Аморфні сплави і економія
28 Лип
2017
Полезное

Аморфні сплави і економія

Енергоефективність, екологічність, економічність - тренди сучасної електроенергетики. Аморфні сплави в магнітопроводах силових трансформаторів почали застосовувати відносно недавно, спробуємо з'ясувати якими ж є ці сплави  і наскільки їх використання може допомогти в реалізації сучасних тенденцій.

Аморфний сплав - це певний вид прецизійного сплаву. Його відмінною характеристикою від сплавів кристалічної структури є цілий комплекс фізичних і хімічних властивостей. Одним з основних відмінностей аморфного сплаву від електротехнічної сталі є відсутність періодичності в розташуванні атомів. А також вони відрізняються від кристалічних більшою стійкістю до корозії, міцніші в кілька разів і мають кращу електромагнітну характеристику.

Шляхом хімічного підбору і методу охолодження, яке проводиться зі швидкістю, що перевищує швидкість кристалізації (на диск, який обертається з великою швидкістю виливається готовий розплав), досягається аморфний стан металу. Як тільки розплав потрапляє на обертовий диск він різко охолоджується (швидкість охолодження становить приблизно 106 К/с), він має схожість з аморфною структурою скла і приймає форму стрічки товщиною 15 ÷ 60 мкм. З отриманої стрічки йде виготовлення магнітопроводів, шляхом набору в стрижні, навіювання в кільцеві сердечники або виробництва U образних сердечників. Завдяки сучасній технології стало можливо отримання сердечників різних діаметрів, починаючи від декількох міліметрів, закінчуючи півметровим діаметром. Шляхом термомагнітної обробки відбувається надання спеціальних властивостей сплавам (можна отримати петлю гістерезису певної форми): структура стає частково кристалізованою, аморфною або виходить нанокристалічною.

У 1988 році інженерами фірми Hitachi Metals вперше був розроблений так званий нанокристалічний сплав.

Найбільшу магнітну проникність і найменшу коерцитивну силу смуги з нанокристалічною структурою отримує завдяки розташуванню кристалів діаметром від 10 до 20 нм по всій магнітопроводній стрічці сердечника. Через відносно високу питому опори (від 110 мкОм / см. до 120 мкОм / см.) і незначної товщини стрічки з'явилася можливість домогтися найменшої коерцитивної сили і найбільшої магнітної проникності.

У магнітопроводах з фериту, пермалою і електротехнічної сталі, значно великі питомі магнітні втрати, що не можна сказати про властивості магнітопроводів виготовлених з нанокристалічних та аморфних сплавів. У цих сердечниках відносно висока початкова і максимальна проникність і така ж індукція насичення при роботі на високих частотах. За рахунок своїх фізичних властивостей магнітопроводи, виготовлені з аморфних сплавів, широко застосовуються в метрології, а саме при конструюванні вимірювальних трансформаторів напруги та струму, і так само при виготовленні силових трансформаторів. У магнітопроводах яких, зазвичай, застосовують складену уп'ятеро стрічку з аморфного сплаву (залізо - 78%, бор 13% і кремній 9%).

Зниження втрат

За показниками Metglas втрати за рік у силових трансформаторах розподільних мереж у яких використовується магнітопровід з електротехнічної сталі, складають близько 8% їх закупівельної вартості. У таблиці наведено середні втрати ХХ для силових трансформаторів на номінальну напругу 10 кВ і потужністю від 25 до 2500 кВА.

Потужність трьохфазового трансформатора 10 кВ

Приблизні  втрати ХХ,  магнітопроводу -  трансформаторна криця SiFe  Приблизні  втрати ХХ,  магнітопроводу -  аморфний сплав

Порівняльне зниження втрат, %

25
кВА

100 28

72%

40
кВА

140 39

72%

63
кВА

180 50

72%

100
кВА

260 66

75%

250
кВА

520 150

71%

630
кВА

1,000 280

77%

1000
кВА

1.700 350

80%

1600
кВА

2,100 490

77%

2500
кВА

2,700 550

80%

Як видно з таблиці, використання в магнитопроводах аморфних матеріалів, замість традиційної трансформаторної сталі дозволяє скоротити втрати холостого ходу в 4-5 разів. І, хоча, такі трансформатори мають велику вартість, за рахунок своєї економічності, в довгостроковій перспективі виявляються більш вигідним вкладенням.