Zajímavá fakta o transformátorech

Každé technické zařízení má dvě narozeniny: objev principu fungování a jeho implementaci. Myšlenku transformátoru po sedmi letech tvrdé práce na „transformaci magnetismu na elektřinu“ uvedl Michael Faraday.

29. srpna 1831 Faraday ve svém deníku popsal experiment, který později přešel do všech učebnic fyziky. Na železném prstenci o průměru 15 cm a tloušťce 2 cm experimentátor navíjel samostatně dva dráty dlouhé 15 ma 18 m. Když proud protékal jedním z vinutí, galvanometrické šipky na svorkách druhého se odchýlily!

Vědec nazval jednoduché zařízení "Indukční cívka". Když byla baterie zapnuta, proud (netřeba říkat konstantní) se postupně zvyšoval v primárním vinutí. V železném prstenci byl indukován magnetický tok, jehož velikost se také měnila. V sekundárním vinutí se objevilo napětí. Jakmile magnetický tok dosáhl své mezní hodnoty, „sekundární“ proud zmizel.

DAby cívka fungovala, musí být zdroj energie neustále zapnutý a vypnutý (ručně - nožovým spínačem nebo mechanicky - spínačem).

Faraday zkušenost ilustrace

Indukční cívka Faraday

Ptrvalé nebo proměnná?

Od Faradayova kruhu k současnému transformátoru byl daleko a věda dokonce i poté shromažďovala potřebná data o drobkách. Američan Henry ovinul drát hedvábnou nití - zrodila se izolace.

Francouz Foucault se pokusil otáčet železnými tyčemi v magnetickém poli - a byl překvapen: zahřívali se. Vědec pochopil důvod - ovlivněny byly proudy generované v střídavém magnetickém poli. Aby omezil cestu vířivých proudů, Foucault, Upton, zaměstnanec společnosti Edison, navrhl výrobu železného jádra prefabrikovaného - ze samostatných listů.

V roce 1872 profesor Stoletov provedl základní studii magnetizace měkkého železa a o něco později Angličan Ewing představil Královské společnosti zprávu o energetických ztrátách při obrácení magnetizace oceli.

Rozsah těchto ztrát, nazývaných „hysteretický“ (z řeckého slova „historie“), skutečně závisel na „minulém“ vzorku. Zrna kovu - domény, jako slunečnice za sluncem, se otáčí za magnetickým polem a jsou orientovány podél sil. Práce vynaložené v tomto se promění v teplo. Záleží na tom, jak - slabě nebo silně - a jakým směrem byly domény směrovány.

Informace o magnetických a vodivých vlastnostech se hromadily postupně, až se množství změnilo na kvalitu. Elektrotechničtí pracovníci občas představili světu překvapení, ale hlavní událost v historii transformátorů by měla být považována za událost, která způsobila, že se svět v roce 1876 v úžasu obrátil k Rusku.

Důvodem byla svíčka Yablochková. V „lampách“ hořel oblouk mezi dvěma paralelními elektrodami. Při stálém proudu jedna elektroda hořila rychleji a vědec neustále hledal cestu ven.

Nakonec se rozhodl, jak vyzkoušel mnoho způsobů, použít střídavý proud, a hle, aj! - opotřebení elektrody je jednotné. Yablochkov akt byl opravdu hrdinský, protože v těch letech došlo k prudkému boji mezi nadšenci elektrického osvětlení a majiteli plynárenských společností. Ale nejen to: zastánci elektřiny sami naopak jednomyslně oponovali AC.

Dostali střídavý proud, ale málokdo pochopil, co to je. Dlouhodobé články byly publikovány v novinách a časopisech, které ohrožovaly nebezpečí střídavého proudu: „není to množství, které zabíjí, ale jeho změna.“ Známý elektrotechnik Chikolev prohlásil: „Všechny stroje se střídavým proudem musí být nahrazeny stroji se stejnosměrným proudem.“

Neméně prominentní specialista Lachinov Yablochkovou veřejně obviňoval, protože „stejnosměrný proud je vůbec dobrý a střídavý proud může svítit jen“."Proč by se pánové - přívrženci svíček (Yablochkovovy obloukové svíce) neměli snažit vážně použít stejnosměrný proud;" protože s tímto a pouze tímto mohli poskytnout budoucnost při svíčkách, “napsal.

Není divu, že pod tímto tlakem Yablochkov konečně hodil svíčky, ale kromě částečné „rehabilitace“ střídavého proudu se mu podařilo otevřít i pravou „tvář“ indukčních cívek. Jeho svíčky, zapojené do série, byly nesmírně náladové. Jakmile jedna lampa-buď důvod vyšel, všichni ostatní okamžitě vyšli.

Yablochkov připojil v sérii místo „lamp“ primární vinutí cívek. Na druhé straně "zasadil" svíčky. Chování každé „lampy“ vůbec neovlivnilo práci druhých.

Je pravda, že indukční cívky designu Yablochkova se lišily (a ne k lepšímu) od Faradayových - jejich jádra se neuzavřela do prstenu. Ale skutečnost, že cívky střídavého proudu fungovaly nepřetržitě, a ne pravidelně (když byl obvod zapnut nebo vypnut), přinesla světovému slávě ruského vynálezce.

O šest let později Usagin, výzkumný pracovník medicíny MSU, vyvinul (nebo spíše shrnul) myšlenku Yablochkova. Usagin připojil různá elektrická zařízení (nejen svíčky) k výstupním vinutím cívek, které nazýval „sekundární generátory“.

Cívky Yablochkov a Usagin se od sebe poněkud lišily. V moderním jazyce, Yablochkova transformátor zvýšila napětí: v sekundárním vinutí bylo mnohem více zákrutů tenkého drátu než v primárním.

Usaginový transformátor se izoluje: počet závitů v obou vinutích byl stejný (3000) a také vstupní a výstupní napětí (500 V).

KALENDÁŘ VÝZNAMNÝCH DAT

Yablochkovovy indukční cívky a Usaginovi „sekundární generátory“ začali získávat funkce, které dnes známe, s úžasnou rychlostí transformátory.

1884 - jádro uzavřeli bratři Hopkinsonové.

Dříve magnetický tok procházel ocelovou tyčí a částečně ze severního pólu na jih - vzduchem. Odpor vzduchu je 8 tisíckrát větší než odpor železa. Získání znatelného napětí na sekundárním vinutí bylo možné pouze u velkých proudů procházejících mnoha závity. Pokud je jádro vyrobeno do prstence nebo rámu, pak se odpor sníží na minimum.

Transformátor osmdesátých let Štětec elektrické světlo korporace

1885 - Maďarský Dery dostal nápad zapnout transformátory paralelně. Předtím všichni používali sériové připojení.

1886 - znovu Hopkinsonové. Naučili se, jak vypočítat magnetické obvody podle Ohmova zákona. Nejprve museli prokázat, že procesy v elektrických a magnetických obvodech lze popsat podobnými vzorci.

1889 - Švéd Swinburne navrhl chlazení vinutí jádra a transformátoru minerálním olejem, který současně hraje roli izolace. Dnes byla vyvinuta Swinburnova myšlenka: ocelový magnetický obvod s vinutím je spuštěn do velké nádrže, nádrž je uzavřena víkem a po vysušení, zahřátí, evakuaci, naplnění inertním dusíkem a dalších operacích se do ní vlije olej.

Transformátor - konec 19. - začátek 20. století (Anglie)

Transformátor 4000 kVA (Anglie) - začátek 20. století.

Toki. Až 150 tisíc. Jedná se o proudy, které napájí pece pro tavení barevných kovů. Při nehodách dosahuje současná přepětí 300–500 tisíc a. (Výkon transformátoru na velkých pecích dosahuje 180 MW, primární napětí je 6-35 kV, na vysoce výkonných pecích do 110 kV, sekundárních 50-300V a v moderních pecích do 1200 V.)

Ztráty. Část energie je ztracena ve vinutí, část - pro ohřev jádra (vířivé proudy v ztrátách železa a hystereze). Rychlá výměna elektrického a magnetického nole in time (50 Hz - 50krát za sekundu) odlišuje orientaci molekul nebo nábojů v izolaci: energie je absorbována olejem, bakelitovými válci, papírem, lepenkou atd. d.

Čerpadla pro čerpání horkého oleje z transformátorů pomocí radiátorů vyžadují určitou energii.

A přesto jsou ztráty obecně zanedbatelné: v jednom z největších návrhů transformátorů s výkonem 630 000 kW uvízne jen 0,35% energie. Jen málo zařízení se může pochlubit. n. d. více než 99,65%.

Plná síla. Největší transformátory jsou „připojeny“ k nejsilnějším generátorům, takže jejich síly se shodují. Dnes je k dispozici 300, 500, 800 tisíc kW výkonových jednotek, zítra se tyto hodnoty zvýší na 1-1,5 milionu, nebo dokonce více.

Nejvýkonnější transformátor. Nejvýkonnější transformátor vyrobený rakouskou společností "Elin" a je určen pro tepelnou elektrárnu v Ohiu. Jeho síla je 975 megavolt-ampér, musí zvýšit napětí generované generátory - 25 tisíc voltů na 345 tisíc voltů (Science and Life, 1989, č. 1, s. 5).

Osm největších jednofázových transformátorů na světě má kapacitu 1,5 milionu kVA. Transformátory vlastní americká společnost Power Power Service. 5 z nich snižuje napětí z 765 na 345 kV. („Věda a technologie“)

V roce 2007 holdingová společnost Elektrozavod (Moskva) vyrobila nejvýkonnější transformátor, který byl dříve vyroben v Rusku - TC-630000/330 s kapacitou 630 MVA pro napětí 330 kV, vážící asi 400 tun. Transformátor nové generace byl vyvinut pro zařízení koncernu Rosenergoatom.

Domácí transformátor ORTs-417000/750 s kapacitou 417 MVA pro napětí 750 kV

Konstrukce. Jakýkoli transformátor pro jakýkoli účel se skládá z pěti součástí: magnetický obvod, vinutí, nádrž, kryt a pouzdra.

Nejdůležitější detail - magnetický obvod - je vyroben z ocelových plechů, z nichž každý je na obou stranách potažen izolací - lakovací vrstvu o tloušťce 0,005 mm.

Rozměry například transformátorů kanadské elektrárny Busheville (vyráběné západoněmeckou společností Siemens) jsou následující: výška 10,5 m, průměr průřezu 30 - 40 m.

Hmotnost těchto transformátorů je 188 tun. Během přepravy se z nich vylévají radiátory, expandéry a ropa a všichni pracovníci železnice musí vyřešit složitý problém: 135 tun není vtip! Takové zatížení však nikoho nepřekvapuje: v jaderné elektrárně Obrichheim je skupina transformátorů s kapacitou 300 tisíc kW. Hlavní „převodník“ váží 208 tun, seřizovací jeden - 101 tun.

K dodání této skupiny na místo byla nutná 40 metrů železniční platforma! Pro naše energetické inženýry to není snazší: vzory, které vytvářejí, patří nakonec k největším na světě.

Transformátor 388 tun! (USA)

Práce. Velký transformátor trvá 94 dní ze 100. Průměrné zatížení je asi 55-65% vypočtené. To je velmi zbytečné, ale nedá se nic udělat: jedno zařízení selže, jeho pochopitelně docela rychle doslova „shoří při práci“. Pokud je například konstrukce přetížena o 40%, pak se izolace za dva týdny opotřebuje, jako v roce běžného provozu.

Mezi studenty existuje již dlouho legenda o excentru, který odpovídá na otázku „Jak funguje transformátor?“ "" Resourcefully "odpověděl:" Oooo ... "Ale až dnes je důvod tohoto hluku jasný.

Ukazuje se, že to nejsou vibrace ocelových desek, které jsou vzájemně špatně spojeny, vroucí ropa a elastická deformace vinutí. Příčinu lze považovat za magnetostrikci, tj. Změnu velikosti materiálu během magnetizace. Jak se vypořádat s tímto fyzickým jevem, není dosud známo, takže transformátorová nádrž je obložena zvukově izolačními štíty.

Normy pro „hlasy“ transformátorů jsou velmi přísné: ve vzdálenosti 5 m - ne více než 70 decibelů (úroveň hlasité řeči, hluk automobilu) a ve vzdálenosti 500 m, kde se obvykle nacházejí obytné budovy, asi 35 decibelů (kroky, tichá hudba).

I taková krátká recenze nám umožňuje vyvodit dva důležité závěry. Hlavní výhodou transformátoru je absence pohyblivých částí. Díky tomu je dosaženo vysoké k. n. d., vynikající spolehlivost, snadná údržba. Největší nevýhodou je obrovská hmotnost a rozměry.

A stále musíte zvětšit velikost: Koneckonců, výkon transformátorů by měl v nadcházejících desetiletích několikrát růst.

Transformátor Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV

HYMN

Transformátory jsou nejsmutnější stroje technologie. "TATO SPOLEHLIVÝ IRON DECK." .. “Francouz zdůraznil jednoduchost konstrukce a velkou váhu a nazval Janvier transformátory.

Ale tato imobilita je zřejmá: vinutí jsou obklopena proudy a magnetické toky se pohybují podél ocelového jádra. Avšak seriózní mluvení o pohybu elektronů je jaksi nepříjemné. Nabité částice se sotva plazí podél vodičů a pohybují se za hodinu jen půl metru. Mezi okamžiky vstupu a výstupu „označené“ skupiny elektronů uběhne asi rok.

Proč se tedy napětí v sekundárním vinutí vyskytuje téměř současně se začleněním? Není těžké odpovědět: rychlost šíření elektřiny není určována rychlostí elektronů, ale přidruženými elektromagnetickými vlnami. Pulzy energie se vyvíjejí na 100-200 tisíc km za sekundu.

Transformátor „nedělá“, ale to nijak nehovoří o jeho „vnitřní“ tendenci k odpočinku. Interakce proudů ve vodičích vede ke vzniku sil, které mají tendenci stlačovat vinutí ve výšce, posunout je vůči sobě navzájem a zvětšit průměr závitů. Vinutí je třeba poutat obvazy, vzpěrami, klíny.

Transformátor, prasklý vnitřními silami, připomíná spoutaný obří, který se snaží rozbít řetězy. V tomto boji člověk vždy vyhrává. Ale za zkrocenými vozy potřebujete oko a oko. Na každé struktuře je instalováno asi deset elektronických, reléových a plynových štítů, které monitorují teploty, proudy, napětí, tlak plynu a při nejmenší poruše vypnou napájení, čímž předejdou nehodě.

Už víme: hlavní nevýhodou dnešních transformátorů je jejich gigantismus. Důvod je také jasný: vše záleží na vlastnostech použitých materiálů. Možná tedy, pokud budete hledat dobře, existují jiné nápady na přeměnu elektřiny, kromě těch, které kdysi Faraday navrhl?

Bohužel (a možná naštěstí - kdo ví) zatím takové nápady neexistují a jejich vzhled je nepravděpodobný. Dokud v energetickém sektoru vládne střídavý proud a existuje potřeba změnit jeho napětí, myšlenka Faradaye je nad konkurencí.

Protože transformátory nelze opustit, bude možné snížit jejich počet?

Pokud vylepšíte stávající napájecí systém, můžete „uložit“ na transformátory. Moderní městská elektrická síť připomíná lidský oběhový systém. Z hlavního kabelu se větve „prostřednictvím řetězové reakce“ větví k místním spotřebitelům. Napětí se postupně snižuje na 380 V a na všech úrovních je nutné instalovat transformátory.

Angličtí odborníci podrobně vypracovali další, výhodnější variantu. Nabízejí k napájení Londýna podle tohoto schématu: do centra města vstupuje kabel 275 tisíc. Zde je proud usměrňován a napětí „automaticky“ klesá na 11 000 voltů, stejnosměrný proud je dodáván do továren a obytných oblastí, je opět přeměněn na střídavé a snižující se napětí. Zmizí několik úrovní napětí, méně transformátorů, kabelů a souvisejících zařízení.

Frekvence současných výkyvů v naší zemi je 50 Hz. Ukazuje se, že pokud přejdete na 200 Hz, hmotnost transformátoru se sníží na polovinu! Zdá se, že zde je skutečný způsob, jak vylepšit design. Avšak při zvýšení frekvence proudu o faktor 4 se současně zvýší odpory všech prvků energetického systému a celková ztráta energie a napětí. Způsob provozu linky se změní a její restrukturalizace se nevyplatí úsporami.

Například v Japonsku pracuje část energetického systému při 50 Hz a jiná při 60 Hz. Co je snazší přivést systém k jednomu „jmenovateli“? Ale ne: tomu nebrání jen soukromé vlastnictví elektráren a vedení vysokého napětí, ale také vysoké náklady na nadcházející změny.

Transformátor ABB

Velikost transformátorů může být snížena nahrazením dnešních magnetických a vodivých materiálů novými, mnohem lepšími vlastnostmi. Něco již bylo provedeno: například postaveno a testováno supravodivé transformátory.

Chlazení samozřejmě komplikuje konstrukci, ale zisk je zřejmý: současné hustoty vzrůstají na 10 tisíc a oproti předchozímu (1 a) za každý milimetr čtverečního průřezu drátu. Sázení na nízkoteplotní transformátory však riskuje jen velmi málo nadšenců, protože výhoda vinutí je zcela neutralizována omezenými schopnostmi ocelového magnetického obvodu.

Ale v posledních letech tu byla cesta ven: buď vázat primární a sekundární vinutí bez prostředníka - oceli, nebo najít materiály, které mají lepší magnetické vlastnosti než železo. První způsob je velmi slibný a takové „vzduchové“ transformátory již byly testovány. Vinutí jsou uzavřena v krabici vyrobené ze supravodiče - ideální „zrcadlo“ pro magnetické pole.

Krabice nedovolí poli ven a neumožňuje mu rozptylovat se v prostoru. Ale už jsme řekli: magnetorezistence vzduchu je velmi velká. Budete muset zatočit příliš mnoho „primárních“ zatáček a aplikovat na ně příliš vysoké proudy, abyste získali znatelné „sekundární“.

Jiný způsob - nové magnety - také hodně slibuje. Ukázalo se, že při velmi nízkých teplotách se holmium, erbium, dysprosium stávají magnetickými a jejich saturační pole jsou několikrát větší než u železa (!). Za prvé však tyto kovy patří do skupiny vzácných zemin, a proto jsou vzácné a drahé, a za druhé budou ztráty hystereze v nich s největší pravděpodobností mnohem vyšší než v oceli.

V. Štěpanov

Podle materiálů časopisu „Technologie pro mládež“