Fapte interesante despre transformatoare

Fiecare dispozitiv tehnic are două zile de naștere: descoperirea principiului funcționării și punerea în aplicare a acestuia. Ideea unui transformator după șapte ani de muncă asiduă la „transformarea magnetismului în electricitate” a fost dată de Michael Faraday.

La 29 august 1831, Faraday a descris în jurnalul său un experiment care a trecut mai târziu în toate manualele de fizică. Pe un inel de fier cu un diametru de 15 cm și o grosime de 2 cm, experimentatorul a înfășurat separat două fire cu lungimea de 15 m și 18 m. Când un curent curgea de-a lungul uneia dintre înfășurări, săgețile galvanometrului de pe bornele celuilalt deviat!

Omul de știință a numit un dispozitiv simplu "Bobina de inducție". Când bateria a fost pornită, curentul (inutil să spun, constant) a crescut treptat în înfășurarea primară. Un flux magnetic a fost indus în inelul de fier, a cărui amploare a variat și el. A apărut o tensiune în înfășurarea secundară. Imediat ce fluxul magnetic a atins valoarea limită, curentul „secundar” a dispărut.

DPentru ca bobina să funcționeze, sursa de alimentare trebuie să fie pornită și oprită tot timpul (manual - cu un cuțit sau mecanic - cu un comutator).

Faraday Experience Ilustrație

Bobina de inducție Faraday

Ppermanent sau variabil?

De la inelul Faraday până la transformatorul curent era departe, iar știința chiar a colectat datele necesare pe firimituri. Henry american a înfășurat sârma cu fir de mătase - s-a născut izolația.

Francezul Foucault a încercat să rotească barele de fier într-un câmp magnetic - și a fost surprins: se încălzesc. Omul de știință a înțeles motivul - curenții generați într-un câmp magnetic alternativ afectat. Pentru a limita calea curenților eddy ai lui Foucault, Upton, un angajat al Edison, a sugerat să facă prefabricarea miezului de fier - din foi separate.

În 1872, profesorul Stoletov a realizat un studiu fundamental privind magnetizarea fierului moale, iar puțin mai târziu, englezul Ewing a prezentat Royal Society un raport privind pierderile de energie în timpul inversării magnetizării oțelului.

Mărimea acestor pierderi, numită „istereză” (din cuvântul grecesc „istorie”), depindea cu adevărat de eșantionul „trecut”. Boabele de metal - domenii, precum floarea-soarelui din spatele soarelui, se rotesc după câmpul magnetic și sunt orientate de-a lungul liniilor de forță. Munca cheltuită în aceasta se transformă în căldură. Depinde de cum - slab sau puternic - și în ce direcție au fost direcționate domeniile.

Informațiile despre proprietățile magnetice și conductoare s-au acumulat treptat până când cantitatea s-a transformat în calitate. Din când în când, inginerii electrici au prezentat lumea surprize, dar evenimentul principal din istoria transformatoarelor ar trebui considerat un eveniment care a făcut ca lumea din 1876 să se transforme în uimire față de Rusia.

Motivul a fost lumânarea Yablochkova. În „lămpi”, un arc ardea între doi electrozi paraleli. La un curent constant, un electrod a ars mai repede, iar omul de știință a căutat în mod persistent o ieșire.

În cele din urmă, a decis, după ce a încercat mai multe moduri, să folosească curent alternativ și iată și iată! - uzura electrozilor a devenit uniformă. Actul lui Yablochkov a fost cu adevărat eroic, deoarece în acei ani a existat o luptă acerbă între pasionații de iluminat electric și proprietarii companiilor de gaze. Dar nu numai asta: propoștenitorii de energie electrică, la rândul lor, s-au opus în unanimitate AC.

Au primit un curent alternativ, dar puțini au înțeles despre ce este vorba. Articole de lungă durată au fost publicate în ziare și reviste care amenințau pericolele curentului alternativ: „nu cantitatea este cea care ucide, ci schimbarea acestuia”. Cunoscutul inginer electric Chikolev a declarat: „Toate mașinile cu curent alternativ trebuie înlocuite cu mașini cu curent continuu.”

Nu mai puțin importantul specialist din Chinaov a dat vina pe Yablochkova în mod public, pentru că „curentul curent este bun deloc, iar curentul alternativ nu poate decât să strălucească.”„De ce domnii - adepți ai lumânărilor (lumânările arcului lui Yablochkov) nu ar trebui să încerce să le aplice serios curentul direct; pentru că prin aceasta și numai acest lucru ar putea oferi viitorul luminii lumânărilor ”, a scris el.

Nu este surprinzător că sub această presiune, Yablochkov și-a aruncat în sfârșit lumânările, dar, pe lângă „reabilitarea” parțială a curentului alternativ, a reușit să deschidă adevărata „față” a bobinelor de inducție. Lumânările lui, conectate în serie, erau extrem de stătătoare. De îndată ce o lampă-fie motivul a ieșit, toți ceilalți au ieșit instantaneu.

Yablochkov a conectat în serie în loc de „lămpi” înfășurările primare ale bobinelor. Pe secundar, el „a plantat” lumânări. Comportamentul fiecărei „lămpi” nu a afectat deloc activitatea celorlalți.

Adevărat, bobinele de inducție ale designului lui Yablochkov s-au diferențiat (și nu în bine) de cele Faraday - nucleele lor nu s-au închis într-un inel. Dar faptul că bobinele cu curent alternativ funcționau continuu, și nu periodic (când circuitul a fost pornit sau oprit), a adus faimoasa inventator rus.

Șase ani mai târziu, Usagin, cercetător în medicină MSU, a dezvoltat (sau mai degrabă rezumat) ideea lui Yablochkov. Usagin a conectat diferite dispozitive electrice (nu doar lumânări) la înfășurările de ieșire ale bobinelor, pe care le-a numit „generatoare secundare”.

Bobinele lui Yablochkov și Usagin erau oarecum diferite. Vorbind în limbă modernă, transformatorul Yablochkova a crescut tensiunea: în înfășurarea secundară erau mult mai multe viraje de sârmă subțire decât în ​​primar.

Transformatorul Usagin izolează: numărul de rotații în ambele înfășurări a fost același (3000), precum și tensiunile de intrare și ieșire (500 V).

CALENDARUL DATELOR SEMNIFICANTE

Bobinele de inducție ale lui Yablochkov și „generatoarele secundare” ale lui Usagin au început să achiziționeze caracteristici pe care le cunoaștem astăzi cu o viteză fabuloasă transformatoare.

1884 - frații Hopkinson au închis miezul.

Anterior, fluxul magnetic a trecut printr-o bară de oțel și parțial de la polul nord la sud - prin aer. Rezistența aerului este de 8 mii de ori mai mare decât cea a fierului. Pentru a obține o tensiune vizibilă pe înfășurarea secundară a fost posibilă numai pentru curenții mari care trec prin multe viraje. Dacă miezul este transformat într-un inel sau cadru, rezistența este redusă la minimum.

Transformatorul anilor 1880 Peria corporatiei electrice de lumina

1885 - Ungaria Dery a primit ideea de a porni transformatoarele în paralel. Înainte de aceasta, toată lumea folosea o conexiune în serie.

1886 - din nou Hopkinsons. Au învățat cum să calculeze circuitele magnetice conform legii lui Ohm. La început, ei au trebuit să demonstreze că procesele din circuitele electrice și magnetice pot fi descrise prin formule similare.

1889 - Suedezul Swinburne a propus răcirea miezului și a înfășurărilor transformatorului cu ulei mineral, care joacă simultan rolul de izolație. Astăzi, ideea lui Swinburne a fost dezvoltată: un miez magnetic de oțel cu înfășurări este coborât într-un rezervor mare, rezervorul este închis cu un capac, iar după uscare, încălzire, evacuare, umplere cu azot inert și alte operațiuni, ulei este turnat în el.

Transformator - sfârșitul secolului 19 - începutul secolului XX (Anglia)

Transformator de 4000 kVA (Anglia) - început de 20 de cent.

Curenții. Până la 150 de mii a. Acestea sunt curenții care alimentează cuptoarele pentru topirea metalelor neferoase. În accidente, creșterile actuale ajung la 300-500 mii a. (Capacitatea transformatorului pentru cuptoarele mari ajunge la 180 MW, tensiunea primară este de 6-35 kV, pe cuptoarele de mare putere de 110 kV, secundare de 50-300V, iar în cuptoarele moderne de până la 1200 V.)

Pierdere. O parte din energie se pierde în înfășurări, o parte - pentru încălzirea miezului (curenți de plumb în fier și pierderi de histereză). Schimbare rapidă a electrică și magnetică nole în timp (50 Hz - de 50 de ori pe secundă) face ca moleculele sau încărcările izolate să se orienteze diferit: energia este absorbită de ulei, cilindri de bakelită, hârtie, carton etc. d.

Pompele pentru pomparea uleiului fierbinte transformator prin calorifere iau puteri.

Și totuși, în general, pierderile sunt neglijabile: într-unul dintre cele mai mari modele de transformatoare pentru 630 mii kW, doar 0,35% din putere rămâne blocată. Puține dispozitive se pot lăuda. n. d. mai mult de 99,65%.

Putere deplină. Cele mai mari transformatoare sunt „atașate” la cele mai puternice generatoare, astfel încât puterile lor coincid. Astăzi există 300, 500, 800 mii de unități de putere kW, mâine aceste cifre vor crește la 1-1,5 milioane, sau chiar mai mult.

Cel mai puternic transformator. Cel mai puternic transformator fabricat de compania austriacă „Elin” și este proiectat pentru o centrală termică din Ohio. Puterea sa este de 975 megavolt-amperi, trebuie să crească tensiunea generată de generatoare - 25 mii volți la 345 mii volți (Science and Life, 1989, nr. 1, p. 5).

Cele mai mari opt transformatoare monofazate din lume au o capacitate de 1,5 milioane kVA. Transformatoarele sunt deținute de compania americană Power Power Service. 5 dintre ele reduc tensiunea de la 765 la 345 kV. („Știință și tehnologie”)

În 2007, Holding Elektrozavod (Moscova) a fabricat cel mai puternic transformator produs anterior în Rusia - TC-630000/330 cu o capacitate de 630 MVA pentru o tensiune de 330 kV, în greutate de aproximativ 400 de tone. Transformatorul de nouă generație a fost dezvoltat pentru facilitățile Rosenergoatom Concern.

Transformator intern ORTs-417000/750 cu o capacitate de 417 MVA pentru o tensiune de 750 kV

Design. Orice transformator pentru orice scop este format din cinci componente: circuit magnetic, înfășurări, rezervor, capac și bucși.

Cel mai important detaliu - circuitul magnetic - este format din foi de oțel, fiecare fiind acoperit pe ambele părți cu izolație - un strat de lac cu o grosime de 0,005 mm.

Dimensiunile, de exemplu, ale transformatoarelor centralei canadiene Busheville (fabricate de compania vest-germană Siemens) sunt următoarele: înălțime 10,5 m, diametru transversal 30 - 40 m.

Greutatea acestor transformatoare este de 188 de tone. Radiatoarele, dilatatoarele și uleiul sunt turnate din ele atunci când sunt transportate și totuși lucrătorii feroviari trebuie să rezolve o problemă dificilă: 135 de tone nu este o glumă! Dar o astfel de încărcare nu surprinde pe nimeni: la centrala nucleară din Obrichheim există un grup de transformatoare cu o capacitate de 300 de mii de kW. Principalul „convertor” cântărește 208 tone, reglarea una - 101 tone.

Pentru a livra acest grup în loc, era necesară o platformă feroviară de 40 de metri! Nu este mai ușor pentru inginerii noștri de energie electrică: la urma urmei, designurile pe care le creează sunt printre cele mai mari din lume.

388 tone transformator! (Statele Unite)

Munca. Un transformator mare durează 94 de zile din 100. Sarcina medie este de aproximativ 55-65% din calcul. Acest lucru este foarte risipitor, dar nu se poate face nimic: un dispozitiv nu va reuși, scutirea sa destul de repede literalmente „se arde la locul de muncă”. Dacă, de exemplu, structura este supraîncărcată cu 40%, atunci în două săptămâni, izolarea sa se va uzura, ca într-un an de serviciu normal.

În rândul studenților, a existat de mult o legendă despre un excentric care răspunde la întrebarea „Cum funcționează un transformator?” "" Resursiv "a răspuns:" Oooo ... "Dar abia astăzi motivul acestui zgomot devine clar.

Se dovedește că nu vibrațiile plăcilor de oțel sunt slab legate între ele, fierberea uleiului și deformarea elastică a înfășurărilor care sunt de vină. Cauza poate fi considerată magnetostricție, adică o modificare a mărimii materialului în timpul magnetizării. Modul de abordare a acestui fenomen fizic nu este încă cunoscut, astfel încât rezervorul transformatorului este căptușit cu scuturi izolate fonic.

Normele pentru „vocile” transformatoarelor sunt destul de stricte: la o distanță de 5 m - nu mai mult de 70 de decibeli (nivel de vorbire puternică, zgomot de mașină) și la o distanță de 500 m, unde sunt de obicei amplasate clădiri rezidențiale, aproximativ 35 de decibeli (pași, muzică liniștită).

Chiar și o astfel de scurtă trecere în revistă ne permite să tragem două concluzii importante. Principalul avantaj al transformatorului este absența pieselor mobile. Datorită acestui fapt, se realizează o k mare. n. d., fiabilitate excelentă, întreținere ușoară. Cel mai mare dezavantaj este greutatea și dimensiunile uriașe.

Și mai trebuie să crești dimensiunea: la urma urmei, puterea transformatoarelor ar trebui să crească de mai multe ori în următoarele decenii.

Transformator Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV

IMNUL imobilitate

Transformatoarele sunt cele mai nemișcate mașini ale tehnologiei. „ACESTE PĂRȚI DE FIER .. ”Deci, subliniind simplitatea designului și greutatea deosebită, francezul l-a numit Janvier numit transformatoare.

Dar această imobilitate este aparentă: înfășurările sunt înconjurate de curenți, iar fluxurile magnetice se deplasează de-a lungul miezului de oțel. Cu toate acestea, a vorbi serios despre mișcarea electronilor este oarecum penibilă. Particulele încărcate abia se strecoară de-a lungul conductorilor, mișcându-se într-o oră doar jumătate de metru. Între momentele de intrare și ieșire a grupului de electroni „etichetat”, trece un an.

Atunci de ce, tensiunea din înfășurarea secundară apare aproape simultan cu includerea? Nu este greu de răspuns: viteza de propagare a electricității este determinată nu de viteza de mișcare a electronilor, ci de undele electromagnetice asociate. Impulsurile de energie se dezvoltă 100-200 de mii de km pe secundă.

Transformatorul „nu se zbate”, dar acest lucru nu vorbește în niciun caz despre tendința sa „internă” de a se odihni. Interacțiunea curenților în conductoare conduce la apariția forțelor care tind să comprime înfășurările în înălțime, să le mute unul față de celălalt, să crească diametrul virajelor. Este necesar să înfășurați înfășurările cu bandaje, șuvițe, pene.

Izbucnind cu forțe interne, transformatorul seamănă cu un gigant agățat care se străduiește să spargă lanțurile. În această luptă o persoană câștigă întotdeauna. Dar în spatele mașinilor îmblânzite ai nevoie de un ochi și un ochi. Aproximativ zece scuturi electronice, relee și gaze sunt instalate pe fiecare structură, care monitorizează temperaturile, curenții, tensiunile, presiunea gazului și, la cea mai mică defecțiune, oprește puterea, prevenind un accident.

Știm deja: principalul dezavantaj al transformatoarelor de astăzi este gigantismul lor. Motivul pentru aceasta este, de asemenea, clar: totul depinde de proprietățile materialelor utilizate. Deci, poate, dacă căutați bine, vor exista și alte idei pentru convertirea energiei electrice, în afară de cea pe care Faraday a propus-o cândva?

Din păcate (și poate, din fericire - cine știe), nu există încă astfel de idei, iar aspectul lor este puțin probabil. Atâta timp cât curentul alternativ domnește în sectorul energetic și rămâne nevoia să-și schimbe tensiunea, ideea Faraday este dincolo de concurență.

Deoarece transformatoarele nu pot fi abandonate, poate va fi posibil să le reducem numărul?

Puteți „salva” pe transformatoare, dacă îmbunătățiți sistemul de alimentare curent. Rețeaua de electricitate urbană modernă seamănă cu sistemul circulator uman. Din cablul principal, ramurile „printr-o reacție în lanț” se ramifică către consumatorii locali. Tensiunea este redusă treptat cu pași la 380 V, iar la toate nivelurile este necesară instalarea transformatoarelor.

Experții englezi au dezvoltat în detaliu o altă opțiune, mai profitabilă. Aceștia oferă energie electrică în conformitate cu această schemă: un cablu de 275 de mii intră în centrul orașului. Aici, curentul este redresat, iar tensiunea „automat” scade la 11 mii de volți, curentul direct este furnizat fabricilor și zonelor rezidențiale, este din nou transformat în tensiune alternativă și scade în tensiune. Câteva niveluri de tensiune dispar, mai puține transformatoare, cabluri și dispozitive conexe.

Frecvența fluctuațiilor curente în țara noastră este de 50 Hz. Se dovedește că dacă mergeți la 200 Hz, greutatea transformatorului va fi redusă la jumătate! Aici, s-ar părea, un mod real de a îmbunătăți designul. Cu toate acestea, cu o creștere a frecvenței curentului cu un factor de 4, rezistențele tuturor elementelor sistemului de alimentare și pierderea totală a puterii și a tensiunii vor crește în același timp. Modul de operare al liniei se va schimba, iar restructurarea ei nu va plăti cu economii.

În Japonia, de exemplu, o parte din sistemul de alimentare funcționează la 50 Hz, iar unele la 60 Hz. Ce este mai ușor să aducem sistemul la un „numitor”? Dar nu: acest lucru nu este împiedicat numai de proprietatea privată a centralelor electrice și a liniilor de înaltă tensiune, ci și de costul ridicat al modificărilor viitoare.

Transformator ABB

Dimensiunea transformatoarelor poate fi redusă prin înlocuirea materialelor magnetice și conductoare de astăzi cu proprietăți noi, mult mai bune. S-a făcut deja ceva: de exemplu, construit și testat transformatoare supraconductoare.

Desigur, răcirea complică proiectarea, dar câștigul este evident: densitățile de curent cresc până la 10 mii și față de fostul (1 a) pentru fiecare milimetru pătrat al secțiunii transversale a sârmei. Cu toate acestea, doar foarte puțini entuziaști riscă să parieze pe transformatoarele cu temperaturi joase, deoarece beneficiul asupra înfășurării este complet neutralizat de capacitățile limitate ale circuitului magnetic din oțel.

Dar aici în ultimii ani a existat o cale de ieșire: fie să legăm înfășurările primare și secundare fără intermediar - oțelul, fie să găsim materiale care sunt mai bune decât fierul în proprietăți magnetice. Prima modalitate este foarte promițătoare și astfel de transformatoare „de aer” au fost deja testate. Înfășurările sunt închise într-o cutie din superconductor - o „oglindă” ideală pentru un câmp magnetic.

Caseta nu lasă câmpul afară și nu îi permite să se disperseze în spațiu. Dar am spus deja: magnetorezistența aerului este foarte mare. Va trebui să încercați prea multe viraje „primare” și să aplicați curenți prea mari pentru a obține un „secundar” vizibil.

Un alt mod - magneți noi - promite, de asemenea, multe. S-a dovedit că la temperaturi foarte scăzute holmiu, erbiu, disprosium devin magnetice, iar câmpurile lor de saturație sunt de câteva ori mai mari decât cele ale fierului (!). Dar, în primul rând, aceste metale aparțin grupului de pământuri rare și, prin urmare, sunt rare și scumpe și, în al doilea rând, pierderile de histereză în ele vor fi, după toate probabilitățile, mult mai mari decât în ​​oțel.

V. Stepanov

Conform materialelor revistei "Tehnologia Tineretului"