Interesanti fakti par transformatoriem

Katrai tehniskajai ierīcei ir divas dzimšanas dienas: darbības principa atklāšana un ieviešana. Ideju par transformatoru pēc septiņu gadu smaga darba pie “magnētisma pārvēršanas elektrībā” deva Maikls Faradejs.

1831. gada 29. augustā Faraday savā dienasgrāmatā aprakstīja eksperimentu, kas vēlāk nonāca visās fizikas mācību grāmatās. Uz dzelzs gredzena ar diametru 15 cm un biezumu 2 cm eksperimentators atsevišķi ietina divus vadus ar garumu 15 m un 18 m. Kad gar vienu no tinumiem plūda strāva, galvanometra bultiņas uz otra spailēm novirzījās!

Zinātnieks sauca vienkāršu ierīci "Indukcijas spole". Ieslēdzot akumulatoru, primārajā tinumā pakāpeniski palielinājās strāva (lieki teikt, ka konstante). Dzelzs gredzenā tika ierosināta magnētiskā plūsma, kuras lielums arī mainījās. Sekundārajā tinumā parādījās spriegums. Tiklīdz magnētiskā plūsma sasniedza robežvērtību, "sekundārā" strāva pazuda.

DLai spole darbotos, strāvas avotam visu laiku jābūt ieslēgtam un izslēgtam (manuāli, izmantojot slēdzi vai mehāniski, ar slēdzi).

Faraday pieredzes ilustrācija

Faraday indukcijas spole

Lpppastāvīgs vai mainīgs?

No Faraday gredzena līdz pašreizējam transformatoram bija tālu, un zinātne pat tad vāca nepieciešamos datus par drupatām. Amerikānis Henrijs ietina stiepli ar zīda diegu - piedzima izolācija.

Francūzis Foucault mēģināja pagriezt dzelzs stieņus magnētiskajā laukā - un bija pārsteigts: tie karsējās. Zinātnieks saprata iemeslu - ietekmēja strāvas, kas tika radītas mainīgā magnētiskajā laukā. Lai ierobežotu Foucault virpuļstrāvu ceļu, Edisona darbinieks Uptons ieteica dzelzs serdi izgatavot no atsevišķām loksnēm.

1872. gadā profesors Štoļetovs veica fundamentālu pētījumu par mīksta dzelzs magnetizāciju, un nedaudz vēlāk anglis Ewings Karaliskajai biedrībai iesniedza ziņojumu par enerģijas zudumiem tērauda magnetizācijas apgriešanas laikā.

Šo zaudējumu apmērs, ko sauc par “histerēzi” (no grieķu vārda “vēsture”), patiešām bija atkarīgs no “pagātnes” parauga. Metāla graudi - domēni, piemēram, saulespuķes aiz saules, rotē pēc magnētiskā lauka un ir orientēti gar spēka līnijām. Tajā ieguldītais darbs pārvēršas siltumā. Tas ir atkarīgs no tā, cik - vāji vai stipri - un kādā virzienā tika virzītas jomas.

Informācija par magnētiskajām un vadošajām īpašībām uzkrājās pakāpeniski, līdz daudzums pārvērtās kvalitātē. Elektromehāniķi laiku pa laikam pasaulei iesniedza pārsteigumus, taču par galveno notikumu transformatoru vēsturē jāuzskata notikums, kas 1876. gada pasaulei lika izbrīnā pagriezties pret Krieviju.

Iemesls bija svece Yablochkova. "Lampās" starp diviem paralēliem elektrodiem dega loka. Pie pastāvīgas strāvas viens elektrods dega ātrāk, un zinātnieks neatlaidīgi meklēja izeju.

Beigās viņš, izmēģinājis daudzus veidus, nolēma izmantot maiņstrāvu un, lūk, lūk! - elektrodu nodilums ir kļuvis vienmērīgs. Yablochkov rīcība bija patiesi varonīga, jo šajos gados starp elektriskā apgaismojuma entuziastiem un gāzes uzņēmumu īpašniekiem notika sīva cīņa. Bet ne tikai tas: paši elektrības piekritēji vienbalsīgi iebilda pret maiņstrāvu.

Viņi saņēma maiņstrāvu, bet tikai daži saprata, kas tas bija. Laikrakstos un žurnālos tika publicēti ilgtermiņa raksti, kas draudēja ar maiņstrāvas draudiem: "nogalina nevis daudzums, bet tā maiņa". Pazīstamais elektrotehniķis Čikolevs paziņoja: “Visas mašīnas ar maiņstrāvu jāaizstāj ar mašīnām ar līdzstrāvu.”

Ne mazāk ievērojams speciālists Ļačinovs publiski vainoja Yablochkova, jo “līdzstrāva vispār ir laba, un maiņstrāva tikai spīd”.“Kāpēc kungi - sveču piekritēji (Yablochkov loka sveces) nemēģina viņiem nopietni pielietot līdzstrāvu; jo tikai ar to viņi varēja nodrošināt sveču gaismas nākotni, ”viņš rakstīja.

Nav pārsteidzoši, ka šī spiediena ietekmē Yablochkov beidzot iemeta sveces, taču papildus daļējai maiņstrāvas “rehabilitācijai” viņam izdevās atvērt indukcijas spoļu patieso “seju”. Viņa sveces, kas savienotas virknē, bija ārkārtīgi saudzīgas. Tiklīdz viena lampiņa-nu iemesls izgāja, visi pārējie uzreiz izdzisa.

Yablochkov “lampu” vietā virknē savienoja spoļu primāros tinumus. Vidusskolā viņš "iestādīja" sveces. Katras “lampas” uzvedība nemaz neietekmēja citu darbu.

Taisnība, Yablochkova dizaina indukcijas spoles atšķīrās (un ne uz labo pusi) no Faraday - to serdeņi neieslēdzās gredzenā. Bet tas, ka maiņstrāvas spoles darbojās nepārtraukti, nevis periodiski (kad ķēde tika ieslēgta vai izslēgta), Krievijas izgudrotājiem radīja pasaules slavu.

Pēc sešiem gadiem MSU zāļu pētnieks Ušagins izstrādāja (vai drīzāk apkopoja) Yablochkov ideju. Usagins savienoja dažādas elektriskās ierīces (ne tikai sveces) pie spoļu izejas tinumiem, kurus viņš sauca par "sekundārajiem ģeneratoriem".

Yablochkov un Usagin spoles nedaudz atšķīrās viena no otras. Runājot mūsdienu valodā, Yablochkova transformators palielināja spriegumu: sekundārajā tinumā bija daudz vairāk plānas stieples pagriezienu nekā primārajā.

Usagin transformators izolē: pagriezienu skaits abos tinumos bija vienāds (3000), kā arī ieejas un izejas spriegumi (500 V).

PARAKSTĪTO DATU KALENDĀRS

Yablochkov indukcijas spoles un Usagin “sekundārie ģeneratori” sāka apgūt mūsdienās pazīstamas funkcijas ar pasakainu ātrumu transformatori.

1884. gads - brāļi Hopkinsoni slēdza kodolu.

Iepriekš magnētiskā plūsma gāja caur tērauda stieni, un daļēji no ziemeļu pola uz dienvidiem - caur gaisu. Gaisa pretestība ir 8 tūkstošus reižu lielāka nekā dzelzs. Iegūt pamanāmu sekundārā tinuma spriegumu bija iespējams tikai lielām strāvām, kas šķērso daudzus pagriezienus. Ja serde ir izgatavota gredzenā vai rāmī, tad pretestība tiek samazināta līdz minimumam.

1880. gadu transformators Brush elektriskā gaismas korporācija

1885. gads - ungārs Derijs ieguva ideju paralēli ieslēgt transformatorus. Pirms tam visi izmantoja seriālo savienojumu.

1886. gads - atkal Hopkinsoni. Viņi iemācījās aprēķināt magnētiskās shēmas saskaņā ar Ohma likumu. Sākumā viņiem bija jāpierāda, ka procesus elektriskajās un magnētiskajās ķēdēs var aprakstīt ar līdzīgām formulām.

1889. gads - zviedrs Swinburne ierosināja serdes un transformatora tinumu atdzesēšanu ar minerāleļļu, kas vienlaikus pilda izolācijas lomu. Šodien ir attīstīta Swinburne ideja: tērauda magnētisko serdi ar tinumiem nolaiž lielā tvertnē, tvertni aizver ar vāku un pēc žāvēšanas, sildīšanas, evakuācijas, piepildīšanas ar inertu slāpekli un citām darbībām tajā ielej eļļu.

Transformators - 19. gadsimta beigas - 20. gadsimta sākums (Anglija)

4000 kVA transformators (Anglija) - 20. gs. Sākums

Toki. Līdz 150 tūkstošiem a. Šīs ir strāvas, kas baro krāsnis krāsaino metālu kausēšanai. Negadījumos pašreizējais kāpums sasniedz 300-500 tūkstošus a. (Transformatora jauda lielās krāsnīs sasniedz 180 MW, primārais spriegums ir 6-35 kV, lieljaudas krāsnīs līdz 110 kV, sekundārajā 50-300 V un mūsdienu krāsnīs līdz 1200 V.)

Zaudējumi. Daļa enerģijas tiek zaudēta tinumos, daļa - serdes sildīšanai (virpuļstrāvas dzelzs un histerēzes zudumi). Ātra elektrisko un magnētisko izmaiņu maiņa nole laikā50 Hz - 50 reizes sekundē) liek molekulām vai lādiņiem izolēti orientēties savādāk: enerģiju absorbē eļļa, bakelīta cilindri, papīrs, kartons utt. d.

Sūkņi transformatora karstas eļļas sūknēšanai caur radiatoriem prasa zināmu jaudu.

Un tomēr kopumā zaudējumi ir niecīgi: vienā no lielākajiem transformatora dizainiem ar 630 tūkstošiem kW tikai 385% no strāvas iestrēgst. Tikai dažas ierīces var lepoties. n. d. vairāk nekā 99,65%.

Pilna jauda. Lielākie transformatori tiek “piestiprināti” visspēcīgākajiem ģeneratoriem, tāpēc to spēks sakrīt. Mūsdienās ir 300, 500, 800 tūkstoši kW jaudas vienību, rīt šie skaitļi palielināsies līdz 1-1,5 miljoniem vai pat vairāk.

Visspēcīgākais transformators. Visspēcīgākais transformators, ko ražo Austrijas uzņēmums "Elin" un kas paredzēts termoelektrostacijai Ohaio. Tās jauda ir 975 megavolti ampēros, tai jāpalielina ģeneratoru radītais spriegums - no 25 tūkstošiem voltu līdz 345 tūkstošiem voltu (Science and Life, 1989, Nr. 1, 5. lpp.).

Astoņu lielāko pasaules vienfāzes transformatoru jauda ir 1,5 miljoni kVA. Transformatori pieder amerikāņu uzņēmumam Power Power Service. 5 no tiem samazina spriegumu no 765 līdz 345 kV. ("Zinātne un tehnoloģija")

2007. gadā kontrolakciju sabiedrība Elektrozavod (Maskava) ražoja jaudīgāko Krievijā iepriekš ražoto transformatoru - TC-630000/330 ar jaudu 630 MVA uz 330 kV spriegumu, kas sver aptuveni 400 tonnas. Jaunās paaudzes transformators tika izstrādāts koncerna Rosenergoatom telpām.

Vietējais transformators ORTs-417000/750 ar jaudu 417 MVA ar spriegumu 750 kV

Būvniecība. Jebkurš transformators jebkuram mērķim sastāv no piecām sastāvdaļām: magnētiskās ķēdes, tinumiem, tvertnes, pārsega un ieliktņiem.

Vissvarīgākā detaļa - magnētiskā ķēde - sastāv no tērauda loksnēm, no kurām katra no abām pusēm ir pārklāta ar izolāciju - lakas kārtu ar biezumu 0,005 mm.

Piemēram, Kanādas elektrostacijas Busheville transformatoru (ko ražo Rietumvācijas uzņēmums Siemens) transformatoru izmēri ir šādi: augstums 10,5 m, šķērsgriezuma diametrs 30 - 40 m.

Šo transformatoru svars ir 188 tonnas. Pārvadāšanas laikā no tiem izlej radiatorus, paplašinātājus un eļļu, un dzelzceļa darbiniekiem ir jāatrisina sarežģīta problēma: 135 tonnas nav joks! Bet šāda slodze nevienu nepārsteidz: Obrichheim atomelektrostacijā ir transformatoru grupa ar jaudu 300 tūkstoši kW. Galvenais “pārveidotājs” sver 208 tonnas, korekcijas viens - 101 tonnu.

Lai nogādātu šo grupu uz vietu, bija nepieciešama 40 metru dzelzceļa platforma! Mūsu enerģijas inženieriem tas nav vienkāršāks: galu galā viņu radītie projekti ir vieni no lielākajiem pasaulē.

388 tonnu transformators! (ASV)

Darbs. Liels transformators ilgst 94 dienas no 100. Vidējā slodze ir aptuveni 55-65% no aprēķinātās. Tas ir ļoti nelietderīgi, bet neko nevar izdarīt: viena ierīce neizdosies, tās nepietiekamais pētījums diezgan burtiski “izdeg darbā”. Ja, piemēram, konstrukcija ir pārslogota par 40%, tad divu nedēļu laikā tās izolācija nolietojas, tāpat kā normālas ekspluatācijas gadā.

Studentu vidū jau sen ir leģenda par ekscentru, kurš atbild uz jautājumu “Kā darbojas transformators?” "" Resurspilni "atbildēja:" Oooo ... "Bet tikai šodien kļūst skaidrs šī trokšņa iemesls.

Izrādās, ka vainīga nav tērauda plākšņu vibrācija, kas ir savstarpēji slikti savienota, eļļas vārīšana un tinumu elastīgā deformācija. Cēloni var uzskatīt par magnetostrikciju, tas ir, par materiāla lieluma izmaiņām magnetizācijas laikā. Kā rīkoties šajā fiziskajā parādībā, joprojām nav zināms, tāpēc transformatora tvertne ir izklāta ar skaņu necaurlaidīgiem vairogiem.

Transformatoru “balsu” normas ir diezgan stingras: 5 m attālumā - ne vairāk kā 70 decibeli (skaļas runas līmenis, automašīnas troksnis) un 500 m attālumā, kur parasti atrodas dzīvojamās ēkas, apmēram 35 decibeli (soļi, klusa mūzika).

Pat šāds īss pārskats ļauj mums izdarīt divus svarīgus secinājumus. Transformatora galvenā priekšrocība ir kustīgu detaļu neesamība. Sakarā ar to tiek sasniegts augsts k. n. d., lieliska uzticamība, ērta apkope. Lielākais trūkums ir milzīgais svars un izmēri.

Un jums joprojām ir jāpalielina izmērs: galu galā nākamajās desmitgadēs transformatoru jaudai vajadzētu palielināties vairākas reizes.

Transformators Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV

HYMN

Transformatori ir tehnoloģijas, kuras visvairāk nekustina. “ŠIS UZTICAMAIS DZELZES DEKLS. .. ”Tātad, uzsverot dizaina vienkāršību un lielo svaru, francūzis Janvīru sauca par transformatoriem.

Bet šī nekustīgums ir redzams: tinumus ieskauj strāvas, un magnētiskās plūsmas pārvietojas pa tērauda serdi. Tomēr nopietni runāt par elektronu kustību ir kaut kas neērti. Uzlādētas daļiņas tikko rāpo gar vadītājiem, pārvietojoties stundā tikai pusmetra attālumā. Starp marķētās elektronu grupas ienākšanas un iziešanas brīžiem paiet apmēram gads.

Kāpēc tad sekundārajā tinumā spriegums notiek gandrīz vienlaikus ar iekļaušanu? Nav grūti atbildēt: elektrības izplatīšanās ātrumu nosaka nevis elektronu ātrums, bet gan saistītie elektromagnētiskie viļņi. Enerģijas impulsi attīstās 100-200 tūkstoši km sekundē.

Transformators "neuztraucas", bet tas nekādā gadījumā nerunā par tā "iekšējo" tieksmi atpūsties. Strāvu mijiedarbība vadītājos noved pie tādu spēku parādīšanās, kuriem ir tendence saspiest tinumus augstumā, novirzīt tos viens pret otru, palielināt pagriezienu diametru. Ir nepieciešams, lai pēdas tinumu ar pārsējiem, statņiem, ķīļiem.

Pārsprāgst ar iekšējiem spēkiem, transformators atgādina sakratu milzi, kurš cenšas izjaukt ķēdes. Šajā cīņā cilvēks vienmēr uzvar. Bet aiz pieradinātajām automašīnām ir vajadzīga acs un acs. Katrā konstrukcijā ir uzstādīti apmēram desmit elektroniski, releju un gāzes vairogi, kas uzrauga temperatūru, strāvu, spriegumu, gāzes spiedienu un pie mazākiem darbības traucējumiem izslēdz strāvu, novēršot avāriju.

Mēs jau zinām: mūsdienu transformatoru galvenais trūkums ir viņu gigantisms. Iemesls tam ir arī skaidrs: tas viss ir atkarīgs no izmantoto materiālu īpašībām. Varbūt, ja labi meklēsit, papildus tai, ko kādreiz ierosināja Faraday, būs arī citas idejas elektrības konvertēšanai.

Diemžēl (un varbūt, par laimi - kas zina), šādu ideju vēl nav, un to parādīšanās ir maz ticama. Kamēr enerģētikā valda maiņstrāva un joprojām ir jāmaina spriegums, Faraday ideja ir ārpus konkurences.

Tā kā no transformatoriem nevar atteikties, varbūt būs iespējams samazināt to skaitu?

Jūs varat "ietaupīt" uz transformatoriem, ja uzlabojat pašreizējo piegādes sistēmu. Mūsdienu pilsētas elektrības tīkls atgādina cilvēka asinsrites sistēmu. Sākot no galvenā kabeļa, filiāles “caur ķēdes reakciju” atzaro vietējiem patērētājiem. Spriegumu pakāpeniski samazina pakāpieniem līdz 380 V, un visos līmeņos ir nepieciešams uzstādīt transformatorus.

Angļu eksperti ir detalizēti izstrādājuši vēl vienu izdevīgāku variantu. Viņi piedāvā darbināt Londonu pēc šīs shēmas: pilsētas centrā ienāk kabelis 275 tūkstošu apmērā. Šeit strāva tiek izlīdzināta, un spriegums "automātiski" nokrītas līdz 11 tūkstošiem voltu, līdzstrāva tiek piegādāta rūpnīcām un dzīvojamajiem rajoniem, atkal tiek pārveidota par maiņstrāvu un samazinās spriegums. Pazūd vairāki sprieguma līmeņi, mazāk transformatoru, kabeļu un saistīto ierīču.

Pašreizējo svārstību biežums mūsu valstī ir 50 Hz. Izrādās, ka, dodoties uz 200 Hz, transformatora svars tiks samazināts uz pusi! Šķiet, ka šeit ir reāls veids, kā uzlabot dizainu. Tomēr, palielinot strāvas frekvenci par koeficientu 4, vienlaikus palielinās visu energosistēmas elementu pretestības un kopējie enerģijas un sprieguma zudumi. Līnijas darbības veids mainīsies, un tās pārstrukturēšana neatmaksāsies ar ietaupījumiem.

Piemēram, Japānā daļa energosistēmas darbojas ar frekvenci 50 Hz, bet daļa - ar 60 Hz. Kā ir vieglāk nogādāt sistēmu vienā “saucējā”? Bet nē: to kavē ne tikai elektrostaciju un augstsprieguma līniju privātīpašums, bet arī gaidāmo pārbūvju augstās izmaksas.

ABB Transformers

Transformatoru izmēru var samazināt, aizstājot mūsdienu magnētiskos un vadošos materiālus ar jaunām, daudz labākām īpašībām. Kaut kas jau ir izdarīts: piemēram, uzbūvēts un pārbaudīts supravadošie transformatori.

Protams, dzesēšana sarežģī dizainu, bet ieguvums ir acīmredzams: strāvas blīvums palielinās līdz 10 tūkstošiem un pret bijušo (1 a) par katru stieples šķērsgriezuma kvadrātmilimetru. Tomēr tikai ļoti nedaudzi entuziasti riskē derēt par zemas temperatūras transformatoriem, jo ​​tērauda tinuma ierobežotās iespējas pilnībā neitralizē ieguvumus no tinuma.

Bet šeit pēdējos gados ir bijusi izeja: vai nu piesiet primāro un sekundāro tinumu bez starpnieka - tērauda, ​​vai arī atrast materiālus, kuru magnētiskās īpašības ir labākas par dzelzi. Pirmais veids ir ļoti daudzsološs, un šādi "gaisa" transformatori jau ir pārbaudīti. Tinumi ir ievietoti kastē, kas izgatavota no supravadītāja - ideāla “spoguļa” magnētiskajam laukam.

Kastīte neizlaiž lauku un neļauj tam izkliedēties telpā. Bet mēs jau teicām: gaisa magnētiskā pretestība ir ļoti liela. Lai iegūtu pamanāmu “sekundāru”, jums būs jāpieliek pārāk daudz “primāro” pagriezienu un jāpieliek tiem pārāk lielas straumes.

Arī cits veids - jauni magnēti - sola daudz. Izrādījās, ka ļoti zemā temperatūrā holmijs, erbijs, disprosijs kļūst magnētiski, un to piesātinājuma lauki ir vairākas reizes lielāki nekā dzelzs (!). Bet, pirmkārt, šie metāli pieder pie retzemju grupas, tāpēc ir reti un dārgi, un, otrkārt, histerēzes zudumi tajos, visticamāk, būs daudz lielāki nekā tēraudam.

V. Stepanovs

Pēc žurnāla "Jaunatnes tehnoloģija" materiāliem