Занимљиве чињенице о трансформаторима

Сваки технички уређај има два рођендана: откриће принципа рада и његове примене. Идеју о трансформатору након седам година напорног рада на „трансформацији магнетизма у електричну енергију“ дао је Мицхаел Фарадаи.

29. августа 1831. Фарадаи је у свом дневнику описао експеримент који је касније ушао у све уџбенике физике. На жељезном прстену пречника 15 цм и дебљине 2 цм, експериментатор је засебно намотао две жице дужине 15 м и 18 м. Када је струја текла дуж једног од намотаја, стрелице галванометра на другим терминалима су одступиле!

Научник је назвао једноставан уређај "Индукциона завојница". Када је батерија била укључена, струја (непотребно је рећи, константна) се у примарном намотавању постепено повећавала. У жељезном прстену је индукован магнетни ток, чија је величина такође варирала. Напон се појавио у секундарном намоту. Чим је магнетни ток достигао граничну вредност, "секундарна" струја је нестала.

ДДа би завојница радила, извор напајања мора бити стално укључен и искључен (ручно - прекидачем ножа или механички - прекидачем).

Илустрација Фарадаи искуства

Фарадаи индукциона завојница

Пстални или променљива?

Од фарадејевог прстена до струјног трансформатора било је далеко, а наука је чак и тада прикупљала потребне податке о мрвицама. Американац Хенри је омотао жицу свиленом нити - рођена је изолација.

Француз Фоуцаулт покушао је закретати гвоздене шипке у магнетном пољу - и био је изненађен: они су загревали. Научник је разумио разлог - струје које настају у измјеничном магнетном пољу. Да би ограничили пут вртложних струја Фоуцаулта, Уптон, запосленик Едисона, предложио је да се главно језгро направи префабриковано - од засебних лимова.

Професор Столетов је 1872. године спровео темељну студију о магнетизацији меког гвожђа, а мало касније, Енглез Евинг представио је Краљевском друштву извештај о губицима енергије током преокрета магнетизације челика.

Величина тих губитака, названа „хистереза“ (од грчке речи „историја“), заиста је зависила од узорка „прошлости“. Зрно метала - домени, попут сунцокрета иза сунца, окрећу се после магнетног поља и оријентисани су дуж линија силе. Посао утрошен у ово претвара се у топлину. Зависи од тога како - слабо или снажно - и у ком правцу су домени били усмерени.

Информације о магнетним и проводљивим својствима акумулирају се постепено док се количина не претвори у квалитет. С времена на време, инжењери електротехнике представили су свету изненађења, али главни догађај у историји трансформатора требало би сматрати догађајем који је свет 1876. године претворио у запрепашћење у Русију.

Разлог је била свијећа Иаблоцхкова. У "лампама" је лук горио између две паралелне електроде. При константној струји једна електрода је горјела брже, а научник је упорно тражио излаз.

На крају је одлучио, испробавши на више начина, да користи наизменичну струју, и гле! - трошење електрода је постало уједначено. Иаблоцхков је чин био заиста херојски, јер се тих година водила жестока борба између ентузијаста за електрично осветљење и власника гасних компанија. Али не само то: сами заговорници струје су се једногласно успротивили АЦ-у.

Примили су наизменичну струју, али мало ко је схватио шта је то. Дугорочни чланци објављени су у новинама и часописима који су пријетили опасностима од наизменичне струје: "убија не количина, већ њена промјена." Познати инжењер електротехнике Чиколев је изјавио: „Све машине са наизменичном струјом морају бити замењене машинама са директном струјом.“

Ништа мање угледни специјалиста Лацхинов јавно је окривио Иаблоцхкову, јер је „директна струја уопште добра, а наизменична струја може само да сија“.„Зашто господа - присталице свећа (Иаблоцхков лучни свеће) не покушавају да озбиљно примене струју на њих; јер са овим и само овим они би могли да обезбеде будућност светлости свећа ", написао је.

Није изненађујуће да је под тим притиском Иаблоцхков коначно бацио своје свеће, али, поред делимичне „рехабилитације“ наизменичних струја, успео је да отвори и право „лице“ индукционих завојница. Његове свеће, повезане низом, биле су изузетно расположене. Чим једна лампа-или је разлог нестао, сви остали су одмах изашли напоље.

Иаблоцхков је серијски спојен уместо да „свети“ примарним намотима завојница. На секундарном нивоу је "подметнуо" свеће. Понашање сваке „лампе“ уопште није утицало на рад других.

Тачно, индукцијски завојнице дизајна Иаблоцхкова разликовале су се (и не на боље) од Фарадаиевих - њихова језгра се није затворила у прстен. Али чињеница да су намотачи наизменичних струја радили непрекидно, а не периодично (када се струјни круг укључивао или искључивао) донела је руску проналазачу светску славу.

Шест година касније, Усагин, истраживач медицине МСУ-а, развио је (или боље речено, сажео) идеју Иаблоцхкова. Усагин је прикључио различите електричне уређаје (не само свеће) на излазне намоте намотаја, које је назвао "секундарним генераторима".

Завојнице Иаблоцхков-а и Усагина-а нешто су се разликовале једна од друге. Говорећи модерним језиком, трансформатор Иаблоцхкова повећао је напон: у секундарном намоту било је много више завоја од танке жице него у примарном.

Усагин трансформатор је изолован: број окретаја у оба намотаја био је исти (3000), као и улазни и излазни напон (500 В).

КАЛЕНДАР ЗНАЧАЈНИХ ДАТУМА

Иаблоцхков индукциони завојнице и Усагинови „секундарни генератори“ почели су добијати карактеристике какве данас познајемо феноменалном брзином трансформатори.

1884. - браћа Хопкинсон затворила су језгро.

Претходно је магнетни ток пролазио кроз челичну шипку, а делимично од северног пола до јужне - кроз ваздух. Отпор ваздуха је 8 хиљада пута већи од гвожђа. Добијање приметног напона на секундарном намоту било је могуће само за велике струје које пролазе кроз многе завоје. Ако се језгра направи у прстену или оквиру, отпор се своди на минимум.

Трансформатор из 1880-их Четка електрична светлосна корпорација

1885. - Мађарски Дери добио је идеју да паралелно укључи трансформаторе. Пре тога, сви су користили серијску везу.

1886. - поново Хопкинсонови. Научили су како да израчунају магнетне кругове према Охмовом закону. У почетку су морали да докажу да се процеси у електричним и магнетним круговима могу описати сличним формулама.

1889. - Швеђанин Свинбурне предложио је хлађење језгре и намотаја трансформатора минералним уљем, које истовремено игра улогу изолације. Данас је развијена Свинбурнеова идеја: челична магнетна језгра са намотима спуштена је у велики резервоар, резервоар се затвори поклопцем, а након сушења, загревања, евакуације, пуњења инертним азотом и других операција, уље се у њега сипа.

Трансформатор - крај 19. - почетак 20. века (Енглеска)

Трансформатор 4000 кВА (Енглеска) - почетак 20. цента.

Токи. До 150 хиљада а. То су струје које напајају пећи за топљење обојених метала. У несрећама, струјни удари достижу 300-500 хиљада а. (Капацитет трансформатора на великим пећима достиже 180 МВ, примарни напон је 6-35 кВ, на пећи велике снаге до 110 кВ, секундарне 50-300В, а у модерним пећима до 1200 В.)

Губици. Део енергије се губи у намотима, део - за загревање језгре (вртложне струје у гвожђу и хистерези). Брза промена електричне и магнетне ноле на време (50 Хз - 50 пута у секунди) чине да се молекули или набоји у изолацији различито оријентишу: енергију апсорбују уље, бакелитни цилиндри, папир, картон итд. д.

Пумпе за пумпање врућег уља трансформатора кроз радијаторе одузимају одређену снагу.

Па ипак, генерално су губици занемарљиви: у једном од највећих дизајна трансформатора снаге 630 хиљада кВ, само 0,35% снаге се заглави. Мало се уређаја може похвалити. н. д. више од 99,65%.

Пуном снагом. Највећи трансформатори су "везани" за најмоћније генераторе, тако да се њихове снаге подударају. Данас постоје снаге од 300, 500, 800 хиљада кВ, сутра ће се ове бројке повећати на 1-1,5 милиона, или чак и више.

Најмоћнији трансформатор. Најмоћнији трансформатор произведен од аустријске компаније „Елин“ и предвиђен је за термоелектране у Охају. Његова снага је 975 мегаволтреских ампера, мора да повећа напон који генеришу генератори - 25 хиљада волти на 345 хиљада волти (Сциенце анд Лифе, 1989, бр. 1, стр. 5).

Осам највећих једнофазних трансформатора на свету има капацитет 1,5 милиона кВА. Трансформатори су у власништву америчке компаније Повер Повер Сервице. 5 њих смањује напон са 765 на 345 кВ. ("Наука и технологија")

Године 2007, Холдинг компанија Електрозавод (Москва) произвела је најмоћнији трансформатор претходно произведен у Русији - ТЦ-630000/330 капацитета 630 МВА за напон од 330 кВ, тежине око 400 тона. Нова генерација трансформатора развијена је за објекте концерна Росенергоатом.

Домаћи трансформатор ОРТ-417000/750 капацитета 417 МВА за напон од 750 кВ

Изградња. Било који трансформатор за било коју сврху састоји се од пет компоненти: магнетног круга, намотаја, резервоара, поклопца и водова.

Најважнији детаљ - магнетни круг - састоји се од челичних лимова, од којих је свака са обе стране обложена изолацијом - слојем лака дебљине 0,005 мм.

Димензије, на пример, трансформатора канадске електране Бусхевилле (коју производи западно немачка компанија Сиеменс) су следеће: висина 10,5 м, пречник попречног пресека 30 - 40 м.

Тежина ових трансформатора износи 188 тона. Радијатори, експандери и уље изливају се из њих приликом транспорта, а још увек железничари морају да реше тежак проблем: 135 тона није шала! Али такво оптерећење никога не изненађује: у нуклеарној електрани у Обрицххеиму постоји трансформаторска група капацитета 300 хиљада кВ. Главни "претварач" тежи 208 тона, прилагодни - 101 тону.

Да би се та група довела до места, била је потребна железничка платформа дужине 40 метара! Нашим инжењерима енергије није лакше: уосталом, дизајни које стварају спадају међу највеће на свету.

388 тона трансформатора! (УСА)

Посао. Велики трансформатор траје 94 дана од 100. Просечно оптерећење је око 55-65% од израчунатог. Ово је веома расипно, али ништа се не може учинити: један уређај ће пропасти, а његов подухват прилично брзо буквално „изгоре на послу“. Ако је, на пример, конструкција преоптерећена за 40%, тада ће се за две недеље његова изолација истрошити, као и у години уобичајеног рада.

Међу студентима већ дуго постоји легенда о ексцентрику који одговара на питање „Како ради трансформатор?“ "" Ресоурцефул "је одговорио:" Оооо ... "Али тек данас разлог за ову буку постаје јасан.

Испада да нису вибрације челичних плоча које су слабо везане једна за другу, кључање уља и еластична деформација намотаја. Узрок се може сматрати магнетострикцијом, односно променом величине материјала током магнетизације. Како се носити са овом физичком појавом још увек се не зна, па је резервоар трансформатора обложен звучно изолираним штитницима.

Норме за „гласове“ трансформатора су прилично строге: на удаљености од 5 м - не више од 70 децибела (ниво гласности, буке у аутомобилу), а на удаљености од 500 м, где се обично налазе стамбене зграде, око 35 децибела (степенице, тиха музика).

Чак нам и такав кратак преглед омогућава да извучемо два важна закључка. Главна предност трансформатора је одсуство покретних делова. Због тога се постиже високи к. н. д., одлична поузданост, лако одржавање. Највећа мана је огромна тежина и димензије.

И још увек морате да повећате величину: уосталом, снага трансформатора би требало да нарасте неколико пута у наредним деценијама.

Трансформатор Митсубисхи Елецтриц - 760 МВА - 345 кВ

ХИМН

Трансформатори су највише непомичне машине технологије. „ОВО ВЕЛИКЕ ЖЕЛЕЗНЕ ДЕЦКЕ. .. ”Дакле, наглашавајући једноставност дизајна и велику тежину, Француз је назвао Јанвиер трансформаторима.

Али та непокретност је очита: намотаји су окружени струјама, а магнетни токови се крећу дуж челичне језгре. Међутим, озбиљно говорити о кретању електрона некако је непријатно. Напуњене честице једва се пузе по проводницима, крећући се за сат времена свега пола метра. Између тренутака уласка и изласка „обележене“ групе електрона прође око годину дана.

Зашто се напон у секундарном намоту јавља готово истовремено са укључивањем? Није тешко одговорити: брзина ширења електричне енергије се не одређује брзином кретања електрона, већ припадајућим електромагнетним таласима. Енергетски импулси развијају се 100-200 хиљада км у секунди.

Трансформатор "не узбуђује", али то ни на који начин не говори о његовој "унутрашњој" склоности ка мировању. Међусобна струја у проводницима доводи до појаве сила које теже притиску намотаја у висину, да их померају у односу један на други, да повећају пречник завоја. Намотаје је потребно завезати завојима, потпорницама, клиновима.

Пушући унутрашњим силама, трансформатор подсећа на кољенастог гиганта који настоји да разбије ланце. У овој борби човек увек победи. Али иза прикрочених аутомобила требате око и око. На свакој конструкцији уграђено је око десет електронских, релејних и гасних штитника који прате температуру, струју, напон, притисак гаса и при најмањем квару искључују напајање, спречавајући несрећу.

Већ знамо: главни недостатак данашњих трансформатора је њихов гигантизам. Разлог за то је такође јасан: све зависи од својстава коришћених материјала. Можда ће, ако добро претражите, постојати и друге идеје за претварање електричне енергије, осим оне коју је Фарадаи једном предложио?

Нажалост (а можда, на срећу - ко зна), још увек не постоје такве идеје, а њихово појављивање мало је вероватно. Све док наизменична струја влада у енергетском сектору и постоји потреба за променом напона, Фарадаиева идеја је ван конкуренције.

Будући да трансформаторе није могуће напустити, можда ће бити могуће смањити њихов број?

Можете да уштедите на трансформаторима ако побољшате тренутни систем напајања. Савремена градска електроенергетска мрежа подсећа на људски крвоток. Од главног кабла гране се "кроз ланчане реакције" до локалних потрошача. Напон се постепено смањује на 380 В, а на свим нивоима потребно је уградити трансформаторе.

Енглески стручњаци детаљно су развили још једну, профитабилнију опцију. Они нуде да Лондон напаја по овој шеми: каблом од 275 хиљада улази у центар града. Овде се струја исправља, а напон „аутоматски“ пада на 11 хиљада волти, директна струја се доводи у фабрике и стамбене просторе, поново се претвара у променљиви напон и смањује напон. Неколико нивоа напона нестаје, мање трансформатора, каблова и повезаних уређаја.

Учесталост колебања струје у нашој земљи је 50 Хз. Испада да ако пређете на 200 Хз, тежина трансформатора ће се смањити за половину! Овде би изгледао прави начин за побољшање дизајна. Међутим, с повећањем фреквенције струје за фактор 4, отпори свих елемената електроенергетског система и укупни губитак снаге и напона ће се истовремено повећавати. Начин рада линије ће се променити, а њено реструктурирање се неће исплатити уштедама.

На пример, у Јапану, део електроенергетског система делује на 50 Хз, а неки на 60 Хз. Шта је лакше довести систем на један "називник"? Али не: ово није ометано само приватно власништво електрана и високонапонских водова, већ и велика цијена предстојећих измјена.

АББ Трансформер

Величина трансформатора може се смањити заменом данашњих магнетних и проводљивих материјала новим, много бољим својствима. Нешто је већ урађено: на пример, изграђено и тестирано суперпреводни трансформатори.

Наравно, хлађење комплицира дизајн, али добитак је очигледан: густоћа струје расте на 10 хиљада, а у односу на претходну (1 а) за сваки квадратни милиметар пресека жице. Међутим, само мали број ентузијаста ризикује да се клади на трансформаторе ниске температуре, јер је корист од намотавања потпуно неутрализована ограниченим могућностима челичног магнетног круга.

Али ево, последњих година постоји излаз: или да се вежу примарни и секундарни намоти без посредника - челик, или да се пронађу материјали који су бољи од гвожђа у магнетним својствима. Први начин је врло обећавајући, а такви „ваздушни“ трансформатори већ су тестирани. Намотаји су затворени у кутији направљеној од суправодича - идеалног „огледала“ за магнетно поље.

Кутија не испушта поље и не дозвољава му да се рашири у простору. Али већ смо рекли: магнетна отпорност ваздуха је врло велика. Морат ћете намотати превише "примарних" завоја и примијенити превелику струју на њих да бисте добили уочљив "секундарни".

Други начин - нови магнети - такође обећава пуно. Показало се да при врло ниским температурама холмијум, ербијум, диспрозијум постају магнетни, а њихова поља засићења неколико пута су већа од гвожђа (!). Али, прво, ти метали припадају реткоземној групи, па су ретки и скупи, а друго, губици хистерезе у њима ће, по свему судећи, бити много већи него у челику.

В. Степанов

Према материјалима часописа "Омладинска технологија"