ট্রান্সফরমারের ‘হৃদপিণ্ড’ হিসেবে, লোহার কোর তড়িৎচুম্বকীয় শক্তি রূপান্তরে একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। এটি কেবল ট্রান্সফরমারের শক্তি দক্ষতার কার্যকারিতাকেই প্রভাবিত করে না, বরং যন্ত্রপাতির আয়তন, ওজন এবং পরিচালনগত নির্ভরযোগ্যতার সাথেও সরাসরি সম্পর্কিত। শিল্পে ব্যবহৃত বিশুদ্ধ লোহা থেকে শুরু করে আজকের অনিয়তাকার সংকর ধাতু পর্যন্ত লোহার কোরের উপাদানের বিবর্তন ট্রান্সফরমার প্রযুক্তির গৌরবময় বিকাশের সাক্ষী হয়েছে।
লৌহ কোরের মূল কার্যকারিতা এবং কর্মক্ষমতার প্রয়োজনীয়তা
ট্রান্সফরমার কোরের প্রধান কাজ হলো একটি কার্যকর চৌম্বক বর্তনী প্রদান করা, যা তড়িৎ-চৌম্বকীয় আবেশের নীতির মাধ্যমে বিভিন্ন বর্তনীর মধ্যে বৈদ্যুতিক শক্তি সঞ্চালনে সহায়তা করে। লোহার কোরের কার্যকারিতা সরাসরি ট্রান্সফরমারের প্রযুক্তিগত এবং অর্থনৈতিক সূচকগুলোকে প্রভাবিত করে। লোহার কোরের উপাদানের জন্য মৌলিক প্রয়োজনীয়তাগুলো হলো: একটি নির্দিষ্ট কম্পাঙ্ক এবং চৌম্বক প্রবাহ ঘনত্বে কম কোর লস, এবং একটি নির্দিষ্ট চৌম্বক ক্ষেত্রের প্রাবল্যে উচ্চ চৌম্বক প্রবাহ ঘনত্ব।
কোর লসের দুটি অংশ রয়েছে: হিস্টেরেসিস লস এবং এডি কারেন্ট লস। হিস্টেরেসিস লস পদার্থের চৌম্বকায়নের অসুবিধার সাথে সম্পর্কিত, অন্যদিকে এডি কারেন্ট লস লোহার কোরে পরিবর্তী চৌম্বক ফ্লাক্স দ্বারা আবিষ্ট সঞ্চালনশীল প্রবাহের কারণে ঘটে। এই লসগুলো কমাতে, আদর্শ লোহার কোর উপাদানের উচ্চ বৈদ্যুতিক রোধাঙ্ক, উচ্চ চৌম্বক ভেদ্যতা এবং নিম্ন কোয়ার্সিভিটি থাকা উচিত।
লৌহ কোর উপাদানের বিবর্তন প্রক্রিয়া
ট্রান্সফরমার কোরের উপাদানের উন্নয়ন এক দীর্ঘ ও রোমাঞ্চকর যাত্রার মধ্য দিয়ে গেছে। সর্বপ্রথম ট্রান্সফরমার কোরগুলোতে চৌম্বকীয় উপাদান হিসেবে সাধারণ কার্বন স্টিলের তার বা কার্বন স্টিল ব্যবহার করা হতো। ১৮৮৫ সালে, হাঙ্গেরির গানজ কারখানা একটি বদ্ধ চৌম্বকীয় বর্তনীসহ প্রথম একক-ফেজ ট্রান্সফরমার তৈরি করে, এবং এর লোহার কোরটি এই ধরনের উপাদান দিয়ে তৈরি ছিল।
১৯০০ সালে, ইংরেজ আর. এ. হ্যাডফিল্ড এবং অন্যান্যরা আবিষ্কার করেন যে, মৃদু ইস্পাতের সাথে সিলিকন যোগ করলে এর রোধাঙ্ক বৃদ্ধি পায়, এডি কারেন্ট ও হিস্টেরেসিস লস কমে যায় এবং ‘কোর এজিং’ নামক ঘটনাটি প্রশমিত হয়। ১৯০৩ সালে, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র এবং জার্মানি হট-রোল্ড সিলিকন স্টিল শিট উৎপাদন শুরু করে, যা সিলিকন স্টিল শিটের যুগের সূচনা করে।
হট-রোল্ড সিলিকন স্টিল শিটগুলিতে অসম কর্মক্ষমতা এবং উচ্চ ক্ষয়ের মতো সমস্যা রয়েছে। ১৯৩০-এর দশকে, কোল্ড-রোল্ড সিলিকন স্টিল শিটের প্রযুক্তিতে যুগান্তকারী অগ্রগতি সাধিত হয়। ১৯৩৩ সালে, গাউস দুটি কোল্ড রোলিং এবং অ্যানিলিং পদ্ধতি ব্যবহার করে রোলিং দিক বরাবর উচ্চ চৌম্বকীয় বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন ৩% সিলিকন স্টিল উৎপাদন করেন। ১৯৩৫ সালে, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের আর্মকো স্টিল কোম্পানি ওয়েস্টিংহাউস কোম্পানির সাথে যৌথভাবে কোল্ড-রোল্ড ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিলের উৎপাদন শুরু করে।
১৯৬০-এর দশকের পর থেকে প্রধান শিল্পোন্নত দেশগুলো ক্রমান্বয়ে হট-রোল্ড সিলিকন স্টিল শিট উৎপাদন বন্ধ করে দেয় এবং উন্নততর কর্মক্ষমতাসম্পন্ন কোল্ড-রোল্ড সিলিকন স্টিল শিটের দিকে ঝুঁকে পড়ে। ১৯৬৪ সালে, জাপানের নিপ্পন স্টিল কর্পোরেশন উচ্চ ভেদ্যতা সম্পন্ন গ্রেইন ওরিয়েন্টেড কোল্ড-রোল্ড সিলিকন স্টিল শিট (হাই-বি স্টিল) উদ্ভাবন করে, যা ট্রান্সফরমারের নো-লোড লস আরও কমিয়ে আনে।
১৯৭০-এর দশকে অ্যামরফাস অ্যালয় উপাদানগুলো ঐতিহাসিক মঞ্চে আত্মপ্রকাশ করে। ১৯৭৪ সালে ইউনাইটেড মাইক্রোইলেক্ট্রনিক্স কর্পোরেশন লোহা-ভিত্তিক অ্যামরফাস অ্যালয় তৈরি করে এবং ১৯৭৮ সালে মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র ১০ কেভিএ অ্যামরফাস আয়রন কোর ট্রান্সফরমার উদ্ভাবন করে। এই নতুন ধরনের উপাদানটির বৈশিষ্ট্য হলো এর অত্যন্ত কম আয়রন লস, যা প্রচলিত সিলিকন স্টিল শিটের মাত্র ১/৩ থেকে ১/৫ ভাগ, এবং এটি ট্রান্সফরমারের জন্য শক্তি সাশ্রয়ের এক নতুন যুগের সূচনা করে।
লোহার কোর উপকরণের প্রধান প্রকারভেদ এবং বৈশিষ্ট্য
সিলিকন স্টিলের শীট
সিলিকন স্টিল শিট হলো সিলিকন আয়রনের একটি নরম চৌম্বকীয় সংকর ধাতু, যাতে কার্বনের পরিমাণ অত্যন্ত কম থাকে এবং সাধারণত সিলিকনের পরিমাণ ০.৫-৪.৫% হয়। সিলিকন যোগ করলে আয়রনের বৈদ্যুতিক রোধ এবং সর্বোচ্চ চৌম্বকীয় ভেদ্যতা বৃদ্ধি পায় এবং কোয়ার্সিভিটি, কোর লস ও ম্যাগনেটিক এজিং হ্রাস পায়। সিলিকন স্টিল শিটকে দুটি শ্রেণীতে ভাগ করা যায়: হট-রোল্ড এবং কোল্ড-রোল্ড, যেখানে কোল্ড-রোল্ড শিটকে আবার ওরিয়েন্টেড এবং নন-ওরিয়েন্টেড প্রকারে বিভক্ত করা হয়।
কোল্ড রোল্ড নন-ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিল শিট বলতে ০.৫%~৪.০% (Si+Al) এর একটি সংকর ধাতুকে বোঝায়, যা কোল্ড-রোলিং করে ০.৬৫মিমি, ০.৫মিমি এবং ০.৩৫মিমি আকারে তৈরি করা হয় এবং তারপর অ্যানিলিং ও কোটিং করা হয়। এর দানার গঠন তুলনামূলকভাবে বিক্ষিপ্ত এবং এর চৌম্বকীয় বৈশিষ্ট্য সব দিকে তুলনামূলকভাবে সুষম।
ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিলের সহজে চুম্বকায়িতযোগ্য <001> দিকে উচ্চ চৌম্বক ভেদ্যতা এবং কম ক্ষয়ের বৈশিষ্ট্য রয়েছে, যা ট্রান্সফরমারের মতো স্থির বিদ্যুৎ সরঞ্জামের চৌম্বক পরিবাহিতার প্রয়োজনীয়তা পূরণ করে। সাধারণ ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিলের (CGO) গড় দানা বিন্যাস বিচ্যুতি কোণ প্রায় ৭° এবং সম্পৃক্ত চৌম্বক সংবেদনশীলতার মান B8 ১.৮২ টেসলার উপরে; উচ্চ চৌম্বক বিন্যাসযুক্ত ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিলের (Hi-B) গড় দানা বিন্যাস বিচ্যুতি কোণ প্রায় ৩° এবং B8-এর মান ১.৯০ টেসলার উপরে।
অস্ফটিক সংকর ধাতু
অ্যামরফাস অ্যালয় হলো একটি ধাতব কার্যকরী উপাদান, যার পরমাণুগুলো উপাদান ম্যাট্রিক্সে এলোমেলোভাবে বণ্টিত থাকে এবং এর গঠন "কাঁচের মতো" হয়। একটি সাধারণ অ্যামরফাস অ্যালয়ে ৮০% লোহা থাকে এবং বাকি উপাদানগুলো হলো বোরন ও সিলিকন। এই উপাদানটির বৈশিষ্ট্য হলো উচ্চ স্যাচুরেশন ম্যাগনেটিক ইন্ডাকশন স্ট্রেংথ (১.৫৪ টেসলা), উচ্চ ম্যাগনেটিক পারমিয়াবিলিটি, নিম্ন এক্সাইটেশন কারেন্ট এবং অত্যন্ত কম আয়রন লস।
লোহা-ভিত্তিক অ্যামরফাস অ্যালয়গুলির আয়রন লস ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিল শিটের তুলনায় মাত্র এক-তৃতীয়াংশ থেকে এক-পঞ্চমাংশ, যা প্রচলিত সিলিকন স্টিল ট্রান্সফরমারের তুলনায় অ্যামরফাস অ্যালয় ট্রান্সফরমারের নো-লোড লস ৭০% থেকে ৮০% কমিয়ে দেয়। অ্যামরফাস অ্যালয়গুলির স্যাচুরেশন ম্যাগনেটিক ফ্লাক্স ডেনসিটি তুলনামূলকভাবে কম (প্রায় ১.৫ টেসলা), তাই রেটেড ম্যাগনেটিক ফ্লাক্স ডেনসিটি সাধারণত ১.৩-১.৪ টেসলা হিসেবে নির্বাচন করা হয়।
অ্যামরফাস অ্যালয় স্ট্রিপের পুরুত্ব অত্যন্ত পাতলা, মাত্র ০.০৩ মিমি, যার ফলে অ্যামরফাস আয়রন কোরের ল্যামিনেশন সহগ হয় মাত্র প্রায় ৮০%। যদিও সিলিকন স্টিল শিটের তুলনায় অ্যামরফাস অ্যালয়ের আপেক্ষিক গুরুত্ব কম, তবুও আয়রন কোরের ওজন তুলনামূলকভাবে ভারী।
মূল কাঠামোর নকশা
ট্রান্সফরমার কোরের কাঠামোর নকশাতেও উল্লেখযোগ্য বিবর্তন ঘটেছে। সর্বপ্রথম স্তরিত লোহার কোর থেকে শুরু করে সি-আকৃতির লোহার কোর এবং তারপর বলয়াকার (কুণ্ডলী পাকানো লোহার কোর) পর্যন্ত, প্রতিটি কাঠামোরই নিজস্ব বৈশিষ্ট্য ও সুবিধা রয়েছে।
বৃত্তাকার লোহার কোরটি সিলিকন স্টিলের স্ট্রিপ পেঁচিয়ে তৈরি করা হয়, অনেকটা ঘড়ির স্প্রিং শক্ত করে পেঁচানোর মতো। এই ধরনের লোহার কোরে কোনো বায়ু ফাঁক ছাড়াই একটি অবিচ্ছিন্ন চৌম্বকীয় বর্তনী থাকে, যার ফলে চৌম্বকীয় রোধ কম এবং দক্ষতা বেশি হয়। একই ক্ষমতার ল্যামিনেটেড ট্রান্সফরমারের তুলনায় টরয়েডাল ট্রান্সফরমারের সুবিধা হলো এর ছোট আকার, হালকা ওজন এবং কম চৌম্বকীয় লিকেজ।
অ্যামরফাস অ্যালয় ট্রান্সফর্মারের ক্ষেত্রে, এর উপাদানগুলো কাটার অসুবিধার কারণে, এগুলোকে সাধারণত কুণ্ডলীবদ্ধ লোহার কোর কাঠামো হিসেবে ডিজাইন করা হয়। একটি সিঙ্গেল-ফেজ ট্রান্সফর্মারের কোর কাঠামো হলো একটি ফ্রেম, অন্যদিকে একটি থ্রি-ফেজ ট্রান্সফর্মারের কোর কাঠামো চারটি ফ্রেমকে একত্রিত করে একটি থ্রি-ফেজ ফাইভ কলাম কাঠামোর অনুরূপ গঠনে তৈরি করা হয়। এই কাঠামো প্রতিটি ফেজ ওয়াইন্ডিংকে ম্যাগনেটিক সার্কিটের দুটি স্বাধীন ফ্রেমে স্থাপন করতে সক্ষম করে, যা কার্যকরভাবে তৃতীয় হারমোনিক ম্যাগনেটিক ফ্লাক্সের প্রভাব দূর করে।
লোহার কোর উপাদান তৈরির প্রক্রিয়া
সিলিকন স্টিল শিটের উৎপাদন প্রক্রিয়া জটিল, বিশেষ করে ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিল শিটের ক্ষেত্রে। এর উৎপাদন প্রক্রিয়া জটিল, প্রসেস উইন্ডো সংকীর্ণ এবং উৎপাদনের অসুবিধা বেশি। এটি “ইস্পাত পণ্যের হস্তশিল্প” হিসাবে পরিচিত।
কোল্ড-রোল্ড নন-ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিল শিট তৈরির প্রক্রিয়ায় সাধারণত অন্তর্ভুক্ত থাকে: স্টিল বিলেট বা কন্টিনিউয়াস কাস্টিং বিলেটকে হট রোলিং করে প্রায় ২.৩ মিমি পুরুত্বের কয়েল তৈরি করা, এরপর অ্যাসিড ওয়াশিং, কোল্ড রোলিং, অ্যানিলিং এবং ইনসুলেশন ফিল্ম কোটিং প্রক্রিয়া। উচ্চ সিলিকনযুক্ত পণ্যের ক্ষেত্রে, হট রোলিংয়ের পর প্রথমে সেগুলোকে ৮০০-৮৫০ ℃ তাপমাত্রায় নর্মালাইজ করা প্রয়োজন, এরপর অ্যাসিড ওয়াশিং, একটি নির্দিষ্ট পুরুত্ব পর্যন্ত কোল্ড রোলিং, অ্যানিলিং, তারপর কম রিডাকশন রেটে কোল্ড রোলিং এবং সবশেষে ফাইনাল অ্যানিলিং করা হয়।
অ্যামরফাস সংকর ধাতু উৎপাদনের সবচেয়ে প্রচলিত পদ্ধতি হলো একটি উচ্চ-গতিতে ঘূর্ণায়মান তামার ওয়াইন্ডিং ফ্রেমে গলিত ধাতব বাষ্প স্প্রে করা, এবং গলিত ধাতুটি প্রতি সেকেন্ডে ১০৬ ডিগ্রি সেলসিয়াস হারে শীতল ও জমাট বেঁধে পাতলা পাঁজরে পরিণত হয়। ভালো চৌম্বকীয় বৈশিষ্ট্য পাওয়ার জন্য, দ্রুত শীতল করার ফলে সৃষ্ট উচ্চ অভ্যন্তরীণ পীড়ন অবশ্যই ২০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস থেকে ২৮০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের মধ্যে অ্যানিলিং করে কমাতে হবে।
লোহার কোর উপাদানের শক্তি সাশ্রয়ী সুবিধা
বিদ্যুৎ ব্যবস্থায় ট্রান্সফর্মারের সংখ্যা অনেক এবং এগুলোর ধারণক্ষমতাও বিশাল, যার ফলে মোট অপচয়ের পরিমাণও অনেক বেশি। অনুমান করা হয় যে, চীনে ট্রান্সফর্মারের কারণে মোট অপচয় সিস্টেমের মোট বিদ্যুৎ উৎপাদনের প্রায় ১০%। অপচয় প্রতি ১% কমালে বছরে শত শত কোটি কিলোওয়াট-ঘণ্টা বিদ্যুৎ সাশ্রয় করা সম্ভব।
অ্যামরফাস অ্যালয় আয়রন কোর ট্রান্সফরমারের উল্লেখযোগ্য শক্তি সাশ্রয়ী প্রভাব রয়েছে। S9 সিরিজের সিলিকন স্টিল ট্রান্সফরমারের তুলনায় SH12 সিরিজের অ্যামরফাস অ্যালয় কোর ট্রান্সফরমারের নো-লোড লস প্রায় ৭৫% হ্রাস পায়। যদিও অ্যামরফাস অ্যালয় ট্রান্সফরমারগুলো প্রচলিত ট্রান্সফরমারের চেয়ে বেশি ব্যয়বহুল, তবে এগুলোর পরিচালন ব্যয় অত্যন্ত কম এবং বিনিয়োগ ফেরত আসতে সাধারণত ২-৫ বছর সময় লাগে।
সাংহাই, জিয়াংসু এবং ঝেজিয়াং প্রদেশের মতো অর্থনৈতিকভাবে উন্নত অঞ্চলগুলো ব্যাপকভাবে অ্যামরফাস অ্যালয় ট্রান্সফরমার ব্যবহার শুরু করেছে। জিয়াংসু ইলেকট্রিক পাওয়ার কোম্পানি ভবিষ্যতে নতুন ও সংস্কারকৃত লাইন স্থাপনের পরিকল্পনা করছে এবং সেখানে অ্যামরফাস অ্যালয় ট্রান্সফরমারের ব্যবহার ৩০%-এর কম হবে না।
লৌহ কোর উপকরণের উন্নয়ন প্রবণতা
আয়রন কোর উপকরণগুলো কম আয়রন লস এবং উচ্চ চৌম্বকীয় আবেশের দিকে বিকশিত হচ্ছে। এর মধ্যে রয়েছে সিলিকন স্টিল শিট, যা কম আয়রন লস সম্পন্ন উচ্চ-দক্ষতার মোটরের জন্য নন-ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিল, পাতলা স্পেসিফিকেশনের অতি-কম আয়রন লস ও উচ্চ চৌম্বকীয় আবেশ সম্পন্ন ওরিয়েন্টেড সিলিকন স্টিল এবং মাঝারি ও উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সির শক্তি-সাশ্রয়ী বৈদ্যুতিক যন্ত্রপাতির জন্য হাই সিলিকন স্টিল।
উচ্চ সিলিকন ইস্পাত (৪.৫%~৬.৭% সিলিকনযুক্ত Si Fe সংকর ধাতু)-এর বৈশিষ্ট্য হলো উচ্চ কম্পাঙ্কে উল্লেখযোগ্যভাবে কম লৌহ ক্ষয়, উচ্চ সর্বোচ্চ চৌম্বকীয় ভেদ্যতা এবং কম বলপ্রয়োগ ক্ষমতা। কিন্তু এতে সিলিকনের পরিমাণ খুব বেশি এবং কক্ষ তাপমাত্রায় এর নমনীয়তা অত্যন্ত দুর্বল, যার ফলে একে রোল করা এবং আকার দেওয়া কঠিন হয়ে পড়ে। বর্তমানে, প্রধানত সিলিকন অনুপ্রবেশ প্রক্রিয়ার মাধ্যমে অ-অভিমুখী ৬.৫% Si Fe সংকর ধাতু প্রস্তুত করা হয়।
ন্যানো-সংশোধিত উপকরণ এবং জৈব-ভিত্তিক উপকরণও ভবিষ্যতের উন্নয়নের অন্যতম দিক। পরিবেশ সুরক্ষার ক্রমবর্ধমান চাহিদার সাথে সাথে, অ-বিষাক্ত, জৈব-বিয়োজনযোগ্য বা পুনর্ব্যবহারযোগ্য লৌহ-মূল উপকরণের উন্নয়ন একটি গুরুত্বপূর্ণ গবেষণার ক্ষেত্র হয়ে উঠবে।
উপসংহার
ট্রান্সফরমার কোরের উপাদানের বিবর্তনে পদার্থ বিজ্ঞান এবং তড়িৎ প্রকৌশলের এক নিখুঁত সমন্বয় ঘটেছে। সাধারণ কার্বন স্টিল থেকে সিলিকন স্টিল শিট এবং তারপর অ্যামরফাস অ্যালয় পর্যন্ত, উপাদানের প্রতিটি যুগান্তকারী অগ্রগতি ট্রান্সফরমারের শক্তি দক্ষতার স্তরকে উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করেছে।
আজকের বিশ্বে যেখানে শক্তি সংরক্ষণ এবং নির্গমন হ্রাস একটি বৈশ্বিক ঐকমত্যে পরিণত হয়েছে, সেখানে দক্ষ আয়রন কোর উপাদান নির্বাচন কেবল অর্থনৈতিক সুবিধার সাথেই সম্পর্কিত নয়, বরং এটি একটি পরিবেশগত দায়িত্বও বটে। ভবিষ্যতে, নতুন নতুন উপাদান এবং প্রক্রিয়ার ক্রমাগত আবির্ভাবের সাথে সাথে, ট্রান্সফরমার কোরগুলো কম অপচয় এবং উচ্চতর দক্ষতার দিকে বিকশিত হতে থাকবে, যা একটি সবুজ এবং স্বল্প-কার্বন শক্তি ব্যবস্থা নির্মাণে অবদান রাখবে।
পোস্ট করার সময়: ২৯ আগস্ট, ২০২৫
