در این مقاله سعی شده که برتری کیفی مواد مغناطیسی نو ظهوری بنام آمورف را که چندی است کانون بررسی های ژرف پژوهشگران بوده در برابر ورقهای فولاد سلیس دار به اثبات برسانیم.

اساسی ترین دلیل برای توجه به این مواد تلفات اندک آن می باشد .در این پروژه اثر بکارگیری مواد مغناطیسی آمورف در هسته ترانسهای تکفاز و سه فاز توزیع بروی تلفات بی باری آنها نسبت به مواد سلیس دار بررسی می شود. چندی است که نظریه جدیدی بنام ارزیابی تلفات مطرح شده است ، بدان معنا که در بسیاری از نقاط جهان در طراحی بسیاری از ترانس ها حتی آنهایی که با مواد فولاد سلیس دار ساخته می شوند چگالی شار بیشینه به عمد کمتر می گیرند تا تلفات هسته را به حداقل برسانند. لذا با این وجود اینکه چگالی شار بیشینه آمورف نسبت به چگالی شار مواد متداول کمتر می باشد دیگر یک عیب برای برای مواد آمورف تلقی نمی گردد یعنی با همین چگالی شار حدوداً ۱/۳۵ تا ۱/۴ تسلا می توان به حجم و اندازه و وزن کم که همراه با تلفات بسیار کم نیز می باشد دست یافت.

جایگاه ترانسفورماتورها در شبکه انتقال و توزیع:

تبدیل انرژی جایگاه مخصوص در قلب تکنولوژی دارد در حالی که بر اساس قانون ترمودینامیک و الکترو مغناطیس ما از قافله عقب هستیم . در شبکه برق رسانی از نیروگاه تا مصرف کننده در اثر نا مناسب بودن ترانسفورماتورهای توزیع اتلاف انرژی قابل توجهی رخ می دهد. قبل از آنکه انرژی از نیروگاه به مصرف کننده برسد در چندین مرحله توسط ترانسفورماتورهای توزیع ، کم وزیاد شده و در هر مرحله اتلاف انرژی صورت می گیرد.

ترانسفورماتورها بر خلاف ماشین های الکتریکی که انرژی الکتریکی و مکانیکی را به هم تبدیل می کنند در نوع انرژی الکتریکی تغییر نمی دهد، بلکه ولتاژ و جریان را با همان فرکانس از نظر مقدار تبدیل می نماید به عبارت دیگر ترانسفورماتور یک وسیله الکترومغناطیسی ساکن است که می تواند انرژی جریان متناوب را از مداری به مدار دیگر با مقدار با حفظ بسامد جریان متناوب انتقال دهد بطوری که انرژی با ولتاژ پایین را تبدیل به همان انرژی با ولتاژ بالاتر نماید.

امروزه ترانسفورماتورها وسیله ای ضروری در دستگاههای انتقال و توزیع انرژی الکتریکی بشمار می آیند. ترانسفورماتورها بطور وسیع در مدار وسائل الکترونیکی و مدار دستگاهع های خودکار وسائل راه اندازی موتورهای الکتریکی ، تطبیق ولتاژ مورد نیاز جهت تغذیه مصرف کننده ها و ایجاد سیستم های چند فازه از سیستم های دو فازه وتطبیق امپدانس بکار می رود.

در میان ماشین های ساخت دست بشر بالاترین راندمان متعلق به ترانسفورماتورها می باشد که بسته به قدرت آنها بین ۹۸٪ تا ۹۹٪ است . اگر چه این راندمان بسیار بالا است ، اما با افزایش قدرت ترانس مسئله دفع حرارت و انرژی تلف شده در ترانسفورماتورها اهمیت پیدا می کند. در یک ترانسفورماتور با ظرفیت ۱۰۰MVA و راندمان ۹۹٪ با فرض ضریب قدرت یک در هر ساعت یک مگا وات انرژی تبدیل به حرارت می شود، با توجه به اثر مخرب حرارت بروی عایق های ترانسفورماتورها وسائل و روشهای دفع حرارت ایجاد شده و نگهداشتن درجه حرارت قسمت های داخلی ترانس در حد مجاز موجب افزایش راندمان ترانسفورماتور می شود.

تلفات در ترانسفورماتورها:

تلفات در ترانسفورماتورها را می توان از لحاظ ماهیت به دو نوع بی باری وبارداری تقسیم نمود. تلفات بی باری شامل تلفات آهنی دی الکتریک و کرونا تابع ولتاژ می باشد. و در شبکه توزیع نیرو فقط تلفات آهنی ترانسفورماتورهای توزیع شایان اهمیت می باشد. تلفات آهنی شامل تلفات جریان گردابی و هیسترزیس می باشد . و باقی تلفات مربوط به تلفات بار یا تلفات مسی می باشد.

از آنجایی که در این پروژه کیفیت وراندمان مغناطیسی آلیاژ آمورف در هسته ترانسفورماتور نسبت به هسته های فولاد سلیس دار مورد نظر می باشد بنابراین فقط تلفات آهنی هسته را مورد مطالعه قرار می دهیم.

کاهش تلفات و افزایش راندمان:

سازندگان ترانسفورماتورها با بهینه سازی طرح هندسی و ساخت هسته سعی در بدست آوردن بالاترین راندمان از ورقهای مغناطیسی دارند. با توجه به خواص مواد فولاد سلیس دار بهینه سازی در این نوع مواد محدود بوده و بهره گیری از آن چندان قابل توجه نخواهد بود .

جایگزینی آلیاژ آمورف در هسته ترانسفورماتور بجای فولاد سلیس دار افق جدیدی را در بهینه سازی اتلاف انرژی نشان می دهد.

اتلاف انرژی در شبکه برق ایران حدود ۱۲ میلیارد کیلو وات ساعت می باشد . جبران این انرژی تلف شده نیازمند به مصرف حدود ۸۴ میلیون بشکه نفت یا معادل آن سوزاندن ذغال سنگ می باشد که منجر به آزاد شدن ۴۲۰۰۰ تن دی اکسید سولفور و ۴۸ میلیون تن دی اکسید کربن در هوا می شود. با توجه به این معضلات تحقیق در راستای کاهش چنین اتلاف انرژی قابل توجهی ضروری به نظر می رسد.

از اوایل دهه هفتاد میلادی به بعد تحول بزرگی در صنعت و نوع مواد هسته ترانس پدید آمد که با معرفی مواد آمورف آغاز گردید . بدون شک یکی از عالی ترین روش ها برای کاهش تلفات آهنی در هسته ترانسفورماتورهای توزیع بوده است.

طرح بررسی اقتصادی ساخت ترانسفورماتور توزیع با آلیاژ آمورف در جنرال الکتریک آمریکا که یکی از بزرگترین سازندگان ترانسفورماتورمی باشد در سا ل ۱۹۷۸ آغاز شد هدف از اجرای این طرح بررسی ساخت و برآورد اقتصادی به منظور ارزیابی کاربرد بالقوه آلیاژ آمورف در هسته ترانسفورماتورهای توزیع بود.

ترانسفورماتورهای توزیع با این نوع هسته در اوایل دهه ۱۹۸۰ معرفی شدند و اکنون سالهای زیادی است که در سرویس هستند طراحی هسته آمورف منجر به کاهش تلفات هسته در حدود ۷۰٪ نسبت به طراحی ها با هسته فولاد سلیکونی می شود. برای مثال تلفات هسته یک ترانسفورماتورجدید آمورف باظرفیت۵۰KVA ممکن است تنها ۳۰ وات باشد در حالیکه این مقدار برای ترانسفورماتوری با طراحی کم تلفات به صورت نوعی برابر ۱۰۰ وات است.

ماهیت آلیاژ آمورف:

درمورد ماهیت مواد آمورف باید گفت که این مواد فلزاتی هستند که ساختار اتمی آنها در هم ریخته و غیر سوری است . در حقیقت از لحاظ ساختمان اتمی شبیه به شیشه ها هستند. فلزات شیشه ای ، جامدات غیر متوازن هستند که مشخصات ساختمانی آنها شبیه به برف است که سرد شدن سریع مایع باعث می شود که شکل ذوب شده مولکولها در این مواد باقی بماند.

اولین ماده تولید شده از این نوع در سال ۱۹۶۰ توسط دانشمند معروف دوز ساخته شده است . استفاده از مواد آمورف در مدارهای مغناطیسی ترانسفورماتورهای توزیع می تواند تلفات مربوط به هسته های آهنی را به میزان زیادی کاهش دهد و در نتیجه صرفه جویی عظیم اقتصادی را بهمراه داشته باشد .

سازندگان مواد آمورف اینگونه مواد را با تعابیر گوناگونی نامگذاری نموده اند، که از جمله آنها می توان عبارت فلزات آمورف ، شیشه های فلزی و آلیاژ شیشه ای را نام برد . به طور کلی معنای ساده این عبارات آلیاژ فلزی با ساختار اتمی غیر شبکه ای می باشد.

خواص مهم آلیاژ آمورف:

• خواص مکانیکی
• خواص الکتریکی
• خواص مغناطیسی

تعدادی از خواص غیر عادی این آلیاژ ها عبارتنداز: قابلیت تحمل تنش بالا ، سختای بالا ، قابلیت لوله شدن و مقاومت در برابر خوردگی که عمیقاً مورد توجه قرار گرفته است. به هر حال یکی از این خواص خاصیت نرم مغناطیسی آلیاژ آمورف مبنای آهن می باشد که باعث توجه فراوان به این آلیاژ و کوشش فراوان در جهت توسعه آن شده است.

آلیاژهای آمورف در رده موادهای سخت می باشد به طوری کلی سختی آنها ۱۰۰۰ بوده و حتی بعضی از آنها ۴ تا ۵ برابر فولاد سلیس دار سختی دارند. علی رغم سختی این آلیاژ، شکل دهی آنها ساده و آسان می باشد .خاصیت نرم مغناطیسی این مواد باعث می شود که تلفات هیسترزیس هنگامی که آلیاژ آمورف در یک میدان مغناطیسی متغییر قرار می گیرد کاهش یابد. این امر بکارگیری این آلیاژ در هسته موتورها و ترانس ها که در میدان ۵۰Hz کار می کنند را میسر ساخته است.

معایب ترانسفورماتورهای با هسته آلیاژ آمورف:

هزینه بالای هسته با آلیاژ آمورف که ۲۵٪ تا ۵۰٪ گرانتر از فولاد سلیس دار می باشد بزرگترین مانع برای استفاده بیشتر از این نوع هسته ها در تمام دنیا گردیده است . زیرا سختی بیش از حد مواد و شکل دهی نوارهای نازک شکننده به صورت هسته نیاز به تجهیزات تخصصی کارخانه ای دارد .

همچنین ترانسفورماتورهای توزیع با هسته آمورف (شامل تانک وروغن) حجیم تر و سنگینتر از ترانسفورماتور با هسته فولاد سیلیکونی با همان ظرفیت است. برای اکثر تاسیسات این اندازه بیشتر فیزیکی مشکلات خاصی را ایجاد نخواهد کرد.

با این حال ذخیره انرژی توسط هسته های آمورف به حدی است که هزینه های اضافی را توجیح مکند.