Ciekawe fakty na temat transformatorów

Każde urządzenie techniczne ma dwie urodziny: odkrycie zasady działania i jej wdrożenie. Idea transformatora po siedmiu latach ciężkiej pracy nad „transformacją magnetyzmu w elektryczność” została podana przez Michaela Faradaya.

29 sierpnia 1831 r. Faraday opisał w swoim dzienniku eksperyment, który później przeszedł do wszystkich podręczników do fizyki. Na żelaznym pierścieniu o średnicy 15 cm i grubości 2 cm eksperymentator nawinął oddzielnie dwa druty o długości 15 mi 18 m. Gdy prąd płynął wzdłuż jednego z uzwojeń, strzałki galwanometru na zaciskach drugiego odchylały się!

Naukowiec nazwał prostym urządzeniem „Cewka indukcyjna”. Gdy akumulator był włączony, prąd (oczywiście, stały) stopniowo wzrastał w uzwojeniu pierwotnym. W żelaznym pierścieniu indukowano strumień magnetyczny, którego wielkość również się zmieniała. Napięcie pojawiło się w uzwojeniu wtórnym. Gdy strumień magnetyczny osiągnie wartość graniczną, prąd „wtórny” zniknął.

D.Aby cewka działała, źródło zasilania musi być cały czas włączane i wyłączane (ręcznie - przełącznikiem nożowym lub mechanicznie - przełącznikiem).

Ilustracja doświadczenia Faradaya

Cewka indukcyjna Faradaya

P.stały lub zmienna?

Od pierścienia Faradaya do obecnego transformatora był daleko, a nauka nawet wtedy zebrała niezbędne dane na temat okruchów. Amerykanin Henry owinął drut jedwabną nicią - narodziła się izolacja.

Francuz Foucault próbował obrócić żelazne pręty w polu magnetycznym - i był zaskoczony: rozgrzewali się. Naukowiec zrozumiał przyczynę - wpłynęło to na prądy generowane w zmiennym polu magnetycznym. Aby ograniczyć ścieżkę prądów wirowych w Foucault, Upton, pracownik Edison, zasugerował prefabrykację żelaznego rdzenia - z oddzielnych arkuszy.

W 1872 r. Profesor Stoletow przeprowadził podstawowe badania dotyczące magnetyzacji miękkiego żelaza, a nieco później Anglik Ewing przedstawił Royal Society raport na temat strat energii podczas odwracania magnetyzacji stali.

Wielkość tych strat, zwana „histerezą” (od greckiego słowa „historia”), naprawdę zależała od „przeszłej” próby. Ziarna metalu - domeny, takie jak słoneczniki za słońcem, obracają się za polem magnetycznym i są zorientowane wzdłuż linii siły. Praca poświęcona temu zamienia się w ciepło. Zależy to od tego, w jaki sposób - słabo lub silnie - i w jakim kierunku zostały skierowane domeny.

Informacje o właściwościach magnetycznych i przewodzących gromadziły się stopniowo, aż ilość zmieniła się w jakość. Inżynierowie elektrycy od czasu do czasu prezentowali światu niespodzianki, ale główne wydarzenie w historii transformatorów należy uznać za wydarzenie, które sprawiło, że świat w 1876 r. Obrócił się ku Rosji.

Powodem była świeca Jabłonkowa. W „lampach” łuk między dwiema równoległymi elektrodami płonął. Przy stałym prądzie jedna elektroda płonęła szybciej, a naukowiec uparcie szukał wyjścia.

W końcu postanowił, próbując na wiele sposobów, użyć prądu przemiennego, a oto i oto! - zużycie elektrod stało się jednolite. Akt Jabłochkowa był naprawdę heroiczny, ponieważ w tych latach toczyła się zacięta walka między entuzjastami oświetlenia elektrycznego a właścicielami firm gazowych. Ale nie tylko to: sami zwolennicy elektryczności jednogłośnie sprzeciwili się AC.

Otrzymywali prąd przemienny, ale niewielu rozumiało, co to jest. Artykuły długoterminowe zostały opublikowane w gazetach i czasopismach, które zagrażały niebezpieczeństwom prądu przemiennego: „to nie ilość zabija, ale jej zmiana”. Znany inżynier elektryk Chikolev oświadczył: „Wszystkie maszyny z prądem przemiennym należy wymienić na maszyny z prądem stałym”.

Nie mniej wybitny specjalista Lachinov publicznie obwinił Jabłochową, ponieważ „prąd stały jest w ogóle dobry, a prąd przemienny może tylko świecić”.„Dlaczego panowie - zwolennicy świec (świece łukowe Jabłkowakowa) nie powinni próbować poważnie przykładać do nich prądu stałego; ponieważ dzięki temu i tylko temu mogli zapewnić przyszłość świec - napisał.

Nic dziwnego, że pod tym naciskiem Jabłochkow w końcu rzucił swoje świece, ale oprócz częściowej „rehabilitacji” prądu przemiennego udało mu się otworzyć prawdziwą „twarz” cewek indukcyjnych. Jego świece, połączone szeregowo, były wyjątkowo nastrojowe. Jak tylko jedna lampa-albo powód zniknął, wszyscy inni natychmiast wyszli.

Jabłochkow połączył szeregowo zamiast „lamp” uzwojenie pierwotne cewek. Na drugim etapie „posadził” świece. Zachowanie każdej „lampy” wcale nie wpłynęło na pracę innych.

To prawda, że ​​cewki indukcyjne konstrukcji Jabłkowkowa różniły się (i nie na lepsze) od cewek Faradaya - ich rdzenie nie zamykały się w pierścień. Ale fakt, że cewki prądu przemiennego działały w sposób ciągły, a nie okresowy (gdy obwód był włączany lub wyłączany), przyniósł rosyjskiej wynalazcy światową sławę.

Sześć lat później Usagin, badacz medycyny MSU, opracował (a raczej podsumował) ideę Jabłochkowa. Usagin podłączył różne urządzenia elektryczne (nie tylko świece) do uzwojenia wyjściowego cewek, które nazwał „generatorami wtórnymi”.

Cewki Jabłonkowa i Usagina nieco się od siebie różniły. Mówiąc współczesnym językiem, transformator Jabłonkowa zwiększał napięcie: w uzwojeniu wtórnym było znacznie więcej zwojów cienkiego drutu niż w pierwotnym.

Transformator Usagina izoluje: liczba zwojów w obu uzwojeniach była taka sama (3000), a także napięcia wejściowe i wyjściowe (500 V).

KALENDARZ ISTOTNYCH DAT

Cewki indukcyjne Jabłkkowa i „wtórne generatory” Usagina zaczęły nabierać cech, które znamy dzisiaj z niesamowitą prędkością transformatory.

1884 - bracia Hopkinson zamknęli rdzeń.

Wcześniej strumień magnetyczny przechodził przez pręt stalowy, a częściowo z bieguna północnego na południe - przez powietrze. Opór powietrza jest 8 tysięcy razy większy niż oporu żelaza. Uzyskanie zauważalnego napięcia na uzwojeniu wtórnym było możliwe tylko dla dużych prądów przepływających przez wiele zwojów. Jeśli rdzeń zostanie wykonany w pierścień lub ramę, wówczas rezystancja zostanie zmniejszona do minimum.

Transformator lat 80. XIX wieku Szczotka elektryczna korporacja świetlna

1885 - Węgierski Dery wpadł na pomysł, aby równolegle włączać transformatory. Wcześniej wszyscy korzystali z połączenia szeregowego.

1886 - ponownie Hopkinsoni. Nauczyli się obliczać obwody magnetyczne zgodnie z prawem Ohma. Najpierw musieli wykazać, że procesy w obwodach elektrycznych i magnetycznych można opisać podobnymi wzorami.

1889 - Szwed Swinburne zaproponował chłodzenie rdzenia i uzwojenia transformatora olejem mineralnym, który jednocześnie pełni rolę izolacji. Dzisiaj opracowano pomysł Swinburne: stalowy rdzeń magnetyczny z uzwojeniami opuszcza się do dużego zbiornika, zbiornik zamyka się pokrywką, a po wysuszeniu, ogrzewaniu, ewakuacji, napełnieniu obojętnym azotem i innych operacjach wlewa się do niego olej.

Transformator - koniec XIX - początek XX wieku (Anglia)

Transformator 4000 kVA (Anglia) - początek XX w.

Toki Do 150 tys. Są to prądy zasilające piece do topienia metali nieżelaznych. W wypadkach obecne przepięcia sięgają 300-500 tys. (Moc transformatora w dużych piecach sięga 180 MW, napięcie pierwotne wynosi 6-35 kV, w piecach dużej mocy do 110 kV, wtórnie 50-300 V, aw nowoczesnych piecach do 1200 V.)

Straty Część energii jest tracona w uzwojeniach, część - na ogrzewanie rdzenia (prądy wirowe w żelazie i straty histerezy). Szybka wymiana elektryczna i magnetyczna nole in time (50 Hz - 50 razy na sekundę) zmusza cząsteczki lub ładunki w izolacji do orientowania się w różny sposób: energia jest pochłaniana przez olej, cylindry bakelitowe, papier, karton itp. d.

Pompy do pompowania gorącego oleju transformatorowego przez grzejniki pobierają pewną moc.

A jednak, ogólnie rzecz biorąc, straty są znikome: w jednym z największych projektów transformatorów o mocy 630 tys. KW utknie tylko 0,35% mocy. Niewiele urządzeń może się pochwalić. n. d. ponad 99,65%.

Pełna moc. Największe transformatory są „podłączone” do najpotężniejszych generatorów, więc ich moce pokrywają się. Dzisiaj jest 300, 500, 800 tysięcy kW, jutro liczby te wzrosną do 1-1,5 miliona, a nawet więcej.

Najmocniejszy transformator. Najmocniejszy transformator wyprodukowany przez austriacką firmę „Elin” i przeznaczony do elektrowni cieplnej w Ohio. Jego moc wynosi 975 megawoltów-amperów, musi zwiększyć napięcie generowane przez generatory - 25 tysięcy woltów do 345 tysięcy woltów (Science and Life, 1989, nr 1, s. 5).

Osiem największych transformatorów jednofazowych na świecie ma moc 1,5 miliona kVA. Transformatory są własnością amerykańskiej firmy Power Power Service. 5 z nich zmniejsza napięcie z 765 do 345 kV. („Nauka i technologia”)

W 2007 r. Holding Elektrozawod (Moskwa) wyprodukował najpotężniejszy transformator wyprodukowany wcześniej w Rosji - TC-630000/330 o mocy 630 MVA na napięcie 330 kV, o wadze około 400 ton. Transformator nowej generacji został opracowany dla obiektów koncernu Rosenergoatom.

Transformator domowy ORTS-417000/750 o mocy 417 MVA na napięcie 750 kV

Konstrukcja Każdy transformator do dowolnego celu składa się z pięciu elementów: obwodu magnetycznego, uzwojeń, zbiornika, pokrywy i tulei.

Najważniejszy szczegół - obwód magnetyczny - składa się z blachy stalowej, z których każda jest obustronnie powleczona izolacją - warstwą lakieru o grubości 0,005 mm.

Wymiary, na przykład, transformatorów kanadyjskiej elektrowni Busheville (wyprodukowanej przez zachodnioniemiecką firmę Siemens) są następujące: wysokość 10,5 m, średnica przekroju 30 - 40 m.

Waga tych transformatorów wynosi 188 ton, a podczas transportu wylewa się z nich grzejniki, ekspandery i olej, a pracownicy kolei muszą rozwiązać trudny problem: 135 ton to nie żart! Ale takie obciążenie nikogo nie dziwi: w elektrowni jądrowej Obrichheim jest grupa transformatorów o mocy 300 tysięcy kW. Główny „konwerter” waży 208 ton, a korekta - 101 ton.

Aby dostarczyć tę grupę na miejsce, wymagana była 40-metrowa platforma kolejowa! Dla naszych inżynierów energetycznych nie jest to łatwiejsze: w końcu projekty, które tworzą, należą do największych na świecie.

Transformator 388 ton! (USA)

Praca Duży transformator wytrzymuje 94 dni na 100. Średnie obciążenie wynosi około 55-65% obliczonych. Jest to bardzo marnotrawstwo, ale nic nie da się zrobić: jedno urządzenie ulegnie awarii, a jego analiza dość szybko dosłownie „wypala się w pracy”. Jeśli na przykład konstrukcja zostanie przeciążona o 40%, wówczas za dwa tygodnie jej izolacja zużyje się, jak w roku normalnej eksploatacji.

Wśród uczniów od dawna istnieje legenda o ekscentryku, który odpowiada na pytanie „Jak działa transformator?” „” Z zasobami ”odpowiedział:„ Oooo ... ”Ale dopiero dzisiaj przyczyna tego hałasu staje się jasna.

Okazuje się, że winne są wibracje stalowych płyt, które są ze sobą słabo połączone, wrzenie oleju i sprężyste odkształcenie uzwojeń. Przyczynę można uznać za magnetostrykcję, to znaczy zmianę wielkości materiału podczas magnesowania. Jak poradzić sobie z tym zjawiskiem fizycznym jest wciąż nieznane, więc zbiornik transformatora jest wyłożony dźwiękoszczelnymi osłonami.

Normy dotyczące „głosów” transformatorów są dość surowe: w odległości 5 m - nie więcej niż 70 decybeli (poziom głośnej mowy, hałasu samochodu) i w odległości 500 m, gdzie zwykle znajdują się budynki mieszkalne, około 35 decybeli (kroki, cicha muzyka).

Nawet tak krótki przegląd pozwala nam wyciągnąć dwa ważne wnioski. Główną zaletą transformatora jest brak ruchomych części. Z tego powodu osiąga się wysokie k. n. d., doskonała niezawodność, łatwa konserwacja. Największą wadą jest ogromna waga i wymiary.

I wciąż musisz zwiększyć rozmiar: w końcu moc transformatorów powinna wzrosnąć kilka razy w nadchodzących dekadach.

Transformator Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV

HYMN

Transformatory to najbardziej nieruchome maszyny technologiczne. „TE NIEZAWODNY POKŁAD IRON. .. ”Tak więc, podkreślając prostotę konstrukcji i wielką wagę, Francuz zwany Janvier nazwał transformatorami.

Ale ta nieruchomość jest widoczna: uzwojenia są otoczone prądami, a strumienie magnetyczne poruszają się wzdłuż stalowego rdzenia. Jednak poważne mówienie o ruchu elektronów jest w pewien sposób niezręczne. Naładowane cząstki ledwo pełzają wzdłuż przewodników, poruszając się w ciągu półtorej godziny. Pomiędzy momentami wejścia i wyjścia „oznakowanej” grupy elektronów mija około roku.

Dlaczego zatem napięcie w uzwojeniu wtórnym występuje prawie jednocześnie z włączeniem? Odpowiedź nie jest trudna: prędkość propagacji elektryczności zależy nie od prędkości ruchu elektronów, ale od powiązanych fal elektromagnetycznych. Impulsy energii rozwijają się w granicach 100-200 tys. Km na sekundę.

Transformator „nie robi zamieszania”, ale to w żaden sposób nie mówi o jego „wewnętrznej” tendencji do odpoczynku. Oddziaływanie prądów w przewodnikach prowadzi do pojawienia się sił dążących do ściskania uzwojeń na wysokości, do przesunięcia ich względem siebie, do zwiększenia średnicy zwojów. Konieczne jest związanie uzwojeń bandażami, rozpórkami, klinami.

Przepełniony siłami wewnętrznymi transformator przypomina spętanego giganta, który próbuje zerwać łańcuchy. W tej walce człowiek zawsze wygrywa. Ale za oswojonymi samochodami potrzebujesz oka i oka. W każdej strukturze zainstalowanych jest około dziesięciu ekranów elektronicznych, przekaźnikowych i gazowych, które monitorują temperatury, prądy, napięcia, ciśnienie gazu i, przy najmniejszej awarii, wyłączają zasilanie, zapobiegając wypadkom.

Wiemy już: główną wadą dzisiejszych transformatorów jest ich gigantyczność. Przyczyna tego jest również jasna: wszystko zależy od właściwości użytych materiałów. Może więc, jeśli dobrze wyszukasz, pojawią się inne pomysły na konwersję energii elektrycznej, oprócz tej, którą kiedyś zaproponował Faraday?

Niestety (a może na szczęście - kto wie), jak dotąd nie ma takich pomysłów, a ich pojawienie się jest mało prawdopodobne. Dopóki prąd przemienny panuje w sektorze energetycznym i istnieje potrzeba zmiany napięcia, idea Faradaya pozostaje poza konkurencją.

Skoro transformatorów nie można porzucić, być może uda się zmniejszyć ich liczbę?

Możesz „zaoszczędzić” na transformatorach, jeśli poprawisz obecny system zasilania. Nowoczesna miejska sieć elektryczna przypomina ludzki układ krążenia. Od głównego kabla odgałęzienia „poprzez reakcję łańcuchową” do lokalnych konsumentów. Napięcie stopniowo zmniejsza się stopniowo do 380 V i na wszystkich poziomach konieczne jest zainstalowanie transformatorów.

Angielscy eksperci szczegółowo opracowali kolejną, bardziej opłacalną opcję. Oferują zasilanie Londynu zgodnie z tym schematem: kabel 275 tysięcy kabli wchodzi do centrum miasta. Tutaj prąd jest prostowany, a napięcie „automatycznie” spada do 11 tysięcy woltów, prąd stały jest dostarczany do fabryk i obszarów mieszkalnych, ponownie zamieniany na napięcie przemienne i maleje. Znika kilka poziomów napięcia, mniej transformatorów, kabli i powiązanych urządzeń.

Częstotliwość wahań prądu w naszym kraju wynosi 50 Hz. Okazuje się, że jeśli przejdziesz do 200 Hz, waga transformatora zostanie zmniejszona o połowę! Tutaj wydaje się, że to prawdziwy sposób na ulepszenie projektu. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości prądu o współczynnik 4, rezystancje wszystkich elementów systemu elektroenergetycznego oraz całkowita utrata mocy i napięcia wzrosną w tym samym czasie. Tryb działania linii ulegnie zmianie, a jej restrukturyzacja nie opłaci się oszczędnościami.

Na przykład w Japonii część systemu zasilania działa przy 50 Hz, a niektóre przy 60 Hz. Co łatwiej jest sprowadzić system do jednego „mianownika”? Ale nie: przeszkodą jest nie tylko prywatna własność elektrowni i linii wysokiego napięcia, ale także wysoki koszt nadchodzących zmian.

Transformator ABB

Rozmiar transformatorów można zmniejszyć, zastępując dzisiejsze materiały magnetyczne i przewodzące nowymi, znacznie lepszymi właściwościami. Coś już zostało zrobione: na przykład zbudowane i przetestowane transformatory nadprzewodzące.

Oczywiście chłodzenie komplikuje projekt, ale zysk jest oczywisty: gęstość prądu wzrasta do 10 tysięcy, w porównaniu z pierwszym (1a) dla każdego milimetra kwadratowego przekroju drutu. Jednak tylko nieliczni entuzjaści ryzykują obstawianie transformatorów niskotemperaturowych, ponieważ korzyści z uzwojenia są całkowicie neutralizowane przez ograniczone możliwości stalowego obwodu magnetycznego.

Ale tutaj w ostatnich latach pojawiło się wyjście: albo związać uzwojenie pierwotne i wtórne bez pośrednika - stal, albo znaleźć materiały, które mają właściwości magnetyczne lepsze niż żelazo. Pierwszy sposób jest bardzo obiecujący, a takie transformatory „powietrzne” zostały już przetestowane. Uzwojenia są zamknięte w skrzynce wykonanej z nadprzewodnika - idealnego „lustra” dla pola magnetycznego.

Pudełko nie wypuszcza pola i nie pozwala mu rozproszyć się w przestrzeni. Ale już powiedzieliśmy: magnetorezystancja powietrza jest bardzo duża. Będziesz musiał nawijać zbyt wiele „pierwotnych” zwojów i przykładać do nich zbyt wysokie prądy, aby uzyskać zauważalny „wtórny”.

Inny sposób - nowe magnesy - również wiele obiecuje. Okazało się, że w bardzo niskich temperaturach holm, erb, dysprozy stają się magnetyczne, a ich pola nasycenia są kilkakrotnie większe niż pola żelaza (!). Ale po pierwsze, metale te należą do grupy metali ziem rzadkich, a zatem są rzadkie i drogie, a po drugie, straty w nich związane z histerezą będą, według wszelkiego prawdopodobieństwa, znacznie wyższe niż w stali.

V. Stepanov

Według materiałów czasopisma „Youth Technology”