Sebagai "jantung" transformer, teras besi memainkan peranan penting dalam penukaran tenaga elektromagnet. Ia bukan sahaja mempengaruhi prestasi kecekapan tenaga transformer, tetapi juga berkaitan secara langsung dengan isipadu, berat dan kebolehpercayaan operasi peralatan. Evolusi bahan teras besi, daripada besi tulen perindustrian kepada aloi amorfus hari ini, telah menyaksikan perkembangan teknologi transformer yang gemilang.
Fungsi teras dan keperluan prestasi teras besi
Fungsi utama teras transformer adalah untuk menyediakan litar magnet yang cekap, yang membolehkan tenaga elektrik dihantar antara litar yang berbeza melalui prinsip aruhan elektromagnet. Prestasi teras besi secara langsung mempengaruhi petunjuk teknikal dan ekonomi transformer. Keperluan asas untuk bahan teras besi adalah: kehilangan teras besi yang rendah pada frekuensi dan ketumpatan fluks magnet tertentu, dan ketumpatan fluks magnet yang tinggi pada kekuatan medan magnet tertentu.
Kehilangan teras merangkumi dua bahagian: kehilangan histeresis dan kehilangan arus pusar. Kehilangan histeresis berkaitan dengan kesukaran pemagnetan bahan, manakala kehilangan arus pusar disebabkan oleh arus yang beredar yang disebabkan oleh fluks magnet berselang-seli dalam teras besi. Untuk mengurangkan kehilangan ini, bahan teras besi yang ideal harus mempunyai kerintangan elektrik yang tinggi, kebolehtelapan magnet yang tinggi, dan kekonsiviti yang rendah.
Proses evolusi bahan teras besi
Perkembangan bahan teras transformer telah melalui perjalanan yang panjang dan mengujakan. Teras transformer terawal menggunakan dawai keluli karbon biasa atau keluli karbon sebagai bahan magnet. Pada tahun 1885, kilang Gunz di Hungary membangunkan transformer fasa tunggal pertama dengan litar magnet tertutup, dan teras besinya diperbuat daripada bahan jenis ini.
Pada tahun 1900, RA Hadfield, seorang Inggeris, dan lain-lain mendapati bahawa penambahan silikon pada keluli lembut boleh meningkatkan kerintangan, mengurangkan kehilangan arus pusar dan histeresis, dan mengurangkan fenomena "penuaan teras". Pada tahun 1903, Amerika Syarikat dan Jerman mula menghasilkan kepingan keluli silikon gulung panas, menandakan permulaan era kepingan keluli silikon.
Lembaran keluli silikon gulung panas mempunyai masalah seperti prestasi yang tidak sekata dan kehilangan yang tinggi. Pada tahun 1930-an, penemuan telah dibuat dalam teknologi lembaran keluli silikon gulung sejuk. Pada tahun 1933, Gauss menggunakan dua kaedah gulung sejuk dan penyepuhlindapan untuk menghasilkan keluli Si 3% dengan sifat magnet yang tinggi di sepanjang arah gulungan. Pada tahun 1935, Syarikat Keluli Armco dari Amerika Syarikat bekerjasama dengan Syarikat Westinghouse untuk memulakan pengeluaran keluli silikon berorientasikan gulung sejuk.
Selepas tahun 1960-an, negara-negara perindustrian utama secara beransur-ansur berhenti menghasilkan kepingan keluli silikon gulung panas dan beralih kepada kepingan keluli silikon gulung sejuk dengan prestasi yang lebih baik. Pada tahun 1964, Nippon Steel Corporation dari Jepun telah membangunkan kepingan keluli silikon gulung sejuk berorientasikan butiran yang berdaya tahan tinggi (keluli Hi-B), sekali gus mengurangkan lagi kehilangan tanpa beban transformer.
Pada tahun 1970-an, bahan aloi amorfus membuat penampilan sulung mereka di pentas sejarah. Pada tahun 1974, United Microelectronics Corporation membangunkan aloi amorfus berasaskan besi, dan pada tahun 1978, Amerika Syarikat membangunkan transformer teras besi amorfus 10KVA. Jenis bahan baharu ini mempunyai ciri kehilangan besi yang sangat rendah, hanya 1/3-1/5 kepingan keluli silikon tradisional, membuka era baharu penjimatan tenaga untuk transformer.
Jenis dan ciri utama bahan teras besi
lembaran keluli silikon
Lembaran keluli silikon ialah aloi magnet lembut besi silikon dengan kandungan karbon yang sangat rendah, secara amnya dengan kandungan silikon 0.5-4.5%. Menambah silikon boleh meningkatkan kerintangan elektrik dan kebolehtelapan magnet maksimum besi, mengurangkan daya paksaan, kehilangan teras, dan penuaan magnet. Lembaran keluli silikon boleh dibahagikan kepada dua kategori: gulungan panas dan gulungan sejuk, dengan gulungan sejuk dibahagikan lagi kepada jenis berorientasikan dan tidak berorientasikan.
Lembaran keluli silikon bukan berorientasikan yang digulung sejuk merujuk kepada aloi 0.5% ~ 4.0% (Si + Al), yang digulung sejuk kepada 0.65mm, 0.5mm, dan 0.35mm dan kemudian disepuh dan disalut untuk menjadikannya. Jenis tekstur butirannya agak berselerak, dan ia mempunyai sifat magnet yang agak seragam dalam semua arah.
Keluli silikon berorientasikan mempunyai kebolehtelapan magnet yang tinggi dan ciri-ciri kehilangan yang rendah dalam arah mudah magnetisasi, yang memenuhi keperluan kekonduksian magnet peralatan kuasa statik seperti transformer. Sudut sisihan orientasi butiran purata keluli silikon berorientasikan biasa (CGO) adalah kira-kira 7 °, dan nilai kerentanan magnet tepu B8 adalah di atas 1.82 Tesla; Sudut sisihan orientasi butiran purata keluli silikon berorientasikan orientasi magnet tinggi (Hi-B) adalah kira-kira 3 °, dan nilai B8 adalah di atas 1.90 Tesla.
aloi amorfus
Aloi amorfus ialah bahan berfungsi logam dengan atom yang diagihkan secara rawak dalam matriks bahan, yang mempunyai komposisi "berkaca". Aloi amorfus biasa mengandungi 80% besi, dengan komponen yang selebihnya ialah boron dan silikon. Bahan ini mempunyai ciri-ciri kekuatan aruhan magnet tepu yang tinggi (1.54T), kebolehtelapan magnet yang tinggi, arus pengujaan yang rendah dan kehilangan besi yang sangat rendah.
Kehilangan besi aloi amorfus berasaskan besi hanya satu pertiga hingga satu perlima daripada kepingan keluli silikon berorientasikan, yang mengurangkan kehilangan tanpa beban transformer aloi amorfus sebanyak 70% hingga 80% berbanding transformer keluli silikon tradisional. Ketumpatan fluks magnet tepu aloi amorfus agak rendah (kira-kira 1.5T), jadi ketumpatan fluks magnet yang dinilai secara amnya dipilih sebagai 1.3-1.4T.
Ketebalan jalur aloi amorfus adalah sangat nipis, hanya 0.03mm, menghasilkan pekali laminasi hanya kira-kira 80% untuk teras besi amorfus. Walaupun aloi amorfus mempunyai graviti tentu yang lebih rendah daripada kepingan keluli silikon, berat teras besi masih agak berat.
Reka bentuk struktur teras
Reka bentuk struktur teras transformer juga telah mengalami evolusi yang ketara. Daripada teras besi berlamina terawal, kepada teras besi berbentuk C, dan kemudian kepada teras besi berbentuk cincin (teras besi bergelung), setiap struktur mempunyai ciri dan kelebihannya sendiri.
Teras besi bulat diperbuat daripada jalur keluli silikon yang digulung ketat seperti spring jam. Teras besi jenis ini mempunyai litar magnet berterusan tanpa jurang udara, menghasilkan rintangan magnet yang rendah dan kecekapan yang tinggi. Berbanding dengan transformer berlamina dengan kapasiti yang sama, transformer toroidal mempunyai kelebihan saiz kecil, ringan, dan kebocoran magnet yang rendah.
Bagi transformer aloi amorfus, disebabkan oleh kesukaran memotong bahannya, ia biasanya direka bentuk sebagai struktur teras besi bergelung. Struktur teras transformer fasa tunggal ialah rangka, manakala struktur teras transformer tiga fasa dibentuk dengan menggabungkan empat rangka ke dalam struktur yang serupa dengan struktur lima lajur tiga fasa. Struktur ini membolehkan setiap lilitan fasa diletakkan pada dua rangka bebas litar magnet, dengan berkesan menghapuskan pengaruh fluks magnet harmonik ketiga.
Proses pembuatan bahan teras besi
Proses pembuatan kepingan keluli silikon adalah kompleks, terutamanya kepingan keluli silikon berorientasikan. Proses pengeluarannya kompleks, tetingkap prosesnya sempit, dan kesukaran pengeluarannya tinggi. Ia dikenali sebagai "kraftangan produk keluli".
Proses pembuatan kepingan keluli silikon bukan berorientasikan yang digulung sejuk biasanya merangkumi: bilet keluli penggelek panas atau bilet tuangan berterusan ke dalam gegelung dengan ketebalan kira-kira 2.3mm, diikuti dengan proses pencucian asid, penggelek sejuk, penyepuhlindapan, dan salutan filem penebat. Untuk produk silikon tinggi, perlu dinormalkan terlebih dahulu pada 800-850 ℃ selepas penggelek panas, diikuti dengan pencucian asid, penggelek sejuk hingga ketebalan tertentu, penyepuhlindapan, kemudian penggelek sejuk pada kadar pengurangan yang rendah, dan akhirnya penyepuhlindapan akhir.
Kaedah paling biasa untuk menghasilkan aloi amorfus adalah dengan menyemburkan wap logam cair ke atas rangka penggulungan tembaga berputar berkelajuan tinggi, dan logam cair disejukkan dan dipejalkan menjadi rusuk nipis pada kadar 106 ℃/s. Tegasan dalaman tinggi yang terbentuk semasa pelindapkejutan mesti dikurangkan dengan penyepuhlindapan antara 200 ℃ dan 280 ℃ untuk mendapatkan sifat magnet yang baik.
Manfaat penjimatan tenaga bahan teras besi
Transformer banyak dan mempunyai kapasiti yang besar dalam sistem kuasa, mengakibatkan jumlah kerugian yang besar. Dianggarkan bahawa jumlah kerugian transformer di China menyumbang kira-kira 10% daripada penjanaan kuasa sistem. Setiap pengurangan 1% kerugian boleh menjimatkan berbilion kilowatt jam elektrik setiap tahun.
Transformer teras besi aloi amorfus mempunyai kesan penjimatan tenaga yang ketara. Kehilangan tanpa beban bagi transformer teras aloi amorfus siri SH12 dikurangkan sebanyak kira-kira 75% berbanding transformer keluli silikon siri S9. Walaupun transformer aloi amorfus lebih mahal daripada transformer tradisional, kos operasinya sangat rendah, dan tempoh pembayaran balik pelaburan biasanya antara 2-5 tahun.
Wilayah-wilayah maju dari segi ekonomi yang diwakili oleh wilayah Shanghai, Jiangsu dan Zhejiang telah menerima pakai transformer aloi amorfus secara besar-besaran. Syarikat Kuasa Elektrik Jiangsu juga merancang untuk memasang talian baharu dan diubah suai pada masa hadapan, dan penggunaan transformer aloi amorfus tidak boleh kurang daripada 30%.
Trend pembangunan bahan teras besi
Bahan teras besi sedang berkembang ke arah kehilangan besi yang rendah dan aruhan magnet yang tinggi. Bagi kepingan keluli silikon, termasuk keluli silikon tidak berorientasikan untuk motor kecekapan tinggi kehilangan besi yang rendah, spesifikasi nipis kehilangan besi ultra rendah berorientasikan aruhan magnet yang tinggi, dan keluli silikon tinggi untuk peralatan elektrik penjimatan tenaga frekuensi sederhana dan tinggi.
Keluli silikon tinggi (aloi Si Fe dengan 4.5% ~ 6.7% Si) mempunyai ciri-ciri kehilangan besi yang berkurangan dengan ketara pada frekuensi tinggi, kebolehtelapan magnet maksimum yang tinggi, dan daya paksaan yang rendah. Tetapi kandungan Sinya terlalu tinggi, dan keplastikannya sangat lemah pada suhu bilik, menjadikannya sukar untuk digulung dan dibentuk. Pada masa ini, bahan aloi Si Fe 6.5% yang tidak berorientasikan terutamanya disediakan melalui proses penyusupan silikon.
Bahan nano yang diubah suai dan bahan berasaskan bio juga merupakan salah satu hala tuju pembangunan masa hadapan. Dengan peningkatan permintaan untuk perlindungan alam sekitar, pembangunan bahan teras besi yang tidak toksik, terbiodegradasi atau boleh dikitar semula akan menjadi hala tuju penyelidikan yang penting.
Kesimpulan
Evolusi bahan teras transformer telah menyaksikan gabungan sempurna sains bahan dan kejuruteraan elektrik. Daripada keluli karbon biasa kepada kepingan keluli silikon, dan kemudian kepada aloi amorfus, setiap kejayaan bahan telah meningkatkan tahap kecekapan tenaga transformer dengan ketara.
Dalam dunia hari ini di mana penjimatan tenaga dan pengurangan pelepasan telah menjadi konsensus global, pemilihan bahan teras besi yang cekap bukan sahaja berkaitan dengan faedah ekonomi, tetapi juga tanggungjawab alam sekitar. Pada masa hadapan, dengan kemunculan bahan dan proses baharu yang berterusan, teras transformer akan terus berkembang ke arah kerugian yang lebih rendah dan kecekapan yang lebih tinggi, menyumbang kepada pembinaan sistem tenaga hijau dan rendah karbon.
Masa siaran: 29 Ogos 2025
