ტრანსფორმატორის რკინის ბირთვის დეტალური ახსნა ორიგინალი: სიმძლავრის ტრანსფორმატორების ხედვა

ტრანსფორმატორის „გული“, რკინის ბირთვი გადამწყვეტ როლს ასრულებს ელექტრომაგნიტური ენერგიის გარდაქმნაში. ის არა მხოლოდ გავლენას ახდენს ტრანსფორმატორების ენერგოეფექტურობაზე, არამედ პირდაპირ კავშირშია აღჭურვილობის მოცულობასთან, წონასთან და ექსპლუატაციის საიმედოობასთან. რკინის ბირთვის მასალების ევოლუციამ, სამრეწველო სუფთა რკინიდან დღევანდელ ამორფულ შენადნობებამდე, ტრანსფორმატორის ტექნოლოგიის დიდებული განვითარების მოწმე გახდა.

რკინის ბირთვის ძირითადი ფუნქცია და შესრულების მოთხოვნები
ტრანსფორმატორის ბირთვის მთავარი ფუნქციაა ეფექტური მაგნიტური წრედის უზრუნველყოფა, რაც საშუალებას იძლევა ელექტრომაგნიტური ინდუქციის პრინციპის მეშვეობით ელექტროენერგიის გადაცემა სხვადასხვა წრედებს შორის. რკინის ბირთვის მუშაობა პირდაპირ გავლენას ახდენს ტრანსფორმატორის ტექნიკურ და ეკონომიკურ მაჩვენებლებზე. რკინის ბირთვის მასალების ძირითადი მოთხოვნებია: რკინის ბირთვის დაბალი დანაკარგები გარკვეული სიხშირისა და მაგნიტური ნაკადის სიმკვრივის დროს და მაღალი მაგნიტური ნაკადის სიმკვრივე გარკვეული მაგნიტური ველის სიძლიერის დროს.
ბირთვის დანაკარგი ორ ნაწილს მოიცავს: ჰისტერეზისული დანაკარგი და მორევული დენის დანაკარგი. ჰისტერეზისული დანაკარგი დაკავშირებულია მასალის მაგნიტიზაციის სირთულესთან, ხოლო მორევული დენის დანაკარგი გამოწვეულია რკინის ბირთვში მაგნიტური ნაკადის მონაცვლეობით გამოწვეული ცირკულაციური დენით. ამ დანაკარგების შესამცირებლად, იდეალურ რკინის ბირთვის მასალებს უნდა ჰქონდეთ მაღალი ელექტრული წინაღობა, მაღალი მაგნიტური გამტარობა და დაბალი კოერციულობა.

რკინის ბირთვის მასალების ევოლუციის პროცესი
ტრანსფორმატორის ბირთვის მასალების შემუშავებას ხანგრძლივი და საინტერესო გზა გაევლო. ტრანსფორმატორის უძველეს ბირთვებში მაგნიტურ მასალებად ჩვეულებრივი ნახშირბადოვანი ფოლადის მავთული ან ნახშირბადოვანი ფოლადი გამოიყენებოდა. 1885 წელს უნგრეთში, გიუნცის ქარხანამ შეიმუშავა პირველი ერთფაზიანი ტრანსფორმატორი დახურული მაგნიტური წრედით, რომლის რკინის ბირთვიც ამ ტიპის მასალისგან იყო დამზადებული.

1900 წელს ინგლისელმა რ.ა. ჰედფილდმა და სხვებმა აღმოაჩინეს, რომ რბილ ფოლადში სილიციუმის დამატებამ შეიძლება გააუმჯობესოს წინაღობა, შეამციროს მორევული დენის და ჰისტერეზისის დანაკარგები და შეამსუბუქოს „ბირთვული დაბერების“ ფენომენი. 1903 წელს შეერთებულმა შტატებმა და გერმანიამ დაიწყეს ცხელი ნაგლინი სილიციუმის ფოლადის ფურცლების წარმოება, რამაც სილიციუმის ფოლადის ფურცლების ეპოქის დასაწყისი აღნიშნა.
ცხელ ნაგლინი სილიკონის ფოლადის ფურცლებს ისეთი პრობლემები აქვთ, როგორიცაა არათანაბარი მუშაობა და მაღალი დანაკარგები. 1930-იან წლებში ცივი ნაგლინი სილიკონის ფოლადის ფურცლების ტექნოლოგიაში გარღვევა მოხდა. 1933 წელს გაუსმა გამოიყენა ცივი გლინვისა და გამოწვის ორი მეთოდი, რათა მიეღო 3%-იანი Si შემცველი ფოლადი, რომელსაც მაღალი მაგნიტური თვისებები ჰქონდა გლინვის მიმართულებით. 1935 წელს შეერთებული შტატების Armco Steel Company-მ Westinghouse Company-სთან ითანამშრომლა ცივი ნაგლინი ორიენტირებული სილიკონის ფოლადის წარმოების დასაწყებად.

1960-იანი წლების შემდეგ, მსხვილმა ინდუსტრიულმა ქვეყნებმა თანდათან შეწყვიტეს ცხლად ნაგლინი სილიციუმის ფოლადის ფურცლების წარმოება და გადავიდნენ ცივად ნაგლინ სილიციუმის ფოლადის ფურცლებზე, რომლებსაც უკეთესი მახასიათებლები ჰქონდათ. 1964 წელს იაპონიის Nippon Steel Corporation-მა შეიმუშავა მაღალი გამტარიანობის მარცვლოვანი ორიენტირებული ცივად ნაგლინი სილიციუმის ფოლადის ფურცლები (Hi-B ფოლადი), რამაც კიდევ უფრო შეამცირა ტრანსფორმატორების დატვირთვის გარეშე დანაკარგები.
1970-იან წლებში ამორფული შენადნობების მასალები ისტორიულ ასპარეზზე გამოჩნდა. 1974 წელს United Microelectronics Corporation-მა შეიმუშავა რკინაზე დაფუძნებული ამორფული შენადნობები, ხოლო 1978 წელს შეერთებულმა შტატებმა შეიმუშავა 10 კვა სიმძლავრის ამორფული რკინის ბირთვიანი ტრანსფორმატორები. ამ ახალი ტიპის მასალას ახასიათებს რკინის უკიდურესად დაბალი დანაკარგი, ტრადიციული სილიკონის ფოლადის ფურცლების მხოლოდ 1/3-1/5, რამაც ტრანსფორმატორებისთვის ენერგიის დაზოგვის ახალი ერა გახსნა.

რკინის ბირთვის მასალების ძირითადი ტიპები და მახასიათებლები
სილიკონის ფოლადის ფურცელი
სილიკონის ფოლადის ფურცელი არის სილიკონის რკინის რბილი მაგნიტური შენადნობი უკიდურესად დაბალი ნახშირბადის შემცველობით, ზოგადად სილიციუმის შემცველობით 0.5-4.5%. სილიციუმის დამატებამ შეიძლება გაზარდოს რკინის ელექტრული წინაღობა და მაქსიმალური მაგნიტური გამტარობა, შეამციროს კოერციულობა, ბირთვის დანაკარგი და მაგნიტური დაბერება. სილიკონის ფოლადის ფურცლები შეიძლება დაიყოს ორ კატეგორიად: ცხლად ნაგლინი და ცივად ნაგლინი, ხოლო ცივად ნაგლინი იყოფა ორიენტირებულ და არაორიენტირებულ ტიპებად.
ცივად ნაგლინი არაორიენტირებული სილიკონის ფოლადის ფურცელი გულისხმობს 0.5%-4.0% (Si+Al) შენადნობს, რომელიც ცივად არის ნაგლინი 0.65 მმ, 0.5 მმ და 0.35 მმ სისქემდე და შემდეგ გახურებულია და დაფარულია დასამზადებლად. მისი მარცვლოვანი ტექსტურა შედარებით გაფანტულია და ყველა მიმართულებით შედარებით ერთგვაროვანი მაგნიტური თვისებები აქვს.

ორიენტირებულ სილიციუმის ფოლადს აქვს მაღალი მაგნიტური გამტარიანობა და დაბალი დანაკარგების მახასიათებლები ადვილად მაგნიტიზირებადი მიმართულებით, რაც აკმაყოფილებს სტატიკური ენერგიის მოწყობილობების, როგორიცაა ტრანსფორმატორები, მაგნიტური გამტარობის მოთხოვნებს. ჩვეულებრივი ორიენტირებული სილიციუმის ფოლადის (CGO) მარცვლების ორიენტაციის საშუალო გადახრის კუთხე დაახლოებით 7°-ია, ხოლო გაჯერების მაგნიტური მგრძნობელობის მნიშვნელობა B8 1.82 ტესლაზე მეტია; მაღალი მაგნიტური ორიენტაციით ორიენტირებული სილიციუმის ფოლადის (Hi-B) მარცვლების ორიენტაციის საშუალო გადახრის კუთხე დაახლოებით 3°-ია, ხოლო B8 მნიშვნელობა 1.90 ტესლაზე მეტია.

ამორფული შენადნობი
ამორფული შენადნობი არის მეტალის ფუნქციური მასალა, რომლის ატომები შემთხვევით არის განაწილებული მასალის მატრიცაში და აქვს „მინისებრი“ შემადგენლობა. ტიპიური ამორფული შენადნობი შეიცავს 80% რკინას, დანარჩენი კომპონენტებია ბორი და სილიციუმი. ამ მასალას ახასიათებს მაღალი გაჯერების მაგნიტური ინდუქციის სიძლიერე (1.54T), მაღალი მაგნიტური გამტარობა, დაბალი აგზნების დენი და უკიდურესად დაბალი რკინის დანაკარგი.
რკინაზე დაფუძნებული ამორფული შენადნობების რკინის დანაკარგი ორიენტირებული სილიციუმის ფოლადის ფურცლების რკინის დანაკარგის მხოლოდ ერთი მესამედიდან ერთ მეხუთედამდეა, რაც ამორფული შენადნობის ტრანსფორმატორების დატვირთვის გარეშე დანაკარგს ტრადიციულ სილიციუმის ფოლადის ტრანსფორმატორებთან შედარებით 70%-დან 80%-მდე ამცირებს. ამორფული შენადნობების გაჯერების მაგნიტური ნაკადის სიმკვრივე შედარებით დაბალია (დაახლოებით 1.5 ტ), ამიტომ ნომინალური მაგნიტური ნაკადის სიმკვრივე ზოგადად 1.3-1.4 ტ-ის ფარგლებშია შერჩეული.
ამორფული შენადნობის ზოლის სისქე უკიდურესად თხელია, მხოლოდ 0.03 მმ, რაც ამორფული რკინის ბირთვის ლამინირების კოეფიციენტს მხოლოდ დაახლოებით 80%-ს შეადგენს. მიუხედავად იმისა, რომ ამორფულ შენადნობებს სილიციუმის ფოლადის ფურცლებთან შედარებით უფრო დაბალი სპეციფიკური წონა აქვთ, რკინის ბირთვის წონა მაინც შედარებით მძიმეა.

ძირითადი სტრუქტურის დიზაინი
ტრანსფორმატორის ბირთვის სტრუქტურის დიზაინმაც მნიშვნელოვანი ევოლუცია განიცადა. უძველესი ლამინირებული რკინის ბირთვიდან დაწყებული C-ფორმის რკინის ბირთვით და შემდეგ რგოლის ფორმის (დახვეული რკინის ბირთვით) რკინის ბირთვით დამთავრებული, თითოეულ სტრუქტურას აქვს საკუთარი მახასიათებლები და უპირატესობები.
წრიული რკინის ბირთვი დამზადებულია სილიკონის ფოლადის ზოლების დახვევით, მჭიდროდ დახვეული საათის ზამბარის მსგავსად. ამ ტიპის რკინის ბირთვს აქვს უწყვეტი მაგნიტური წრედი ჰაერის ნაპრალების გარეშე, რაც იწვევს დაბალ მაგნიტურ წინააღმდეგობას და მაღალ ეფექტურობას. იგივე სიმძლავრის ლამინირებულ ტრანსფორმატორებთან შედარებით, ტოროიდულ ტრანსფორმატორებს აქვთ მცირე ზომის, მსუბუქი წონის და დაბალი მაგნიტური გაჟონვის უპირატესობები.
ამორფული შენადნობის ტრანსფორმატორები, მათი მასალების დაჭრის სირთულის გამო, ისინი, როგორც წესი, დაპროექტებულია დახვეული რკინის ბირთვის მქონე სტრუქტურების სახით. ერთფაზიანი ტრანსფორმატორის ბირთვის სტრუქტურა არის ჩარჩო, ხოლო სამფაზიანი ტრანსფორმატორის ბირთვის სტრუქტურა ყალიბდება ოთხი ჩარჩოს შერწყმით სამფაზიანი ხუთსვეტიანი სტრუქტურის მსგავს სტრუქტურაში. ეს სტრუქტურა საშუალებას იძლევა თითოეული ფაზის გრაგნილი განთავსდეს მაგნიტური წრედის ორ დამოუკიდებელ ჩარჩოზე, რაც ეფექტურად გამორიცხავს მესამე ჰარმონიული მაგნიტური ნაკადის გავლენას.

რკინის ბირთვის მასალის წარმოების პროცესი
სილიკონის ფოლადის ფურცლების წარმოების პროცესი რთულია, განსაკუთრებით ორიენტირებული სილიკონის ფოლადის ფურცლების. მისი წარმოების პროცესი რთულია, პროცესის ფანჯარა ვიწროა და წარმოების სირთულე მაღალია. იგი ცნობილია, როგორც „ფოლადის ნაწარმის ხელნაკეთობა“.
ცივი ნაგლინი არაორიენტირებული სილიკონის ფოლადის ფურცლების წარმოების პროცესი, როგორც წესი, მოიცავს: ფოლადის ნაჭრების ან უწყვეტი ჩამოსხმის ნაჭრების ცხელ გლინვას დაახლოებით 2.3 მმ სისქის ხვეულებად, რასაც მოჰყვება მჟავათი რეცხვა, ცივი გლინვა, გამოწვა და საიზოლაციო აპკის დაფარვის პროცესები. მაღალი სილიკონის შემცველობის მქონე პროდუქტებისთვის, ცხელი გლინვის შემდეგ, აუცილებელია მათი ნორმალიზაცია ჯერ 800-850 ℃ ტემპერატურაზე, შემდეგ მჟავათი რეცხვა, გარკვეული სისქის ცივი გლინვა, გამოწვა, შემდეგ ცივი გლინვა დაბალი შემცირების სიჩქარით და ბოლოს საბოლოო გამოწვა.
ამორფული შენადნობების წარმოების ყველაზე გავრცელებული მეთოდია გამდნარი ლითონის ორთქლის შესხურება მაღალსიჩქარიან მბრუნავ სპილენძის ხვეულის ჩარჩოზე, რის შემდეგაც გამდნარი ლითონი გაცივდება და მყარდება თხელ ნეკნებად 106 ℃/წმ სიჩქარით. კარგი მაგნიტური თვისებების მისაღებად, ჩაქრობის შედეგად წარმოქმნილი მაღალი შიდა სტრესი უნდა შემცირდეს 200 ℃-დან 280 ℃-მდე ტემპერატურაზე გახურებით.

რკინის ბირთვის მასალების ენერგოდაზოგვის უპირატესობები
ტრანსფორმატორები მრავალრიცხოვანია და მათ ენერგოსისტემაში დიდი სიმძლავრე აქვთ, რაც მნიშვნელოვან საერთო დანაკარგებს იწვევს. დადგენილია, რომ ჩინეთში ტრანსფორმატორების საერთო დანაკარგი სისტემის ელექტროენერგიის გამომუშავების დაახლოებით 10%-ს შეადგენს. დანაკარგების ყოველი 1%-ით შემცირება ყოველწლიურად მილიარდობით კილოვატ/საათ ელექტროენერგიას დაზოგავს.
ამორფული შენადნობის რკინის ბირთვიანი ტრანსფორმატორები მნიშვნელოვან ენერგოდამზოგავ ეფექტს ავლენენ. SH12 სერიის ამორფული შენადნობის ბირთვიანი ტრანსფორმატორების დატვირთვის გარეშე დანაკარგები დაახლოებით 75%-ით მცირდება S9 სერიის სილიციუმის ფოლადის ტრანსფორმატორებთან შედარებით. მიუხედავად იმისა, რომ ამორფული შენადნობის ტრანსფორმატორები ტრადიციულ ტრანსფორმატორებთან შედარებით უფრო ძვირია, მათი ექსპლუატაციის ხარჯები უკიდურესად დაბალია და ინვესტიციის ანაზღაურების პერიოდი, როგორც წესი, 2-5 წელია.
ეკონომიკურად განვითარებულმა რეგიონებმა, რომლებიც წარმოდგენილნი არიან შანხაის, ძიანგსუს და ჟეჯიანგის პროვინციებით, ფართო მასშტაბით დანერგეს ამორფული შენადნობის ტრანსფორმატორები. ძიანგსუს ელექტროენერგეტიკული კომპანია მომავალში ახალი და განახლებული ხაზების დამონტაჟებასაც კი გეგმავს, ხოლო ამორფული შენადნობის ტრანსფორმატორების გამოყენება 30%-ზე ნაკლები არ უნდა იყოს.

რკინის ბირთვის მასალების განვითარების ტენდენცია
რკინის ბირთვის მასალები ვითარდება დაბალი რკინის დანაკარგებისა და მაღალი მაგნიტური ინდუქციის მიმართულებით. სილიკონის ფოლადის ფურცლებისთვის, მათ შორის არაორიენტირებული სილიკონის ფოლადი დაბალი რკინის დანაკარგებით, მაღალი ეფექტურობის ძრავებისთვის, თხელი სპეციფიკაციის ულტრადაბალი რკინის დანაკარგებით, მაღალი მაგნიტური ინდუქციით, ორიენტირებული სილიკონის ფოლადი და მაღალი სილიკონის ფოლადი საშუალო და მაღალი სიხშირის ენერგოდამზოგავი ელექტრომოწყობილობებისთვის.
მაღალი სილიციუმის შემცველობის ფოლადს (Si-Fe შენადნობი 4.5%~6.7% Si-თან ერთად) ახასიათებს მნიშვნელოვნად შემცირებული რკინის დანაკარგი მაღალ სიხშირეებზე, მაღალი მაქსიმალური მაგნიტური გამტარიანობა და დაბალი კოერციულობა. თუმცა, მისი Si შემცველობა ძალიან მაღალია და მისი პლასტიურობა ოთახის ტემპერატურაზე უკიდურესად ცუდია, რაც ართულებს მის გლინვას და ფორმირებას. ამჟამად, არაორიენტირებული 6.5% Si-Fe შენადნობის მასალები ძირითადად მზადდება სილიციუმის ინფილტრაციის პროცესით.
ნანომოდიფიცირებული მასალები და ბიომასალები ასევე წარმოადგენს სამომავლო განვითარების ერთ-ერთ მიმართულებას. გარემოს დაცვის მზარდი მოთხოვნის გათვალისწინებით, არატოქსიკური, ბიოდეგრადირებადი ან გადამუშავებადი რკინის ბირთვის მასალების შემუშავება მნიშვნელოვან კვლევით მიმართულებად იქცევა.

დასკვნა
ტრანსფორმატორის ბირთვის მასალების ევოლუციამ მასალათმცოდნეობისა და ელექტროტექნიკის იდეალური შერწყმის მოწმე გახდა. ჩვეულებრივი ნახშირბადოვანი ფოლადისგან დაწყებული სილიკონის ფოლადის ფურცლებითა და შემდეგ ამორფული შენადნობებით დამთავრებული, მასალის თითოეულმა გარღვევამ მნიშვნელოვნად გააუმჯობესა ტრანსფორმატორების ენერგოეფექტურობის დონე.
დღევანდელ სამყაროში, სადაც ენერგიის დაზოგვა და ემისიების შემცირება გლობალურ კონსენსუსად იქცა, ეფექტური რკინის ბირთვის მასალების შერჩევა არა მხოლოდ ეკონომიკურ სარგებელთანაა დაკავშირებული, არამედ გარემოსდაცვით პასუხისმგებლობასთანაც. მომავალში, ახალი მასალებისა და პროცესების მუდმივი გაჩენის გამო, ტრანსფორმატორის ბირთვები გააგრძელებენ განვითარებას დაბალი დანაკარგებისა და მაღალი ეფექტურობისკენ, რაც ხელს შეუწყობს მწვანე და დაბალნახშირბადიანი ენერგეტიკული სისტემის მშენებლობას.