مواد آمورف در هسته ترانسفورماتور،فولاد سیلیکونی

مواد آمورف مورد استفاده در هسته ترانسفورماتور
اولین آلیاژهای با ساختار غیر کریستالی در سال 1950 میلادی توسط اداره ملی استاندارد آمریکا گزارش شد. از آن زمان تاکنون فعالیت‌های زیادی در جهت ارتقاء کیفیت این نوع مواد و روش‌های بهینه تولید و اقتصادی‌تر کردن آن صورت گرفته است.
معرفی و توسعه فرآیند انجماد سریع (Rapid Solidification) در سال 1960 که در آن سرعت انجماد فلز به حدود k/s 106 می‌رسد،‌باعث شد که امکان تولیدنوارهای باریک آلیاژی آمورف فراهم شود. ضخامت این نوارها حدود µm50-25 تولید تجاری اولین نوار آمورف با عرض mm7/1 توسط شرکت Allied Chemical انجام پذیرفت که این امر به سال 1971 باز می‌گردد. امروزه این نوارها به صورت آزمایشگاهی تا ضخامت حدود mm300 و به صورت تجاری تا ضخامت حدود mm213 تولید شده‌اند.
از دهه هفتاد میلادی به بعد با معرفی تجاری مواد مغناطیسی آمورف،‌تحولی در نوع ماده مورد استفاده در هسته ترانسفورماتورهای توزیع پدید آمد. آلیاژ آمورف باترکیب آهن، بر و سیلیس دارای مقاومت الکتریکی و استحکام بالا ولی حد اشباع مغناطیسی پایین و نیز محدودیت‌ دمای کاری در مقایسه با فولاد سیلیکونی است.
در سال 1982 شرکت جنرال الکتریک در آمریکا اولین ترانسفورماتور ساخته شده با مواد آمورف رابرق‌دار کرد. متعاقب آن چند شرکت دیگر اقدام به ساخت انواعی از این نوع ترانسفورماتورها کردند. از آن زمان تاکنون فعالیت‌های فراوانی از سوی تولید‌کنندگان بسیار محدود مواد آمورف در جهت اقتصادی‌کردن روش‌های تولید این نوع ماده و معرفی کردن آن به عنوان یک جایگزین مطمئن و مناسب به جای ورق‌های سیلیکونی انجام پذیرفته است. استفاده از فلزات آمورف باعث کاهش حدود 70-60 درصدی تلفات هسته این نوع ترانسفورماتورها نسبت به ترانسفورماتورهای دارای هسته فولاد سیلیکونی می‌شود.
طبق گزاش ارایه شده توسط انجمن تحقیقات موادآمریکا در حال حاضر حدود 000/250/1 ترانسفورماتور توزیع با هسته آمورف در کل جهان نصب شده است که گسترش این مساله کمک شایانی به بازده انتقال و توزیع برق در جهان خواهد کرد. البته باید توجه کرد که این ترانسفورماتورها از نوع کوچک بوده وهنوز انواع بزرگ آنها چندان توسعه پیدا نکرده است.
در حال حاضر در آمریکا حدود 5درصد سفارشات ترانسفورماتور توزیع از نوع هسته آمورف است.

مشخصات فنی
مواد آمورف نوع جدیدی از مواد هستند که دارای ساختار کریستالی نیستند. این موضوع به این معناست که اتمها به صورت منظم در کنار یکدیگر قرار نگرفته‌اند.
حد اشباع مغناطیسی مواد آمورف در محدوده 5/1 تسلا و در فولادهای الکتریکی سیلیکونی 1/2 تسلا است و این یک محدودیت برای استفاده از این نوع مواد در ترانسفورماتورهای بزرگ است.
فلز آمورف مورد استفاده در هسته ترانسفورماتور نازکتر، سخت‌تر و شکننده‌تر از فولاد سیلیکونی است و با همه این شرایط باید برای کارکرد سی‌ساله در ترانسفورماتور توزیع سازگار شود.
این مواد علاوه بر سختی بالا، دارای خواص مغناطیسی عالی هستند. همچنین تلفات هسته آمورف 50-25 درصد فولاد الکتریکی سیلیکونی از نوع M4 است.

تکنولوژی و فرآیند تولید مواد آمورف
تکنولوژی تولیداین نوع مواد پیچیده بوده وبه طور کلی شامل موارد ذیل است:
- مواد اولیه به خوبی مخلوط ودرداخل یک کوره القایی ریخته می‌شوند.
- موادمذاب به داخل یک محفظه متراکم کننده هدایت می‌شود.
- جریان باریکی از مواد بر روی یک قالب تزریق می‌شود. سرعت انجماد در این قالب بسیار بالا ودر حدود یک میلیونیم ثانیه است. محصول این بخش نوار باریک آمورف است.
- ابعاد (صخامت و عرض) نوارهای تولیدی در بخشهای D1 و D2 کنترل شده و نهایتاً نوار تولید به صورت رول پیچیده می‌شود.

مزایا و معایب استفاده از مواد آمورف
به طور کلی مزایای این نوع مواد را به شرح ذیل می‌توان بیان کرد.
1- کاهش تلفات هسته بیشتر نسبت به فولادهای سیلیکونی به دلیل بیشتر بودن مقاومت الکتریکی (حدود 3 برابر) آنها و نیز کاهش ضخامت (حدود 0،1) در مجموع به میزان حدود 60 درصد.
2- کاهش آلودگی محیط‌زیست به دلیل کاهش مصرف انرژی در نیروگاه.
یکی از مزایای استفاده از ترانسفورماتورهای با هسته آمورف کمک به کاهش مشکلات زیست‌محیطی و آلودگی هواست. چرا که کاهش تلفات در ترانسفورماتور که بواسطه استفاده از این نوع مواد ایجادمی‌شود مستقیماً باعث کاهش مصرف مواد سوختی که انرژی از آنها حاصل می‌شود شده ونهایتاً الودگی محیط زیست کمتر می‌شود.

1- حد اشباع شار مغناطیسی پایین.
حداشباع مغناطیسی مواد آمورف در محدوده 5/1 تسلا و در فولادهای الکتریکی جهت‌دار،‌1/2 تسلا است و این موضوع در راستای استفاده از نوارهای آمورف در ترانسفورماتورهای بزرگتر از محدوده توزیع، محدودیت ایجاد می‌کند.

2- مشکلات تولید و نیز تولید‌کنندگان بسیار محدود مواد آمورف
نرخ سرعت انجماد (K/S) 106  بسیار بالا نیز یکی دیگر از مسائلی است که در مجموع فرآیند تولید آنرا با مشکل روبرو ساخته است.

3- عدم امکان سهولت در برش به دلیل سختی بسیار بالا
سختی نوارهای آمورف زیاد است.همین مساله باعث محدودیت برش در نوارهای تولیدی است. سختی این نوارها به طور متوسط 4 تا 5 بار بیشتر از سختی فولادهای الکتریکی سیلیکونی است. که این مساله باعث می‌شود نرخ سایش در ابزار برش چنین موادی حدود 1000 بار بیشتر از نرخ سایش فولادهای الکتریکی سیلیکونی باشد. برای برش چنین نوارهایی باید از روشهای نوین نظیر روش لیزری ویا EDM استفاده کرد.

4- فاکتور چینش کم
ضخامت نوار آمورف به طور متوسط 1/0 ورق سیلیکونی است. به همین دلیل فاکتور چینش ورق‌های آمورف حدود 85-75 درصد و در ورق‌های فولادی سیلیکونی حدود 95 درصد است لذا این مساله باعث افزایش حجم هسته می‌شود.

5- حساسیت ویژه در حین استفاده به دلیل ضخامت بسیار کم
اعمال هرگونه نیروی نامناسب باعث ایجاد تنشهای پسماند در این نوارها و نهایتاً افزایش تلفات خواهد شد.

6- افزایش قیمت اولیه ترانسفورماتور
قیمت مواد آمورف حدود 3-2 برابر ورقهای الکتریکی سیلیکونی است. همچنین به دلیل ضخامت کم مواد آمورف نهایتاً قطر هسته افزایش یافته و میزان مواد مصرفی مانند مس، مواد عایقی و ... افزایش می‌یابد. این موضوع باعث افزایش قیمت اولیه ترانسفورماتور می‌شود.

7- عدم کاهش قابل توجه در کل تلفات شبکه
از آنجا که در مقایسه باتلفات شبکه صرفه‌جویی انجام شده آنچنان قابل ملاحظه نیست بنابراین متقاضیان ترانسفورماتور آنچنان رغبتی برای سفارش ترانسفورماتورهای هسته آمورف ندارند.

مقایسه اقتصادی مواد آمورف و فولاد سیلیکونی
در سالیان اخیر برخی منابع در خصوص میزان صرفه‌جویی حاصله از استفاده مواد آمورف درمقایسه بافولاد سیلیکونی اطلاعاتی مانند موارد ذیل را ارایه کرده‌اند:
- در آمریکا انرژی الکتریکی اتلاف شده در هسته ترانسفورماتورهای توزیع kwh 109×50 در سال تخمین زده می‌شود و اگر به طور متوسط هزینه تولید هر کیلووات ساعت برق حدود075، 0 دلار (5/7 سنت) در نظر گرفته شود، انرژی اتلاف شده در حدود 3750 میلیون دلار ارزش دارد.
- مطابق برآوردهای انجام شده در سال 1990 در آمریکا در صورتی که ترانسفورماتورهای پست با هسته فولادی سیلیکونی تا توان KVA2500 با ترانسفورماتورهای با هسته آمورف جایگزین شوند حدود Mwh 2500 کاهش تلفات می‌توانست وجود داشته باشد و این مقدار کاهش تلفات به معنای کاهش هزینه‌هاتا حدود 2 میلیارد دلار است.
- در آمریکا تخمین زده شده است که اگر تمام ترانسفورماتورهای توزیع موجود با ترانسفورماتورهایی که دارای هسته آمورف هستند جایگزین شوند سالانه Billion kWh 14-6 انرژی ذخیره خواهد شد.
- نتیجه یک بررسی در انگلستان بر روی دو عدد ترانسفورماتور kVA 800 و 100 آمورف نشان می‌دهد قیمت کل یک ترانسفورماتور آمورف در طول دوره عمر آن حدود 14 درصد کمتر از مورد مشابه با هسته فولاد سیلیکونی است.
همانگونه که می‌دانیم قیمت تمام شده یک ترانسفورماتور به صورت زیر محاسبه می‌شود:
قیمت تلفات بار (سیم‌پیچ) در طول عمر + قیمت تلفات بی‌باری (هسته) در طول عمر + قیمت خرید= قیمت تمام شده
برخی مطالعات انجام شده نشان می‌دهند که قیمت نهایی خرید و تلفات یک ترانسفورماتور هسته آمورف طی دوره عمر آن (30 سال) کمتر از قیمت همان نوع ولی با هسته فولاد سیلیکونی است.
قیمت خرید ترانسفورماتورهای با هسته آمورف بیشتر است ولی از آنجایی میزان تلفات مواد آمورف کمتر است و برای محاسبه قیمت یک ترانسفورماتور بایدمجموع تلفات در کل دوره عمر یک ترانسفورماتور محاسبه شود،‌بنابراین مشاهده می‌شود که از نظر اقتصادی نیز قیمت یک ترانسفورماتور با هسته آمورف در مجموع کمتر است.
با توجه به افزایش قیمت جهانی انواع سوخت در سالهای اخیر و پیش‌بینی روند رو به رشد قیمت‌ها در سالهای آینده، استفاده از مواد آمورف که تلفات هسته کمتری دارند و نهایتاً‌ باعث مصرف سوخت کمتری در مراکز تولید نیرو می‌شوند، توجیهی برای استفاده در این نوع ترانسفورماتور پیدا کرده است.
در مجموع می‌توان گفت گرچه چنین اطلاعاتی در برخی از منابع وجود داردولی عمدتاً به یک مساله کمتر توجه شده است و آن این است که به سود سالانه اختلاف قیمت خرید ترانسفورماتور هسته آمورف و فولاد سیلیکونی کمتر توجه شده است. همانگونه که مشاهده می‌شود آنچه که تولید‌کنندگان بر روی آن تاکید دارند قیمت نهایی ترانسفورماتور در طول یک مدت 30 ساله و لحاظ کردن قیمت تلفات ترانسفورماتور در قیمت نهایی است. حال آنکه اگر سود اختلاف قیمت اولیه 2 نوع ترانسفورماتور در کشورهایی مانندایران که نرخ سود (بهره) بسیار بالاست را در نظر بگیریم توجیه ارایه شده، توجیهی مناسب نخواهد بود. بنابراین تا زمانی که مشکلات و معایب برشمرده شده در مواد آمورف رفع نشوند امید زیادی به توسعه این نوع از ترانسفورماتورها نمی‌توان داشت.


تجارب کسب شده در این زمینه در دنیا و برنامه‌های پیش‌رو
اولین ترانسفورماتور KVA25 باهسته آمورف در سال 1982 توسط شرکت جنرال‌الکتریک ساخته و در آمریکا نصب شد. متعاقب آن در سال 1983 تعداد 25 عدد از این نوع ترانسفورماتور ساخته و در بخش‌های مختلف آمریکا نصب شد. بررسی‌ها نشان داد که این ترانسفورماتورها حدود 50-40 درصد تلفات هسته کمتری نسبت به انواع قبلی خود داشتند. بعد ازانجام مطالعات سه ساله بر روی ترانسفورماتورهای نصب شده،تعداد 1000 ترانسفورماتور جدید در سراسر آمریکا نصب شد. این ترانسفورماتورها به طور متوسط حدود 70 درصد تلفات هسته و 60 درصد جریان تحریک کمتری نسبت به ترانسفورماتورهایی که از هسته فولاد الکتریکی سیلیکونی استفاده کرده بودند، داشتند.
اولین ترانسفورماتورهای KVA50 و 20 آمورف به صورت تجاری در سال 1986 ساخته شدند. همچنین در سال 1990 یک ترانسفورماتور آمورف KVA750 توسط شرکت جنرال‌الکتریک ساخته شد. تا سال 1990 توان ترانسفورماتورهای تولیدی به حدود KVA1000 رسید و شرکت‌های ABB, Howard, Kuhlman, (Westinghouse), GE اقدام به تولید این نوع از ترانسفورماتورها در آمریکا کردند. بنا بر ادعای شرکت Metglass هم‌اکنون امکان تولید ترانسفورماتورهای آمورف 10-6000KVA تا KV22 است.
به دلیل سختی بیش از حد نوارهای آمورف هنوز هسته‌های چینشی (laminate) آمورف آنچنان تجاری نشده‌اند ولی نوع پیچشی آن در ترانسفورماتورهای مختلف توزیع استفاده شده است.
ترانس KVA50 ساخته شده توسط شرکت GEC Alstham در انگلستان با هسته چینشی، کاهش تلفاتی به میزان 25 درصد را نسبت به هسته‌های فولاد الکتریکی سیلیکونی نشان می‌دهد.
اگرچه در حال حاضر امکان استفاده از مواد آمورف به عنوان هسته ترانسفورماتور وجود دارد ولی به دلایل مختلف فنی از جمله سختی بالا و شکننده بودن، تکنولوژی تولید هسته پیچش (Wound Core) برای ترانسفورماتورهای توزیع تجاری شده است. لذا به دلایل برشمرده شده سازمان ملی انرژی آمریکا هسته مغناطیسی چینشی (laminate) را مورد توجه قرار نداده و آنرا از حوزه مطالعات تحلیلی خود خارج کرده است.
در سال 1983 موسسه تحقیقات برق آمریکا با همکاری شرکت جنرال الکتریک یک تحقیق میدانی دوساله را جهت بررسی و مقایسه دو نوع ترانسفورماتور KV25 و KVA25 با هسته فولاد الکتریکی سیلیکونی و آمورف را انجام داد.
همچنین نتایج یک بررسی بر روی دو ترانسفورماتور KVA250 با هسته آمورف و فولاد سیلیکونی توسط انجمن تحقیق و توسعه برق هند (ERDA) نشان می‌دهد که تلفات در یک تراسنفورماتور باهسته آمورف به مراتب کمتر از تراسنفورماتور با هسته فولاد سیلیکونی است.
برخی از برنامه‌های آتی جهت تولید گسترده‌تر ترانسفورماتورهای با هسته آمورف به شرح ذیل است:
- ارتقاء و بهینه‌سازی ترانسفورماتورها (بهینه‌سازی مواد آمورف و بهینه‌سازی روش تولید).
- کاهش قیمت تمام شده
- افزایش توان ترانسفورماتورها
- استفاده از هسته‌های چینشی (Stacked core)

نتیجه‌گیری:
اگر چه فلز آمورف (پایه آهن)‌در ترانسفورماتورهای توزیع به عنوان یک جایگزین مورد استفاده قرارگرفته است ولی تاکنون نتوانسته به عنوان یک جایگزین آسان و قطعی مطرح باشد.
علیرغم مزایایی چون کاهش قابل ملاحظه تلفات و کاهش آلودگی محیط‌زیست به دلیل کاهش مصرف سوخت در نیروگاهها،‌مسائل متعددی از قبیل قیمت اولیه زیاد، مشکلات تولید نوارهای آمورف و دسترسی کم به آنها، حساسیت‌ و مشکلات ویژه در استفاده از ورقهای آمورف و غیره باعث عدم استقبال جهت استفاده گسترده از این نوع ترانسفورماتورها در سطح جهان شده است.


هسته مغناطیسی ترانس و موتور
هسته لایه لایه شده
لایه لایه کردن هسته ترانس جریان گردابی را به شدت کاهش می‌دهد.

ترانسفورماتورها مورد استفاده در کاربردهای قدرت یا بسامد بالا (رادیویی) معمولاً از هسته با جنس فولاد سیلیکاتی با قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی بالا استفاده می‌کنند[نیازمند منبع]. قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی در فولاد بارها بیشتر از نفوذپذیری در خلاء است و به این ترتیب با استفاده از هسته‌های فولادی جریان مغناطیس کننده مورد نیاز برای هسته به شدت کاهش می‌یابد و شار در مسیری کاملاً نزدیک به سیم‌پیچ‌ها محبوس می‌شود. سازندگان ترانسفورماتورهای اولیه به سرعت متوجه این موضوع شدند که استفاده از هسته یک پارچه باعث افزایش تلفات گردابی در هسته ترانسفورماتور می‌شود و در طراحی‌های خود از هسته‌هایی استفاده کردند که از دسته‌های عایق شده آهن تولید شده بود. در طراحی‌هایی بعدی با استفاده از ورق‌های نازک آهن که نسبت به یکدیگر عایق شده بودند، تلفات در ترانسفورماتور باز هم کاهش یافت. از این روش در ساخت هسته امروزه نیز استفاده می‌شود. همچنین با استفاده از معادله عمومی ترانسفورماتور می‌توان نتیجه گرفت که کمترین سطح اشباع در هسته با سطح مقطع کوچکتر ایجاد می‌شود.
گرچه استفاده از هسته‌های با لایه‌های نازک‌تر تلفات را کاهش می‌دهد، اما از طرفی هزینه ساخت ترانسفورماتور را افزایش می‌دهد. بنابراین از هسته‌های با لایه‌های نازک معمولاً در بسامدهای بالا استفاده می‌شود. با استفاده از برخی انواع هسته‌های با لایه‌های بسیار نازک امکان ساخت ترانسفورماتورهایی برای کاربرد در مصارف تا ۱۰ کیلوهرتز پدید می‌آید.
نوعی متداول از هسته‌های لایه لایه، از قطعاتی E شکل که با قطعاتی I شکل یک هسته را به وجود می‌آورند تشکیل شده. این هسته‌ها را هسته‌های E-I می‌نامند. این هسته‌ها گرچه تلفات را افزایش می‌دهند اما به علت آسانی مونتاژ، هزینه ساخت هسته را کاهش می‌دهند. نوع دیگری از هسته‌ها، هسته‌های C شکل هستند. این هسته از قرار دادن دو قطعه C شکل در مقابل یکدیگر تشکیل می‌شود. این هسته‌ها این مزیت را دارند که تمایل شار برای عبور از هر قطعه از هسته برابر است و این مزیت باعث کاهش یافتن مقاومت مغناطیسی می‌شود.
پسماند در یک هسته فولادی به معنای باقی‌ماندن خاصیت مغناطیسی در هسته پس از قطع شدن توان الکتریکی است. زمانی که جریان دوباره در هسته جاری می‌شود این پسماند باقی‌مانده در هسته تا زمانی که کاهش یابد موجب به وجود آمدن یک جریان هجومی در ترانس می‌شود. تجهیزات حفاظتی مانند فیوزها باید طوری انتخاب شوند که به این جریان هجومی اجازه عبور دهند.
ترانسفورماتورهای توزیع می‌توانند با استفاده از هسته‌های با قابلیت نفوذ پذیری مغناطیسی بالا تلفات بی باری را کاهش دهند. هزینه اولیه هسته بعدها با صرفه‌جویی که در مصرف انرژی و افزایش طول عمر ترانس می‌شود جبران خواهد شد.

هسته‌های یکپارچه
هسته‌هایی که از آهن پودر شده ساخته شدند در مدارهایی که با بسامد بالاتر از بسامد شبکه تا چند ده کیلوهرتز کار می‌کنند کاربرد دارند. این هسته دارای قابلیت نفوذ پذیری مغناطیسی بالا و همچنین مقاومت الکتریکی بالا هستند. برای بسامدهایی بالاتر از باند VHF از هسته‌های غیر رسانای فریت استفاده می‌شود. برخی از ترانسفورماتورهای بسامد رادیویی از هسته‌های متحرک استفاده می‌کنند که این امکان را به وجود می‌آورد که ضریب اتصال هسته قابل تغییر باشد.

هسته‌های حلقوی
ترانسفورماتورهای حلقوی دور حلقه‌ای ساخته می‌شوند. جنس این هسته بسته به بسامد مورد استفاده ممکن است از نوارهای بلند فولاد سیلیکاتی، پرمالوی پیچیده شده دور یک چنبره، آهن تقویت شده یا فریت باشد. ساختار نواری باعث چینش بهینه مرزدانه‌ها می‌شود که این امر با کاهش رلوکتانس هسته موجب افزایش بهره‌وری ترانسفورماتور می‌گردد.