet me përmbajtje të lartë silikoni, është e nevojshme që së pari t'i normalizojmë ato në 800-850 ℃ pas petëzimit në të nxehtë, e ndjekur nga larja me acid, petëzimi në të ftohtë deri në një trashësi të caktuar, kalitja, pastaj petëzimi në të ftohtë me një shkallë të ulët reduktimi dhe së fundmi kalitja përfundimtare.
Metoda më e zakonshme për prodhimin e lidhjeve amorfe është spërkatja e avullit të metalit të shkrirë mbi një kornizë dredha-dredha bakri që rrotullohet me shpejtësi të lartë, dhe metali i shkrirë ftohet dhe ngurtësohet në brinjë të holla me një shpejtësi prej 106 ℃/s. Stresi i lartë i brendshëm i formuar nga shuarja duhet të reduktohet me anë të kalitjes midis 200 ℃ dhe 280 ℃ për të përftuar veti të mira magnetike.
Përfitimet e kursimit të energjisë nga materialet me bërthamë hekuri
Transformatorët janë të shumtë dhe kanë një kapacitet të madh në sistemin energjetik, duke rezultuar në humbje totale të konsiderueshme. Është vlerësuar se humbja totale e transformatorëve në Kinë përbën rreth 10% të prodhimit të energjisë së sistemit. Çdo ulje prej 1% e humbjeve mund të kursejë miliarda kilovat orë energji elektrike në vit.
Transformatorët me bërthamë hekuri me aliazh amorf kanë efekte të konsiderueshme në kursimin e energjisë. Humbja pa ngarkesë e transformatorëve me bërthamë aliazh amorf të serisë SH12 zvogëlohet me rreth 75% krahasuar me transformatorët e çelikut silikon të serisë S9. Edhe pse transformatorët me aliazh amorf janë më të shtrenjtë se transformatorët tradicionalë, kostot e tyre operative janë jashtëzakonisht të ulëta dhe periudha e kthimit të investimit është përgjithësisht midis 2-5 vjetësh.
Rajonet e zhvilluara ekonomikisht të përfaqësuara nga provincat e Shangait, Jiangsu dhe Zhejiang kanë përdorur transformatorë të aliazhit amorf në shkallë të gjerë. Kompania e Energjisë Elektrike Jiangsu madje planifikon të instalojë linja të reja dhe të rinovuara në të ardhmen, dhe përdorimi i transformatorëve të aliazhit amorf nuk duhet të jetë më pak se 30%.
Trendi i zhvillimit të materialeve të bërthamës së hekurit
Materialet me bërthamë hekuri po zhvillohen drejt humbjes së ulët të hekurit dhe induksionit të lartë magnetik. Për fletët e çelikut silikon, duke përfshirë çelikun silikon jo të orientuar për motorë me humbje të ulët hekuri dhe efikasitet të lartë, çelikun silikon të orientuar me specifikime të holla dhe humbje ultra të ulëta hekuri me induksion të lartë magnetik, dhe çelikun silikon të lartë për pajisje elektrike me kursim energjie me frekuencë të mesme dhe të lartë.
Çeliku me silikon të lartë (aliazh Si-Fe me 4.5%~6.7% Si) ka karakteristikat e humbjes së hekurit të reduktuar ndjeshëm në frekuenca të larta, përshkueshmërisë maksimale magnetike të lartë dhe koercitivitetit të ulët. Por përmbajtja e tij e Si është shumë e lartë dhe plasticiteti i tij është jashtëzakonisht i dobët në temperaturë ambienti, duke e bërë të vështirë rrokullisjen dhe formimin e tij. Aktualisht, materialet e aliazhit jo të orientuar me 6.5% Si-Fe përgatiten kryesisht përmes procesit të infiltrimit të silikonit.
Materialet nano të modifikuara dhe materialet me bazë biologjike janë gjithashtu një nga drejtimet e zhvillimit në të ardhmen. Me kërkesën në rritje për mbrojtje të mjedisit, zhvillimi i materialeve jo-toksike, të biodegradueshme ose të riciklueshme për bërthamë hekuri do të bëhet një drejtim i rëndësishëm kërkimor.
Përfundim
Evolucioni i materialeve të bërthamës së transformatorëve ka dëshmuar kombinimin perfekt të shkencës së materialeve dhe inxhinierisë elektrike. Nga çeliku i zakonshëm i karbonit te fletët e çelikut të silikonit dhe më pas te lidhjet amorfe, çdo përparim në materiale ka përmirësuar ndjeshëm nivelin e efikasitetit energjetik të transformatorëve.
Në botën e sotme ku ruajtja e energjisë dhe ulja e emetimeve janë bërë një konsensus global, përzgjedhja e materialeve efikase për bërthamën e hekurit nuk lidhet vetëm me përfitimet ekonomike, por edhe me një përgjegjësi mjedisore. Në të ardhmen, me shfaqjen e vazhdueshme të materialeve dhe proceseve të reja, bërthamat e transformatorëve do të vazhdojnë të zhvillohen drejt humbjeve më të ulëta dhe efikasitetit më të lartë, duke kontribuar në ndërtimin e një sistemi energjie të gjelbër dhe me karbon të ulët.
Koha e postimit: 29 gusht 2025
