Qu'est-ce qu'un transformateur de distribution en alliage amorphe ?

En termes simples, un transformateur de distribution en alliage amorphe est un transformateur de distribution dont le matériau de base utilise un « alliage amorphe » au lieu des tôles d'acier au silicium traditionnelles. Son objectif principal est de réduire considérablement la perte de puissance du transformateur lui-même.

(cliquez sur l'image pour voir le transformateur de distribution en alliage amorphe)

I. Comprenez d’abord pourquoi les transformateurs ont des pertes

La fonction du transformateur de distribution est de convertir l’électricité haute tension de 10 kV en électricité basse tension de 220 volts pour un usage résidentiel. Ce processus lui-même entraîne des pertes d'énergie, qui sont principalement divisées en deux catégories :

• Perte de cuivre : perte causée par l'échauffement lorsque le courant traverse la bobine, liée à la taille de la charge
• Perte de fer (perte à vide) : tant que le transformateur est sous tension, le noyau de fer sera magnétisé et démagnétisé à plusieurs reprises, ce qui consomme de l'énergie dans le processus. La perte de fer est ininterrompue 24 heures sur 24

Les transformateurs traditionnels utilisent des tôles d'acier au silicium commenoyau de fer, qui doit surmonter une grande résistance pendant la magnétisation, de sorte que la perte de fer est élevée. L’émergence de matériaux en alliages amorphes vise à résoudre ce problème.

II. Quel type de matériau est un alliage amorphe ?

L'alliage amorphe est un matériau métallique dans lequel les atomes sont disposés dans un état désordonné.

Les atomes des métaux ordinaires (comme l’acier au silicium) sont disposés régulièrement, comme des briques soigneusement empilées. C'est ce qu'on appelle "cristallin". Lors de la production d'alliages amorphes, le métal en fusion se solidifie rapidement à une vitesse de refroidissement d'environ 1 million de degrés Celsius par seconde. Les atomes sont « gelés » avant de pouvoir être disposés dans l’ordre, formant une structure désordonnée semblable au verre.

Les caractéristiques apportées par cette structure désordonnée sont : l'aimantation est extrêmement facile et la perte par hystérésis est extrêmement faible.

III. Avantages principaux : Excellents avantages en matière d'économie d'énergie et de protection de l'environnement

La principale raison pour laquelle les transformateurs de distribution en alliage amorphe ont attiré beaucoup d'attention réside dans leurs performances révolutionnaires en matière d'économie d'énergie. Par rapport aux transformateurs traditionnels en acier au silicium, ses avantages se reflètent principalement dans les aspects suivants :

1. Perte à vide extrêmement faible : en raison de l'efficacité de magnétisation et de démagnétisation extrêmement élevée des matériaux en alliage amorphe, sa perte de fer (c'est-à-dire la perte à vide) est considérablement réduite de 70 % à 80 % par rapport aux transformateurs traditionnels en acier au silicium, et le courant à vide est également réduit d'environ 85 %. Cela signifie que lorsque le transformateur est sous tension mais non chargé, il consomme très peu d’énergie propre.

2. Bénéfices environnementaux significatifs : La réduction des pertes se traduit directement par une réduction de la demande de production d’électricité et des émissions de gaz à effet de serre. Selon les estimations, si les transformateurs en alliage amorphe étaient pleinement utilisés dans les réseaux de distribution de grands pays en développement comme la Chine et l'Inde, 25 à 30 térawattheures (TWh) d'électricité pourraient être économisés chaque année et les émissions de dioxyde de carbone pourraient être réduites de 20 à 30 millions de tonnes.

3. Haute sécurité et fiabilité : les transformateurs en alliage amorphe adoptent généralement des structures entièrement scellées et des conceptions de réservoirs d'huile ondulés, qui non seulement ne nécessitent pas d'entretien, mais ont également une excellente résistance aux courts-circuits. Son matériau isolant présente une bonne résistance à la chaleur et une faible élévation de température de fonctionnement, ce qui retarde efficacement le vieillissement de l'isolation. Sa durée de vie peut généralement atteindre plus de 20 ans. De plus, les transformateurs en alliage amorphe de type sec sont incombustibles, antidéflagrants, ne produisent pas de gaz toxiques et sont extrêmement sûrs.

IV. Caractéristiques structurelles et processus de fabrication

Afin de tirer pleinement parti des performances des matériaux en alliage amorphe, les transformateurs en alliage amorphe ont également leurs propres caractéristiques uniques en matière de conception et de fabrication :

Structure spéciale du noyau de fer : la bande d'alliage amorphe est extrêmement fine (l'épaisseur n'est que d'environ 0,03 mm) et a une dureté élevée, ce qui la rend difficile à couper comme les tôles d'acier au silicium. Par conséquent, son noyau est généralement composé de quatre cadres de noyau séparés juxtaposés pour former une disposition triphasée à cinq colonnes, et adopte un processus de laminage pour réduire les dommages par cisaillement sur les propriétés magnétiques du matériau.

Sensibilité aux contraintes et traitement de recuit : Les alliages amorphes sont très sensibles aux contraintes mécaniques, et les contraintes entraîneront une forte augmentation des pertes. Par conséquent, le noyau de fer doit être évité en tant que principale pièce porteuse dans la conception structurelle, et le noyau de fer doit subir un recuit strict après le laminage pour éliminer les contraintes internes et restaurer ses caractéristiques de faibles pertes.

Enroulement à section rectangulaire : afin de correspondre à la forme du cadre central, les enroulements adoptent généralement une structure de couches rectangulaires à double couche ou multicouche avec une section transversale rectangulaire, ce qui rend la conception globale plus compacte.

V. Comment ça marche ?

Le principe de fonctionnement est le même que tous les transformateurs : induction électromagnétique. La bobine haute tension et la bobine basse tension sont enroulées sur le même noyau de fer et la conversion de tension est réalisée grâce à un champ magnétique alternatif.

La seule différence réside dans le matériau de base. Le noyau de fer en alliage amorphe est composé de couches de bandes amorphes extrêmement fines (environ 0,025 à 0,03 mm d'épaisseur). Ces bandes mesurent généralement environ 170 mm de large et ont la forme d'un anneau plat.

Étant donné que la résistance de magnétisation est extrêmement faible, même s’il fonctionne longtemps sans charge, le noyau de fer lui-même consomme très peu d’énergie électrique.

VI. Où est-il principalement utilisé ?

Partout où une alimentation électrique 24 heures sur 24 est requise et où le taux de charge n'est pas élevé ou instable, les transformateurs en alliage amorphe sont très adaptés :

• Réseau de distribution urbain et rural : les zones rurales ont de faibles charges électriques et de longues périodes sans charge, et l'effet d'économie d'énergie est des plus évidents.
• Zone résidentielle : pendant la période de faible consommation d'énergie la nuit, le transformateur est dans un état de charge légère pendant une longue période
• Centres de données et stations de base de communication : fonctionnent toute l’année et sont très sensibles aux coûts de l’électricité
• Nouvelles centrales énergétiques : les délais de production d’énergie photovoltaïque et éolienne sont discontinus et les transformateurs sont souvent peu chargés.
• Métros, aéroports, hôpitaux : nécessitent une alimentation électrique continue et ont des exigences strictes en matière de consommation d'énergie.

VII. Résumé

Les transformateurs de distribution en alliage amorphe sont des équipements de distribution économes en énergie qui utilisent un matériau métallique spécial plus facile à magnétiser comme noyau, de sorte que le transformateur puisse « voler » moins d'électricité en mode veille. Son coût d'achat initial est plus élevé, mais comme il économise de l'électricité chaque jour, il peut s'amortir en quelques années et constituera un bénéfice net pendant plus de dix ans.