Интересни факти за трансформатори

Всяко техническо устройство има два рождени дни: откриването на принципа на работа и неговото изпълнение. Идеята за трансформатор след седем години усилена работа по „преобразуването на магнетизма в електричество“ е дадена от Майкъл Фарадей.

На 29 август 1831 г. Фарадей описва в дневника си експеримент, който по-късно влиза във всички учебници по физика. На железен пръстен с диаметър 15 см и дебелина 2 см експериментаторът навива отделно два проводника с дължина 15 м и 18 м. Когато ток тече по една от намотките, стрелите на галванометъра върху клемите на другия се отклоняват!

Ученият нарече просто устройство "Индукционна намотка", Когато батерията беше включена, токът (няма нужда да казвам, постоянен) постепенно нараства в първичната намотка. В железния пръстен се индуцира магнитен поток, чиято величина също варира. Във вторичната намотка се появи напрежение. Щом магнитният поток достигна граничната си стойност, "вторичният" ток изчезна.

DЗа да може бобината да работи, източникът на захранване трябва да бъде включен и изключен през цялото време (ръчно - с превключвател за нож или механично - с превключвател).

Илюстрация на Faraday Experience

Индукционна намотка Faraday

Pпостоянен или променлив?

От пръстена на Фарадей до сегашния трансформатор беше далеч и науката дори тогава събра необходимите данни за трохи. Американецът Хенри увил жицата с копринена нишка - роди се изолация.

Французинът Фуко се опита да завърти железните пръти в магнитно поле - и се изненада: те се нагряват. Ученият разбра причината - токовете, които се генерират в променливо магнитно поле, засегнати. За да ограничи пътя на вихровите течения на Фуко, Ъптън, служител на Едисън, предложи да се направи железно ядро ​​сглобяемо - от отделни листове.

През 1872 г. професор Столетов провежда фундаментално проучване за намагнитването на мекото желязо, а малко по-късно англичанинът Юинг представи доклад на Кралското общество за загубите на енергия по време на обръщането на намагнитета на стоманата.

Размерът на тези загуби, наречени „хистерезис“ (от гръцката дума „история“), наистина зависи от пробата „минало“. Зърна от метал - домейни, като слънчогледи зад слънцето, се въртят след магнитното поле и са ориентирани по силовите линии. Работата, изразходвана в това, се превръща в топлина. Зависи от това как - слабо или силно - и в каква посока са насочени домейните.

Информация за магнитните и проводимите свойства се натрупва постепенно, докато количеството се превърне в качество. От време на време електроинженерите представяха на света изненади, но основното събитие в историята на трансформаторите трябва да се счита за събитие, което накара света през 1876 г. да се обърне учудено към Русия.

Причината беше свещта Яблочкова. В „лампите“ гореше дъга между два паралелни електрода. При постоянен ток един електрод гори по-бързо и ученият упорито търсел изход.

В крайна сметка той реши, като изпробва много начини, да използва променлив ток и ето, ето! - износването на електрода стана равномерно. Постъпката на Яблочков беше наистина героична, защото в онези години имаше ожесточена борба между любителите на електрическото осветление и собствениците на газови компании. Но не само това: привържениците на електричеството сами, от своя страна, единодушно се противопоставиха на променливотока.

Те получиха променлив ток, но малцина разбраха какво е това. Дългосрочни статии бяха публикувани във вестници и списания, които заплашваха опасностите от променлив ток: „не количеството убива, а неговата промяна“. Известният електротехник Чиколев заяви: "Всички машини с променлив ток трябва да бъдат заменени с машини с постоянен ток."

Не по-малко изтъкнатият специалист Лачинов публично обвини Яблочкова, защото „постоянният ток изобщо е добър, а променливият ток може само да свети“.„Защо господата - привърженици на свещите (дъговите свещи на Яблочков) да не се опитват сериозно да прилагат постоянен ток към тях; защото с това и само това те биха могли да осигурят бъдещето на светлината на свещите “, пише той.

Не е изненадващо, че под този натиск Яблочков най-накрая хвърли свещите си, но в допълнение към частичната „рехабилитация“ на променлив ток, той успя да отвори истинското „лице“ на индукционните бобини. Свещите му, свързани последователно, бяха изключително настроени. Щом една лампа-или причината излезе навън, всички останали мигновено излязоха.

Яблочков свързан последователно, вместо да "освети" първичните намотки на бобините. На второстепенния той „засади“ свещи. Поведението на всяка „лампа“ изобщо не се отрази на работата на другите.

Вярно, индукционните бобини на дизайна на Яблочков се различаваха (и не за по-добро) от тези на Фарадей - техните ядра не се затваряха в пръстен. Но фактът, че намотките с променлив ток работеха непрекъснато, а не периодично (когато веригата беше включена или изключена), донесе на руския изобретател световна слава.

Шест години по-късно Усагин, изследовател на медицината в МСУ, разработва (или по-скоро обобщава) идеята за Яблочков. Usagin свърза различни електрически устройства (не само свещи) към изходните намотки на бобините, които той нарече "вторични генератори".

Намотките на Яблочков и Усагин бяха малко по-различни една от друга. Говорейки на съвременен език, трансформаторът Yablochkova увеличи напрежението: във вторичната намотка имаше много повече завои от тънка тел, отколкото в първичната.

Usagin трансформаторът е изолиращ: броят на завоите и в двете намотки беше един и същ (3000), както и входните и изходните напрежения (500 V).

КАЛЕНДАР НА ЗНАЧИТЕЛНИ ДАТИ

Индукционните бобини на Яблочков и „вторичните генератори“ на Usagin започнаха да придобиват функции, които познаваме днес с приказна скорост трансформатори.

1884 г. - братя Хопкинсън затвориха ядрото.

Преди това магнитният поток минаваше през стоманена пръчка, а отчасти от северния полюс на юг - през въздуха. Съпротивлението на въздуха е 8 хиляди пъти по-голямо от това на желязото. За да се получи забележимо напрежение на вторичната намотка беше възможно само при големи токове, преминаващи през много завои. Ако сърцевината е направена в пръстен или рамка, тогава съпротивлението се намалява до минимум.

Трансформатор от 1880-те Четка електрическа корпорация светлина

1885 г. - Унгарският Дери има идеята да включи трансформатори паралелно. Преди това всички използваха серийна връзка.

1886 г. - отново хопкинсоните. Те се научиха как да изчисляват магнитни вериги според закона на Ом. Отначало те трябваше да докажат, че процесите в електрически и магнитни вериги могат да бъдат описани с подобни формули.

1889 г. - Шведът Суинбърн предлага охлаждане на сърцевината и намотките на трансформатора с минерално масло, което едновременно играе ролята на изолация. Днес идеята на Суинбърн е разработена: стоманена магнитна верига с намотки е спусната в голям резервоар, резервоарът е затворен с капак и след изсушаване, нагряване, евакуация, пълнене с инертен азот и други операции, масло се налива в него.

Трансформатор - края на 19 - началото на 20 век (Англия)

4000 kVA трансформатор (Англия) - началото на 20 век

Токове. До 150 хиляди a. Това са течения, които захранват пещи за топене на цветни метали. При аварии текущите скокове достигат 300-500 хиляди a. (Капацитетът на трансформатора на големи пещи достига 180 MW, първичното напрежение е 6-35 kV, при пещи с висока мощност до 110 kV, вторични 50-300 V, а в съвременните пещи до 1200 V.)

Загуба. Част от енергията се губи в намотките, част - за нагряване на сърцевината (вихрови токове в желязото и загуби от хистерезис). Бърза смяна на електрическа и магнитна пвреме във времето (50 Hz - 50 пъти в секунда) принуждава молекули или заряди изолирано да се ориентират по различен начин: енергията се абсорбира от масло, бакелитни цилиндри, хартия, картон и др. г.

Помпите за изпомпване на трансформаторно горещо масло през радиатори отнемат известна мощност.

И все пак, като цяло загубите са незначителни: в един от най-големите трансформаторни конструкции за 630 хил. КВт само 0,35% от мощността се забива. Малко устройства могат да се похвалят с. п. г, повече от 99,65%.

Пълна мощност. Най-големите трансформатори са „прикрепени“ към най-мощните генератори, така че техните мощности съвпадат. Днес има 300, 500, 800 хиляди кВт мощност, утре тези цифри ще се увеличат до 1-1,5 милиона, или дори повече.

Най-мощният трансформатор. Най-мощният трансформатор, произведен от австрийската компания "Elin" и е проектиран за топлоелектрическа централа в Охайо. Мощността му е 975 мегаволта-ампера, тя трябва да увеличи напрежението, генерирано от генератори - от 25 хиляди волта до 345 хиляди волта (Science and Life, 1989, № 1, стр. 5).

Осемте най-големи еднофазни трансформатори в света имат капацитет от 1,5 милиона kVA. Трансформаторите са собственост на американската компания Power Power Service. 5 от тях намаляват напрежението от 765 на 345 kV. („Наука и технологии“)

През 2007 г. Холдинговата компания Електрозавод (Москва) произведе най-мощния трансформатор, произведен преди това в Русия - TC-630000/330 с мощност 630 MVA за напрежение 330 kV, тежащ около 400 тона. Трансформаторът от ново поколение е разработен за съоръженията на концерна Rosenergoatom.

Домашен трансформатор ORTs-417000/750 с мощност 417 MVA за напрежение 750 kV

Дизайн. Всеки трансформатор за всякакви цели се състои от пет компонента: магнитна верига, намотки, резервоар, капак и втулки.

Най-важният детайл - магнитната верига - е съставен от стоманени листове, всеки от които е покрит от двете страни с изолация - слой лак с дебелина 0,005 мм.

Размерите например на трансформаторите на канадската електроцентрала Busheville (произведена от западногерманската компания Siemens) са следните: височина 10,5 m, диаметър на напречното сечение 30 - 40 м.

Теглото на тези трансформатори е 188 т. Радиатори, разширители и масло се изливат от тях при транспортиране и все пак железопътните работници трябва да решат труден проблем: 135 тона не е шега! Но такова натоварване вече не изненадва никого: в атомната централа в Обриххайм има трансформаторна група с мощност 300 хиляди кВт. Основният „конвертор“ тежи 208 тона, а настройката - 101 тона.

За да доставим тази група до мястото, беше необходима 40-метрова железопътна платформа! Това не е по-лесно за нашите енергийни инженери: в крайна сметка дизайните, които създават, са сред най-големите в света.

388 тона трансформатор! (САЩ)

Work. Големият трансформатор издържа 94 дни от 100. Средното натоварване е около 55-65% от изчисленото. Това е много разточително, но нищо не може да се направи: едно устройство ще се провали, а неговото недоумение доста бързо буквално „изгаря на работа“. Ако например структурата е претоварена с 40%, след две седмици нейната изолация ще се износва, както в година на нормално обслужване.

Сред студентите отдавна съществува легенда за ексцентрик, който отговаря на въпроса "Как работи трансформатор?" "" Ресурсно "отговори:" Оооо ... "Но само днес причината за този шум става ясна.

Оказва се, че не вината за вибрациите на стоманените плочи са лошо свързани помежду си, кипенето на маслото и еластичната деформация на намотките са виновни. Причината може да се счита за магнитострикция, тоест промяна в размера на материала по време на намагнетизиране. Как да се справим с това физическо явление все още не е известно, затова резервоарът на трансформатора е облицован със звукоизолирани екрани.

Нормите за „гласовете“ на трансформаторите са доста строги: на разстояние 5 м - не повече от 70 децибела (ниво на силен говор, шум от автомобила), а на разстояние 500 м, където обикновено се намират жилищни сгради, около 35 децибела (стъпки, тиха музика).

Дори такъв кратък преглед ни позволява да направим два важни заключения. Основното предимство на трансформатора е отсъствието на подвижни части. Благодарение на това се постига високо k. п. г., отлична надеждност, лесна поддръжка. Най-големият недостатък е огромното тегло и размери.

И все пак трябва да увеличите размера: в края на краищата мощността на трансформаторите трябва да нарасне няколко пъти през следващите десетилетия.

Трансформатор Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV

ХИМН неподвижност

Трансформаторите са най-неподвижните машини на технологията. „ТЕЗИ НАДЕЖНИ ЖЕЛЕЗИ ДЕК. .. ”И така, подчертавайки простотата на дизайна и голямата тежест, французинът, наречен Janvier, нарече трансформатори.

Но тази неподвижност е очевидна: намотките са заобиколени от токове, а магнитните потоци се движат по протежение на стоманената сърцевина. Обаче сериозно да говорим за движението на електроните е някак неудобно. Заредените частици почти не пълзят по проводниците, движейки се за час само половин метър. Между моментите на влизане и излизане на „маркираната“ група електрони минава около година.

Защо тогава напрежението във вторичната намотка възниква почти едновременно с включването? Не е трудно да се отговори: скоростта на разпространение на електричеството се определя не от скоростта на движение на електрони, а от свързаните с тях електромагнитни вълни. Импулсите на енергия развиват 100-200 хиляди км в секунда.

Трансформаторът "не се сует", но това по никакъв начин не говори за неговата "вътрешна" склонност към почивка. Взаимодействието на токове в проводниците води до появата на сили, склонни да компресират намотките по височина, да ги изместват относително една към друга, да увеличават диаметъра на завоите. Необходимо е намотките да се обшиват с превръзки, подпори, клинове.

Избухвайки с вътрешни сили, трансформаторът прилича на окован гигант, който се стреми да скъса вериги. В тази борба човек винаги печели. Но зад опитомени автомобили трябва око и око. На всяка структура са инсталирани около десет електронни, релейни и газови екрани, които следят температурите, токовете, напреженията, налягането на газа и при най-малката неизправност изключват захранването, предотвратявайки авария.

Вече знаем: основният недостатък на днешните трансформатори е гигантството им. Причината за това също е ясна: всичко зависи от свойствата на използваните материали. Така че може би, ако търсите добре, ще има други идеи за преобразуване на електричество, освен тази, която Фарадей веднъж предложи?

За съжаление (а може би, за щастие - кой знае), все още няма такива идеи и появата им е малко вероятно. Докато променливотоковият ток цари в енергийния сектор и остава необходимостта от промяна на неговото напрежение, идеята за Фарадей е извън конкуренцията.

Тъй като трансформаторите не могат да бъдат изоставени, може би ще бъде възможно да се намали техният брой?

Можете да "запишете" на трансформатори, ако подобрите текущата система за захранване. Съвременната градска електрическа мрежа наподобява човешката кръвоносна система. От основния кабел се разклоняват „чрез верижна реакция“ към местните потребители. Напрежението постепенно се намалява с стъпки до 380 V, като на всички нива е необходимо да се монтират трансформатори.

Английски експерти са разработили подробно друг, по-печеливш вариант. Те предлагат да захранват Лондон по тази схема: кабел от 275 хиляди влиза в центъра на града. Тук токът се изправя и напрежението "автоматично" пада до 11 хиляди волта, постоянен ток се подава към фабрики и жилищни райони, отново се превръща в променливо напрежение и намалява в напрежението. Няколко нива на напрежение изчезват, по-малко трансформатори, кабели и свързани устройства.

Честотата на текущите колебания у нас е 50 Hz. Оказва се, че ако отидете на 200 Hz, теглото на трансформатора ще бъде намалено наполовина! Тук, изглежда, реален начин да подобрите дизайна. С увеличаване на честотата на тока с коефициент 4, съпротивленията на всички елементи на енергийната система и общата загуба на мощност и напрежение ще се увеличат едновременно. Режимът на работа на линията ще се промени и преструктурирането й няма да се изплати със спестявания.

В Япония например част от захранващата система работи на 50 Hz, а част на 60 Hz. Какво е по-лесно да доведете системата до един знаменател? Но не: това не е възпрепятствано само от частната собственост на електроцентралите и високоволтовите линии, но и от високата цена на предстоящите промени.

ABB трансформатор

Размерът на трансформаторите може да бъде намален чрез замяна на съвременните магнитни и проводими материали с нови, много по-добри свойства. Вече е направено нещо: например изградено и тествано свръхпроводящи трансформатори.

Разбира се, охлаждането усложнява дизайна, но печалбата е очевидна: плътността на тока се увеличава до 10 хиляди и спрямо предходната (1 а) за всеки квадратен милиметър от напречното сечение на проводника. Въпреки това, само много малко ентусиасти рискуват да залагат на нискотемпературни трансформатори, тъй като ползата от намотката е напълно неутрализирана от ограничените възможности на стоманената магнитна верига.

Но тук през последните години има изход: или да се вържат първичните и вторичните намотки без посредник - стомана, или да се намерят материали, които са по-добри от желязото по магнитни свойства. Първият начин е много обещаващ и такива "въздушни" трансформатори вече са тествани. Намотките са затворени в кутия, направена от свръхпроводник - идеално "огледало" за магнитно поле.

Кутията не изпуска полето и не позволява да се разпръсне в пространството. Но вече казахме: магнитоустойчивостта на въздуха е много голяма. Ще трябва да навиете твърде много "първични" завои и да приложите твърде високи токове към тях, за да получите забележим "вторичен".

Друг начин - нови магнити - също обещава много. Оказа се, че при много ниски температури холмиумът, ербият, диспрозият стават магнитни, а полетата на насищане са няколко пъти по-големи от тези на желязото (!). Но, първо, тези метали принадлежат към редкоземната група и следователно са редки и скъпи и, второ, загубите от хистерезис в тях по всяка вероятност ще бъдат много по-големи, отколкото в стоманата.

В. Степанов

Според материалите на списание "Младежки технологии"