در اين مقاله سعي شده كه برتري كيفي مواد مغناطيسي نو ظهوري بنام آمورف را كه چندي است كانون بررسي هاي ژرف پژوهشگران بوده در برابر ورقهاي فولاد سليس دار به اثبات برسانيم.

اساسي ترين دليل براي توجه به اين مواد تلفات اندك آن مي باشد .در اين پروژه اثر بكارگيري مواد مغناطيسي آمورف در هسته ترانسهاي تكفاز و سه فاز توزيع بروي تلفات بي باري آنها نسبت به مواد سليس دار بررسي مي شود. چندي است كه نظريه جديدي بنام ارزيابي تلفات مطرح شده است ، بدان معنا كه در بسياري از نقاط جهان در طراحي بسياري از ترانس ها حتي آنهايي كه با مواد فولاد سليس دار ساخته مي شوند چگالي شار بيشينه به عمد كمتر مي گيرند تا تلفات هسته را به حداقل برسانند. لذا با اين وجود اينكه چگالي شار بيشينه آمورف نسبت به چگالي شار مواد متداول كمتر مي باشد ديگر يك عيب براي براي مواد آمورف تلقي نمي گردد يعني با همين چگالي شار حدوداً ۱/۳۵ تا ۱/۴ تسلا مي توان به حجم و اندازه و وزن كم كه همراه با تلفات بسيار كم نيز مي باشد دست يافت.

جايگاه ترانسفورماتورها در شبكه انتقال و توزيع:

تبديل انرژي جايگاه مخصوص در قلب تكنولوژي دارد در حالي كه بر اساس قانون ترموديناميك و الكترو مغناطيس ما از قافله عقب هستيم . در شبكه برق رساني از نيروگاه تا مصرف كننده در اثر نا مناسب بودن ترانسفورماتورهاي توزيع اتلاف انرژي قابل توجهي رخ مي دهد. قبل از آنكه انرژي از نيروگاه به مصرف كننده برسد در چندين مرحله توسط ترانسفورماتورهاي توزيع ، كم وزياد شده و در هر مرحله اتلاف انرژي صورت مي گيرد.

ترانسفورماتورها بر خلاف ماشين هاي الكتريكي كه انرژي الكتريكي و مكانيكي را به هم تبديل مي كنند در نوع انرژي الكتريكي تغيير نمي دهد، بلكه ولتاژ و جريان را با همان فركانس از نظر مقدار تبديل مي نمايد به عبارت ديگر ترانسفورماتور يك وسيله الكترومغناطيسي ساكن است كه مي تواند انرژي جريان متناوب را از مداري به مدار ديگر با مقدار با حفظ بسامد جريان متناوب انتقال دهد بطوري كه انرژي با ولتاژ پايين را تبديل به همان انرژي با ولتاژ بالاتر نمايد.

امروزه ترانسفورماتورها وسيله اي ضروري در دستگاههاي انتقال و توزيع انرژي الكتريكي بشمار مي آيند. ترانسفورماتورها بطور وسيع در مدار وسائل الكترونيكي و مدار دستگاهع هاي خودكار وسائل راه اندازي موتورهاي الكتريكي ، تطبيق ولتاژ مورد نياز جهت تغذيه مصرف كننده ها و ايجاد سيستم هاي چند فازه از سيستم هاي دو فازه وتطبيق امپدانس بكار مي رود.

در ميان ماشين هاي ساخت دست بشر بالاترين راندمان متعلق به ترانسفورماتورها مي باشد كه بسته به قدرت آنها بين ۹۸٪ تا ۹۹٪ است . اگر چه اين راندمان بسيار بالا است ، اما با افزايش قدرت ترانس مسئله دفع حرارت و انرژي تلف شده در ترانسفورماتورها اهميت پيدا مي كند. در يك ترانسفورماتور با ظرفيت ۱۰۰MVA و راندمان ۹۹٪ با فرض ضريب قدرت يك در هر ساعت يك مگا وات انرژي تبديل به حرارت مي شود، با توجه به اثر مخرب حرارت بروي عايق هاي ترانسفورماتورها وسائل و روشهاي دفع حرارت ايجاد شده و نگهداشتن درجه حرارت قسمت هاي داخلي ترانس در حد مجاز موجب افزايش راندمان ترانسفورماتور مي شود.

تلفات در ترانسفورماتورها:

تلفات در ترانسفورماتورها را مي توان از لحاظ ماهيت به دو نوع بي باري وبارداري تقسيم نمود. تلفات بي باري شامل تلفات آهني دي الكتريك و كرونا تابع ولتاژ مي باشد. و در شبكه توزيع نيرو فقط تلفات آهني ترانسفورماتورهاي توزيع شايان اهميت مي باشد. تلفات آهني شامل تلفات جريان گردابي و هيسترزيس مي باشد . و باقي تلفات مربوط به تلفات بار يا تلفات مسي مي باشد.

از آنجايي كه در اين پروژه كيفيت وراندمان مغناطيسي آلياژ آمورف در هسته ترانسفورماتور نسبت به هسته هاي فولاد سليس دار مورد نظر مي باشد بنابراين فقط تلفات آهني هسته را مورد مطالعه قرار مي دهيم.

كاهش تلفات و افزايش راندمان:

سازندگان ترانسفورماتورها با بهينه سازي طرح هندسي و ساخت هسته سعي در بدست آوردن بالاترين راندمان از ورقهاي مغناطيسي دارند. با توجه به خواص مواد فولاد سليس دار بهينه سازي در اين نوع مواد محدود بوده و بهره گيري از آن چندان قابل توجه نخواهد بود .

جايگزيني آلياژ آمورف در هسته ترانسفورماتور بجاي فولاد سليس دار افق جديدي را در بهينه سازي اتلاف انرژي نشان مي دهد.

اتلاف انرژي در شبكه برق ايران حدود ۱۲ ميليارد كيلو وات ساعت مي باشد . جبران اين انرژي تلف شده نيازمند به مصرف حدود ۸۴ ميليون بشكه نفت يا معادل آن سوزاندن ذغال سنگ مي باشد كه منجر به آزاد شدن ۴۲۰۰۰ تن دي اكسيد سولفور و ۴۸ ميليون تن دي اكسيد كربن در هوا مي شود. با توجه به اين معضلات تحقيق در راستاي كاهش چنين اتلاف انرژي قابل توجهي ضروري به نظر مي رسد.

از اوايل دهه هفتاد ميلادي به بعد تحول بزرگي در صنعت و نوع مواد هسته ترانس پديد آمد كه با معرفي مواد آمورف آغاز گرديد . بدون شك يكي از عالي ترين روش ها براي كاهش تلفات آهني در هسته ترانسفورماتورهاي توزيع بوده است.

طرح بررسي اقتصادي ساخت ترانسفورماتور توزيع با آلياژ آمورف در جنرال الكتريك آمريكا كه يكي از بزرگترين سازندگان ترانسفورماتورمي باشد در سا ل ۱۹۷۸ آغاز شد هدف از اجراي اين طرح بررسي ساخت و برآورد اقتصادي به منظور ارزيابي كاربرد بالقوه آلياژ آمورف در هسته ترانسفورماتورهاي توزيع بود.

ترانسفورماتورهاي توزيع با اين نوع هسته در اوايل دهه ۱۹۸۰ معرفي شدند و اكنون سالهاي زيادي است كه در سرويس هستند طراحي هسته آمورف منجر به كاهش تلفات هسته در حدود ۷۰٪ نسبت به طراحي ها با هسته فولاد سليكوني مي شود. براي مثال تلفات هسته يك ترانسفورماتورجديد آمورف باظرفيت۵۰KVA ممكن است تنها ۳۰ وات باشد در حاليكه اين مقدار براي ترانسفورماتوري با طراحي كم تلفات به صورت نوعي برابر ۱۰۰ وات است.

ماهيت آلياژ آمورف:

درمورد ماهيت مواد آمورف بايد گفت كه اين مواد فلزاتي هستند كه ساختار اتمي آنها در هم ريخته و غير سوري است . در حقيقت از لحاظ ساختمان اتمي شبيه به شيشه ها هستند. فلزات شيشه اي ، جامدات غير متوازن هستند كه مشخصات ساختماني آنها شبيه به برف است كه سرد شدن سريع مايع باعث مي شود كه شكل ذوب شده مولكولها در اين مواد باقي بماند.

اولين ماده توليد شده از اين نوع در سال ۱۹۶۰ توسط دانشمند معروف دوز ساخته شده است . استفاده از مواد آمورف در مدارهاي مغناطيسي ترانسفورماتورهاي توزيع مي تواند تلفات مربوط به هسته هاي آهني را به ميزان زيادي كاهش دهد و در نتيجه صرفه جويي عظيم اقتصادي را بهمراه داشته باشد .

سازندگان مواد آمورف اينگونه مواد را با تعابير گوناگوني نامگذاري نموده اند، كه از جمله آنها مي توان عبارت فلزات آمورف ، شيشه هاي فلزي و آلياژ شيشه اي را نام برد . به طور كلي معناي ساده اين عبارات آلياژ فلزي با ساختار اتمي غير شبكه اي مي باشد.

خواص مهم آلياژ آمورف:

• خواص مكانيكي
• خواص الكتريكي
• خواص مغناطيسي

تعدادي از خواص غير عادي اين آلياژ ها عبارتنداز: قابليت تحمل تنش بالا ، سختاي بالا ، قابليت لوله شدن و مقاومت در برابر خوردگي كه عميقاً مورد توجه قرار گرفته است. به هر حال يكي از اين خواص خاصيت نرم مغناطيسي آلياژ آمورف مبناي آهن مي باشد كه باعث توجه فراوان به اين آلياژ و كوشش فراوان در جهت توسعه آن شده است.

آلياژهاي آمورف در رده موادهاي سخت مي باشد به طوري كلي سختي آنها ۱۰۰۰ بوده و حتي بعضي از آنها ۴ تا ۵ برابر فولاد سليس دار سختي دارند. علي رغم سختي اين آلياژ، شكل دهي آنها ساده و آسان مي باشد .خاصيت نرم مغناطيسي اين مواد باعث مي شود كه تلفات هيسترزيس هنگامي كه آلياژ آمورف در يك ميدان مغناطيسي متغيير قرار مي گيرد كاهش يابد. اين امر بكارگيري اين آلياژ در هسته موتورها و ترانس ها كه در ميدان ۵۰Hz كار مي كنند را ميسر ساخته است.

معايب ترانسفورماتورهاي با هسته آلياژ آمورف:

هزينه بالاي هسته با آلياژ آمورف كه ۲۵٪ تا ۵۰٪ گرانتر از فولاد سليس دار مي باشد بزرگترين مانع براي استفاده بيشتر از اين نوع هسته ها در تمام دنيا گرديده است . زيرا سختي بيش از حد مواد و شكل دهي نوارهاي نازك شكننده به صورت هسته نياز به تجهيزات تخصصي كارخانه اي دارد .

همچنين ترانسفورماتورهاي توزيع با هسته آمورف (شامل تانك وروغن) حجيم تر و سنگينتر از ترانسفورماتور با هسته فولاد سيليكوني با همان ظرفيت است. براي اكثر تاسيسات اين اندازه بيشتر فيزيكي مشكلات خاصي را ايجاد نخواهد كرد.

با اين حال ذخيره انرژي توسط هسته هاي آمورف به حدي است كه هزينه هاي اضافي را توجيح مكند.