Faits intéressants sur les transformateurs

Chaque dispositif technique a deux anniversaires: la découverte du principe de fonctionnement et sa mise en œuvre. L'idée d'un transformateur après sept ans de dur labeur sur la «transformation du magnétisme en électricité» a été donnée par Michael Faraday.

Le 29 août 1831, Faraday décrivait dans son journal une expérience qui allait plus tard dans tous les manuels de physique. Sur un anneau de fer d'un diamètre de 15 cm et d'une épaisseur de 2 cm, l'expérimentateur enroulait séparément deux fils d'une longueur de 15 m et 18 m. Lorsqu'un courant circulait le long d'un des enroulements, les flèches du galvanomètre aux bornes de l'autre s'écartaient!

Le scientifique a appelé un appareil simple "Bobine d'induction". Lorsque la batterie a été allumée, le courant (inutile de le dire, constant) a progressivement augmenté dans l'enroulement primaire. Un flux magnétique a été induit dans l'anneau de fer, dont l'amplitude variait également. Une tension est apparue dans l'enroulement secondaire. Dès que le flux magnétique a atteint sa valeur limite, le courant "secondaire" a disparu.

DPour que la bobine fonctionne, la source d'alimentation doit être allumée et éteinte tout le temps (manuellement - avec un interrupteur à couteau ou mécaniquement - avec un interrupteur).

Illustration de l'expérience Faraday

Bobine d'induction de Faraday

Ppermanent ou variable?

De l'anneau de Faraday au transformateur de courant était loin, et la science a même collecté les données nécessaires sur les miettes. L'Américain Henry a enveloppé le fil avec du fil de soie - l'isolation est née.

Le Français Foucault a tenté de faire tourner les barres de fer dans un champ magnétique - et a été surpris: elles chauffaient. Le scientifique a compris la raison - les courants générés dans un champ magnétique alternatif ont été affectés. Pour limiter le chemin des courants de Foucault de Foucault, Upton, un employé d'Edison, a suggéré de fabriquer le noyau de fer préfabriqué - à partir de feuilles séparées.

En 1872, le professeur Stoletov a mené une étude fondamentale sur l'aimantation du fer doux, et un peu plus tard, l'Anglais Ewing a présenté un rapport à la Royal Society sur les pertes d'énergie lors de l'inversion de l'aimantation de l'acier.

L'ampleur de ces pertes, appelée «hystérésis» (du mot grec «histoire»), dépendait vraiment de l'échantillon «passé». Les grains des domaines métalliques, comme les tournesols derrière le soleil, tournent après le champ magnétique et sont orientés le long des lignes de force. Le travail dépensé en cela se transforme en chaleur. Cela dépend de la façon - faiblement ou fortement - et dans quelle direction les domaines ont été dirigés.

Les informations sur les propriétés magnétiques et conductrices se sont accumulées progressivement jusqu'à ce que la quantité se transforme en qualité. De temps en temps, les ingénieurs électriciens présentent au monde des surprises, mais l'événement principal de l'histoire des transformateurs doit être considéré comme un événement qui a fait que le monde en 1876 s'est tourné vers la Russie avec étonnement.

La raison en était la bougie Yablochkova. Dans les "lampes", un arc brûlait entre deux électrodes parallèles. À courant constant, une électrode brûle plus rapidement et le scientifique cherche constamment une issue.

En fin de compte, il a décidé, après avoir essayé de nombreuses façons, d'utiliser le courant alternatif, et voilà! - l'usure des électrodes est devenue uniforme. L'acte de Yablochkov était vraiment héroïque, car pendant ces années, il y avait une lutte acharnée entre les amateurs d'éclairage électrique et les propriétaires de compagnies de gaz. Mais pas seulement cela: les partisans de l'électricité eux-mêmes, à leur tour, se sont opposés à AC.

Ils ont reçu un courant alternatif, mais peu comprenaient ce que c'était. Des articles de longue durée ont été publiés dans des journaux et des magazines qui menaçaient les dangers du courant alternatif: "ce n'est pas la quantité qui tue, mais son changement". Le célèbre ingénieur électricien Chikolev a déclaré: "Toutes les machines à courant alternatif doivent être remplacées par des machines à courant continu."

Un spécialiste moins éminent, Lachinov, a publiquement blâmé Yablochkova, car "le courant continu est bon du tout, et le courant alternatif ne peut que briller".«Pourquoi les messieurs - les adeptes des bougies (les bougies à arc de Yablochkov) ne devraient-ils pas leur appliquer sérieusement le courant continu; car avec cela et seulement cela, ils pourraient offrir l'avenir de la chandelle », a-t-il écrit.

Il n'est pas surprenant que sous cette pression, Yablochkov ait finalement jeté ses bougies, mais, en plus de la «réhabilitation» partielle du courant alternatif, il a réussi à ouvrir le véritable «visage» des bobines d'induction. Ses bougies, connectées en série, étaient extrêmement de mauvaise humeur. Dès qu'une lampe-soit la raison est sortie, tout le monde est immédiatement sorti.

Yablochkov a connecté en série au lieu de «lampes» les enroulements primaires des bobines. Au secondaire, il a "planté" des bougies. Le comportement de chaque «lampe» n'a pas du tout affecté le travail des autres.

Certes, les bobines d'induction de la conception de Yablochkov différaient (et pas pour le mieux) de celles de Faraday - leurs noyaux ne se fermaient pas en anneau. Mais le fait que les bobines de courant alternatif fonctionnent en continu, et non périodiquement (lorsque le circuit est allumé ou éteint), a fait la renommée mondiale de l'inventeur russe.

Six ans plus tard, Usagin, un chercheur en médecine MSU, a développé (ou plutôt résumé) l'idée de Yablochkov. Usagin a connecté différents appareils électriques (pas seulement des bougies) aux enroulements de sortie des bobines, qu'il a appelés "générateurs secondaires".

Les bobines de Yablochkov et d'Usagin étaient quelque peu différentes l'une de l'autre. Parlant dans un langage moderne, le transformateur Yablochkova a augmenté la tension: dans l'enroulement secondaire, il y avait beaucoup plus de tours de fil mince que dans le primaire.

Le transformateur Usagin est isolant: le nombre de spires dans les deux enroulements était le même (3000), ainsi que les tensions d'entrée et de sortie (500 V).

CALENDRIER DES DATES SIGNIFICATIVES

Les bobines d'induction de Yablochkov et les «générateurs secondaires» d'Usagin ont commencé à acquérir des fonctionnalités que nous connaissons aujourd'hui à une vitesse fabuleuse transformateurs.

1884 - les frères Hopkinson ont fermé le noyau.

Auparavant, le flux magnétique traversait une barre d'acier, et partiellement du pôle nord au sud - dans l'air. La résistance à l'air est 8 000 fois supérieure à celle du fer. L'obtention d'une tension notable sur l'enroulement secondaire n'était possible que pour des courants importants passant par de nombreux spires. Si le noyau est transformé en anneau ou en cadre, la résistance est réduite au minimum.

Transformateur des années 1880 Brush electric light corporation

1885 - Le Hongrois Dery a l'idée d'allumer des transformateurs en parallèle. Avant cela, tout le monde utilisait une connexion série.

1886 - les Hopkinsons à nouveau. Ils ont appris à calculer des circuits magnétiques selon la loi d'Ohm. Au début, ils devaient prouver que les processus dans les circuits électriques et magnétiques peuvent être décrits par des formules similaires.

1889 - Le Suédois Swinburne propose de refroidir les enroulements du noyau et du transformateur avec de l'huile minérale, qui joue simultanément le rôle d'isolant. Aujourd'hui, l'idée de Swinburne a été développée: un circuit magnétique en acier avec enroulements est abaissé dans un grand réservoir, le réservoir est fermé avec un couvercle et après séchage, chauffage, évacuation, remplissage avec de l'azote inerte et d'autres opérations, de l'huile y est versée.

Transformateur - fin 19e - début 20e siècle (Angleterre)

Transformateur 4000 kVA (Angleterre) - début du 20e siècle.

Toki. Jusqu'à 150 000 a. Ce sont les courants qui alimentent les fours de fusion des métaux non ferreux. Dans les accidents, les poussées actuelles atteignent 300 à 500 mille a. (La capacité du transformateur sur les grands fours atteint 180 MW, la tension primaire est de 6-35 kV, sur les fours haute puissance jusqu'à 110 kV, secondaire 50-300V et dans les fours modernes jusqu'à 1200 V.)

Pertes. Une partie de l'énergie est perdue dans les enroulements, une partie - pour chauffer le noyau (courants de Foucault dans le fer et pertes d'hystérésis). Changement rapide électrique et magnétique nole dans le temps (50 Hz - 50 fois par seconde) fait que les molécules ou charges isolées s'orientent différemment: l'énergie est absorbée par le pétrole, les cylindres en bakélite, le papier, le carton, etc. d.

Les pompes de pompage d'huile chaude du transformateur à travers les radiateurs prennent un peu de puissance.

Et pourtant, en général, les pertes sont négligeables: dans l'une des plus grandes conceptions de transformateurs pour 630 milliers de kW, seulement 0,35% de la puissance est bloquée. Peu d'appareils peuvent se vanter. n. d. plus de 99,65%.

Pleine puissance. Les plus gros transformateurs sont «attachés» aux générateurs les plus puissants, de sorte que leurs puissances coïncident. Aujourd'hui, il y a 300, 500, 800 000 kW de puissance, demain ces chiffres passeront à 1-1,5 million, voire plus.

Le transformateur le plus puissant. Le transformateur le plus puissant fabriqué par la société autrichienne "Elin" et est conçu pour une centrale thermique en Ohio. Sa puissance est de 975 mégavolts-ampères, il doit augmenter la tension générée par les générateurs - 25 000 volts à 345 000 volts (Science et vie, 1989, n ° 1, p. 5).

Les huit plus grands transformateurs monophasés au monde ont une capacité de 1,5 million de kVA. Les transformateurs appartiennent à la société américaine Power Power Service. 5 d'entre eux réduisent la tension de 765 à 345 kV. ("Science et technologie")

En 2007, la Holding Elektrozavod (Moscou) a fabriqué le transformateur le plus puissant précédemment produit en Russie - TC-630000/330 d'une capacité de 630 MVA pour une tension de 330 kV, pesant environ 400 tonnes. Le transformateur de nouvelle génération a été développé pour les installations de Rosenergoatom Concern.

Transformateur domestique ORTs-417000/750 d'une capacité de 417 MVA pour une tension de 750 kV

Construction. Tout transformateur pour tout usage se compose de cinq composants: circuit magnétique, enroulements, réservoir, couvercle et traversées.

Le détail le plus important - le circuit magnétique - est constitué de tôles d'acier, chacune revêtue d'isolation des deux côtés - une couche de vernis d'une épaisseur de 0,005 mm.

Les dimensions, par exemple, des transformateurs de la centrale canadienne de Busheville (fabriquée par la société ouest-allemande Siemens) sont les suivantes: hauteur 10,5 m, diamètre en coupe 30 - 40 m.

Le poids de ces transformateurs est de 188 tonnes, des radiateurs, des expanseurs et de l'huile sont versés lors de leur transport, et les cheminots doivent toujours résoudre un problème difficile: 135 tonnes, ce n'est pas une blague! Mais une telle charge ne surprend personne: à la centrale nucléaire d'Obrichheim, il y a un groupe de transformateurs d'une capacité de 300 000 kW. Le «convertisseur» principal pèse 208 tonnes, celui de réglage - 101 tonnes.

Pour livrer ce groupe sur place, une plateforme ferroviaire de 40 mètres était nécessaire! Ce n'est pas plus facile pour nos ingénieurs en énergie: après tout, les conceptions qu'ils créent sont parmi les plus grandes au monde.

Transformateur de 388 tonnes! (USA)

Le travail. Un gros transformateur dure 94 jours sur 100. La charge moyenne est d'environ 55 à 65% de la valeur calculée. C'est très gaspilleur, mais rien ne peut être fait: un appareil tombera en panne, sa sous-étude assez rapidement "s'éteint au travail". Si, par exemple, la structure est surchargée de 40%, alors en deux semaines son isolation s'use, comme dans une année de service normal.

Parmi les étudiants, il y a longtemps une légende au sujet d'un excentrique qui répond à la question "Comment fonctionne un transformateur?" "" Avec débrouillardise "répondit:" Oooo ... "Mais seulement aujourd'hui la raison de ce bruit devient claire.

Il s'avère que ce n'est pas la vibration des plaques d'acier mal liées entre elles, l'ébullition de l'huile et la déformation élastique des enroulements qui sont à blâmer. La cause peut être considérée comme une magnétostriction, c'est-à-dire un changement de la taille du matériau pendant la magnétisation. Comment faire face à ce phénomène physique est encore inconnu, de sorte que le réservoir du transformateur est garni de boucliers insonorisés.

Les normes pour les «voix» des transformateurs sont assez strictes: à une distance de 5 m - pas plus de 70 décibels (niveau de la parole forte, bruit de voiture), et à une distance de 500 m, où les bâtiments résidentiels sont généralement situés, environ 35 décibels (marches, musique silencieuse).

Même un examen aussi bref nous permet de tirer deux conclusions importantes. Le principal avantage du transformateur est l'absence de pièces mobiles. Pour cette raison, un k élevé est atteint. n. d., excellente fiabilité, entretien facile. Le plus gros inconvénient est le poids et les dimensions énormes.

Et il faut encore augmenter la taille: après tout, la puissance des transformateurs devrait croître plusieurs fois dans les prochaines décennies.

Transformateur Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV

HYMN

Les transformateurs sont les machines technologiques les plus immobiles. «CES PONT DE FER FIABLE. .. ”Ainsi, soulignant la simplicité de la conception et le grand poids, le Français appelé Janvier a appelé transformateurs.

Mais cette immobilité est apparente: les enroulements sont entourés de courants, et des flux magnétiques se déplacent le long du noyau en acier. Cependant, parler sérieusement du mouvement des électrons est quelque peu gênant. Les particules chargées glissent à peine le long des conducteurs, se déplaçant en une heure à peine un demi-mètre. Entre les moments d'entrée et de sortie du groupe d'électrons «étiquetés», environ un an s'écoule.

Pourquoi, alors, la tension dans l'enroulement secondaire se produit presque simultanément avec l'inclusion? Il n'est pas difficile de répondre: la vitesse de propagation de l'électricité est déterminée non pas par la vitesse des électrons, mais par les ondes électromagnétiques associées. Les impulsions d'énergie se développent de 100 à 200 000 km par seconde.

Le transformateur "ne fait pas d'histoires", mais cela ne parle nullement de sa tendance "interne" au repos. L'interaction des courants dans les conducteurs conduit à l'apparition de forces tendant à comprimer les enroulements en hauteur, à les déplacer les uns par rapport aux autres, à augmenter le diamètre des spires. Il est nécessaire d'entraver les enroulements avec des bandages, des entretoises, des coins.

Éclatant de forces internes, le transformateur ressemble à un géant enchaîné s'efforçant de briser les chaînes. Dans cette lutte, une personne gagne toujours. Mais derrière les voitures apprivoisées, il faut un œil et un œil. Une dizaine de blindages électroniques, relais et gaz sont installés sur chaque structure, qui surveillent les températures, les courants, les tensions, la pression du gaz et, au moindre dysfonctionnement, coupent l'alimentation, évitant ainsi un accident.

On le sait déjà: le principal inconvénient des transformateurs d'aujourd'hui est leur gigantisme. La raison en est également claire: tout dépend des propriétés des matériaux utilisés. Donc, peut-être, si vous cherchez bien, il y aura d'autres idées pour convertir l'électricité, en plus de celle que Faraday a déjà proposé?

Malheureusement (et peut-être heureusement - qui sait), il n'y a pas encore de telles idées, et leur apparition est peu probable. Tant que le courant alternatif règne dans le secteur de l'énergie et qu'il reste nécessaire de modifier sa tension, l'idée de Faraday est au-delà de la concurrence.

Les transformateurs ne pouvant être abandonnés, peut-être sera-t-il possible de réduire leur nombre?

Vous pouvez "économiser" sur les transformateurs, si vous améliorez le système d'alimentation actuel. Le réseau électrique urbain moderne ressemble au système circulatoire humain. Du câble principal, les succursales «via une réaction en chaîne» aux consommateurs locaux. La tension est progressivement réduite à 380 V, et à tous les niveaux, il est nécessaire d'installer des transformateurs.

Les experts anglais ont développé en détail une autre option, plus rentable. Ils proposent d'alimenter Londres selon ce schéma: un câble de 275 mille, entre dans le centre-ville. Ici, le courant est redressé et la tension chute "automatiquement" à 11 000 volts, le courant continu est fourni aux usines et aux zones résidentielles, est à nouveau converti en tension alternative et diminue en tension. Plusieurs niveaux de tension disparaissent, moins de transformateurs, de câbles et d'appareils associés.

La fréquence des fluctuations actuelles dans notre pays est de 50 Hz. Il s'avère que si vous passez à 200 Hz, le poids du transformateur sera réduit de moitié! Ici, il semblerait, un vrai moyen d'améliorer la conception. Cependant, avec une augmentation de la fréquence du courant d'un facteur 4, les résistances de tous les éléments du système d'alimentation et la perte totale de puissance et de tension augmenteront en même temps. Le mode de fonctionnement de la ligne va changer et sa restructuration ne portera pas ses fruits.

Au Japon, par exemple, une partie du système d'alimentation fonctionne à 50 Hz et d'autres à 60 Hz. Quoi de plus simple pour amener le système à un «dénominateur»? Mais non: cela n'est pas seulement entravé par la propriété privée des centrales électriques et des lignes à haute tension, mais aussi par le coût élevé des modifications à venir.

Transformateur ABB

La taille des transformateurs peut être réduite en remplaçant les matériaux magnétiques et conducteurs actuels par de nouvelles propriétés bien meilleures. Quelque chose a déjà été fait: par exemple, construit et testé transformateurs supraconducteurs.

Bien sûr, le refroidissement complique la conception, mais le gain est évident: les densités de courant augmentent à 10 000, et contre la précédente (1 a) pour chaque millimètre carré de la section du fil. Cependant, seuls très peu de passionnés risquent de parier sur les transformateurs à basse température, car l'avantage sur l'enroulement est complètement neutralisé par les capacités limitées du circuit magnétique en acier.

Mais ici, ces dernières années, il y a eu une issue: soit pour lier les enroulements primaire et secondaire sans intermédiaire - l'acier, soit pour trouver des matériaux mieux que le fer dans les propriétés magnétiques. La première voie est très prometteuse, et de tels transformateurs "à air" ont déjà été testés. Les enroulements sont enfermés dans un boîtier en supraconducteur - un «miroir» idéal pour un champ magnétique.

La boîte ne laisse pas sortir le champ et ne lui permet pas de se disperser dans l'espace. Mais nous l'avons déjà dit: la magnétorésistance de l'air est très importante. Vous devrez enrouler trop de tours "primaires" et leur appliquer des courants trop élevés pour obtenir un "secondaire" notable.

Une autre façon - les nouveaux aimants - promet également beaucoup. Il s'est avéré qu'à très basse température, l'holmium, l'erbium, le dysprosium deviennent magnétiques et leurs champs de saturation sont plusieurs fois supérieurs à ceux du fer (!). Mais, d'une part, ces métaux appartiennent au groupe des terres rares, et sont donc rares et chers, et, d'autre part, les pertes d'hystérésis en eux seront, selon toute probabilité, beaucoup plus élevées que dans l'acier.

V. Stepanov

Selon les documents de la revue "Youth Technology"