Mielenkiintoisia faktoja muuntajista

Jokaisella teknisellä laitteella on kaksi syntymäpäivää: toimintaperiaatteen löytäminen ja toteuttaminen. Michael Faraday antoi idean muuntajasta seitsemän vuoden kovan työn jälkeen ”magnetismin muuttumiseksi sähköksi”.

Faraday kuvasi 29. elokuuta 1831 päiväkirjassaan kokeilua, joka meni myöhemmin kaikkiin fysiikan oppikirjoihin. Raudanrenkaalla, jonka halkaisija oli 15 cm ja paksuus 2 cm, kokeilija kietoi erikseen kaksi johtoa, joiden pituus oli 15 m ja 18 m. Kun virta virtaa yhtä käämiä pitkin, galvanometrin nuolet poikkesivat toisen päätteessä!

Tiedemies kutsui yksinkertaista laitetta "Induktiokela". Kun akku kytkettiin päälle, virta (sanomattakin jatkuvaa) kasvoi vähitellen ensiökäämityksessä. Rautarenkaassa indusoitiin magneettinen vuo, jonka suuruus myös vaihteli. Toisiokäämissä ilmeni jännite. Heti kun magneettivuo saavutti raja-arvonsa, "toissijainen" virta katosi.

DJotta käämi toimisi, virtalähteen on oltava päällä ja pois päältä koko ajan (käsin - veitsellä tai mekaanisesti - kytkimellä).

Faraday-kokemuksen kuva

Faraday-induktiokela

Ppysyvä tai muuttuja?

Faradayn renkaasta nykyiseen muuntajaan oli kaukana, ja tiede jopa silloin keräsi tarvittavat tiedot murusta. Amerikkalainen Henry kääri langan silkkilangalla - eristys syntyi.

Ranskalainen Foucault yritti pyörittää rautavarret magneettikentässä - ja yllättyi: ne kuumenivat. Tutkija ymmärsi syyn - vuorottelevassa magneettikentässä syntyvät virrat vaikuttivat. Foucaultin pyörrevirtojen polun rajoittamiseksi Edisonin työntekijä Upton ehdotti rautaytimen valmistamista valmiiksi - erillisistä levyistä.

Professori Stoletov teki vuonna 1872 perustutkimuksen pehmeän raudan magnetoinnista, ja vähän myöhemmin englantilainen Ewing esitti kuninkaalliselle yhdistykselle raportin energiahäviöistä teräksen magnetoinnin kääntämisen aikana.

Näiden tappioiden suuruus, nimeltään ”hystereesi” (kreikkalaisesta sanasta ”historia”), riippui todella “aiemmasta” näytteestä. Metallin jyvät - domeenit, kuten auringonkukka auringon takana, pyörivät magneettikentän jälkeen ja ovat suunnattuja voimaviivoja pitkin. Tässä vietetty työ muuttuu lämmöksi. Se riippuu kuinka - heikosti tai voimakkaasti - ja mihin suuntaan verkkotunnuksia suunnattiin.

Tietoja magneettisista ja johtavista ominaisuuksista kertyi vähitellen, kunnes määrä muuttui laatuksi. Sähköinsinöörit esittivät aika ajoin maailmalle yllätyksiä, mutta muuntajien historian päätapahtumana on pidettävä tapahtumaa, joka sai maailman vuonna 1876 kääntymään hämmästyneesti Venäjää kohtaan.

Syynä oli kynttilä Yablochkova. "Lampuissa" kaari palaa kahden rinnakkaisen elektrodin välillä. Vakiovirralla yksi elektrodi palai nopeammin, ja tiedemies etsi jatkuvasti tietä ulos.

Lopulta hän päätti kokeillaan monia tapoja käyttää vaihtovirtaa ja katso, katso! - elektrodien kulumisesta on tullut tasaista. Yablochkovin teko oli todella sankarillista, koska noina vuosina sähköisen valaistuksen harrastajat ja kaasuyhtiöiden omistajat olivat käyneet kovaa taistelua. Mutta ei vain sitä: sähkön kannattajat puolestaan ​​vastustivat yksimielisesti vaihtovirtaa.

He saivat vaihtovirran, mutta harvat ymmärsivät mitä se oli. Sanomalehdissä ja aikakauslehdissä julkaistiin pitkäaikaisia ​​artikkeleita, jotka uhkasivat vaihtovirran vaaroja: "Ei tapa tappaa määrä, vaan sen muutos". Tunnettu sähköinsinööri Chikolev totesi: "Kaikki vaihtovirtaiset koneet on korvattava tasavirtalaitteilla."

Vähemmän tunnettu asiantuntija Lachinov syytti julkisesti Yablochkovaa, koska ”tasavirta on ollenkaan hyvä ja vaihtovirta voi vain loistaa”."Miksi herrat - kynttilöiden (Yablochkovin kaarikynttilät) kannattajat eivät saa yrittää kohdistaa heihin tasavirtaa vakavasti; koska tällä ja vain tällä he voisivat tarjota kynttilänvalon tulevaisuuden ”, hän kirjoitti.

Ei ole yllättävää, että tämän paineen alla Yablochkov heitti vihdoin kynttilänsä, mutta vaihtovirran osittaisen "kuntoutuksen" lisäksi hän onnistui avaamaan induktiokelojen todellisen "kasvot". Hänen kynttilät, jotka oli kytketty sarjaan, olivat erittäin mielialaisia. Heti kun yksi lamppu-joko syy poistui, kaikki muut poistuivat heti.

Yablochkov liitti sarjaan "lamppujen" sijaan kelojen ensiökäämit. Toissijaisesti hän "istutti" kynttilöitä. Kunkin "lampun" käyttäytyminen ei ollenkaan vaikuttanut muiden työhön.

Totta, Yablochkovin mallin induktiokäämit erottuivat (ja ei paremmin) Faraday-malleista - niiden ytimet eivät sulkeutuneet renkaaseen. Mutta se, että vaihtovirtakelat toimivat jatkuvasti, ei ajoittain (kun piiri kytkettiin päälle tai pois päältä), toi Venäjän keksijöille maailmankuulun.

Kuusi vuotta myöhemmin, MSU-lääketieteen tutkija Usagin kehitti (tai pikemminkin tiivisti) Yablochkovin ajatuksen. Usagin liitti erilaisia ​​sähkölaitteita (ei vain kynttilöitä) kelojen lähtökäämiin, joita hän kutsui "toissijaisiksi generaattoreiksi".

Yablochkovin ja Usaginin kelat olivat jonkin verran erilaisia. Nykyaikaisella kielellä puhuttaessa Yablochkova-muuntaja lisäsi jännitettä: toisiokäämissä ohuen langan kierroksia oli paljon enemmän kuin ensiömäisessä.

Usagin-muuntaja on eristävä: kierrosten lukumäärä molemmissa käämeissä oli sama (3000), samoin kuin tulo- ja lähtöjännitteet (500 V).

MERKITTÄVÄT PÄIVÄMÄÄRÄT

Yablochkovin induktiokelat ja Usaginin "toissijaiset generaattorit" alkoivat hankkia ominaisuuksia, jotka tunnemme tänään upealla nopeudella muuntajat.

1884 - Hopkinson-veljet sulkivat ytimen.

Aikaisemmin magneettinen vuo kulki teräspalkin läpi ja osittain pohjoisnavasta etelään - ilman läpi. Ilmavastus on 8 tuhatta kertaa suurempi kuin raudan. Toissijaisessa käämityksessä havaittavan jännitteen saaminen oli mahdollista vain suurilla virroilla, jotka kulkivat monien kierrosten läpi. Jos ytimestä tehdään rengas tai kehys, vastus pienenee minimiin.

1880-luvun muuntaja Harja sähkövaloyhtiö

1885 - Unkarilainen Dery sai idean kytkeä muuntajat päälle samanaikaisesti. Tätä ennen kaikki käyttivät sarjayhteyttä.

1886 - Hopkinsonit taas. He oppivat laskemaan magneettipiirit Ohmin lain mukaan. Aluksi heidän täytyi todistaa, että sähkö- ja magneettipiirien prosessit voidaan kuvata samanlaisilla kaavoilla.

1889 - Ruotsi Swinburne ehdotti ydin- ja muuntajakäämien jäähdyttämistä mineraaliöljyllä, joka samanaikaisesti toimii eristeenä. Nykyään Swinburnen idea on kehitetty: käämityksellä varustettu teräsmagneettinen sydän lasketaan suureen säiliöön, säiliö suljetaan kannella ja kuivauksen, kuumentamisen, evakuoinnin, inertillä typellä täyttämisen ja muiden toimenpiteiden jälkeen siihen kaadetaan öljyä.

Muuntaja - 19. vuosisadan lopulla - 20. vuosisadan alussa (Englanti)

4000 kVA muuntaja (Englanti) - 20. luvun alku.

Virtaukset. Jopa 150 tuhatta a. Nämä ovat virrat, jotka syöttävät uuneja ei-rautametallien sulattamiseksi. Onnettomuuksissa nykyinen nousu nousee 300-500 tuhanteen a. (Muuntajan kapasiteetti suurissa uuneissa saavuttaa 180 MW, ensiöjännite on 6-35 kV, suuritehoisissa uuneissa, joiden teho on enintään 110 kV, toissijaisissa 50-300V, ja nykyaikaisissa uuneissa, joiden teho on jopa 1200 V.

Menetys. Osa energiasta menetetään käämityksissä, osa - ytimen lämmittämiseen (raudan pyörrevirrat ja hystereesihäviöt). Nopea sähköisen ja magneettisen vaihdon vaihto nole ajoissa (50 Hz - 50 kertaa sekunnissa) saa molekyylit tai varaukset eristyksessä orientoitumaan toisin: öljy, bakeliittisylinterit, paperi, pahvi jne. Absorboivat energiaa. d.

Pumput muuntajan kuuman öljyn pumppaamiseksi patterien läpi kuluttavat vähän virtaa.

Ja kuitenkin, tappiot ovat yleensä vähäpätöiset: yhdessä suurimmissa muuntajamuodoissa, joiden teho on 630 tuhatta kW, vain 0,35% tehosta jumittuu. Harva laite voi ylpeillä. n. d. yli 99,65%.

Täysi voima. Suurimmat muuntajat “kiinnitetään” tehokkaimpiin generaattoreihin, joten niiden voimat ovat samat. Nykyään on 300, 500, 800 tuhatta kW yksikköä, huomenna nämä luvut nousevat 1–1,5 miljoonaan tai jopa enemmän.

Tehokkain muuntaja. Itävallan yrityksen "Elin" valmistama tehokkain muuntaja, joka on suunniteltu Ohion lämpövoimalalle. Sen teho on 975 megavolttia ampeeria, sen on lisättävä generaattorien tuottamaa jännitettä - 25 tuhatta volttia 345 tuhanteen voltiin (Science and Life, 1989, nro 1, s. 5).

Kahdeksan suurimman yksivaiheisen muuntajan kapasiteetti maailmassa on 1,5 miljoonaa kVA. Muuntajat omistaa amerikkalainen yritys Power Power Service. 5 niistä vähentää jännitettä 765 - 345 kV. ("Tiede ja tekniikka")

Holding Company Elektrozavod (Moskova) valmisti vuonna 2007 tehokkaimman aikaisemmin Venäjällä valmistetun muuntajan - TC-630000/330, jonka kapasiteetti oli 630 MVA, jännitteelle 330 kV, paino noin 400 tonnia. Uuden sukupolven muuntaja kehitettiin Rosenergoatom-huolenaiheiden tiloihin.

Kotimaan muuntaja ORTs-417000/750, kapasiteetti 417 MVA, jännitteelle 750 kV

Design. Mikä tahansa muuntaja mihin tahansa tarkoitukseen koostuu viidestä komponentista: magneettinen piiri, käämit, säiliö, kansi ja holkit.

Tärkein yksityiskohta - magneettinen piiri - koostuu teräslevyistä, joista molemmat puolet on päällystetty eristeellä - lakkakerroksella, jonka paksuus on 0,005 mm.

Esimerkiksi Kanadan Bushevillen voimalaitoksen (valmistaja länsisaksalainen yritys Siemens) muuntajan muuntajat ovat seuraavat: korkeus 10,5 m, poikkileikkauksen halkaisija 30 - 40 m.

Näiden muuntajien paino on 188 tonnia. Jäähdyttimet, laajentimet ja öljy kaadetaan niistä kuljetuksen aikana, ja rautatieliikenteen työntekijöiden on silti ratkaistava vaikea ongelma: 135 tonnia ei ole vitsi! Mutta tällainen kuorma ei yllättä ketään: Obrichheimin ydinvoimalaitoksessa on muuntajaryhmä, jonka kapasiteetti on 300 tuhatta kW. Päämuuntaja painaa 208 tonnia, säätö - 101 tonnia.

Tämän ryhmän toimittamiseksi paikalle vaadittiin 40 metrin rautatielaituri! Energiateollisuudellemme ei ole helppoa: heidän luomansa mallit ovat loppujen lopuksi maailman suurimpia.

388 tonnin muuntaja! (Yhdysvallat)

Työtä. Suuri muuntaja kestää 94 päivää 100: sta. Keskimääräinen kuorma on noin 55-65% lasketusta. Tämä on erittäin tuhlaavaa, mutta mitään ei voida tehdä: yksi laite vioittuu, sen alitutkimus melko nopeasti kirjaimellisesti "palaa työssä". Jos esimerkiksi rakenne on ylikuormitettu 40%, niin sen eristys kuluu kahden viikon kuluessa, kuten normaalin käyttövuoden aikana.

Opiskelijoiden keskuudessa on jo kauan ollut legenda eksentrikistä, joka vastaa kysymykseen "Kuinka muuntaja toimii?" "" Resurssiivisesti "vastasi:" Oooo ... "Mutta vasta tänään melun syy selviää.

Osoittautuu, että syy ei ole heikosti toisiinsa kiinnittyneiden teräslevyjen tärinälle, öljyn kiehumiselle ja käämien joustavalle muodonmuutokselle. Syyä voidaan pitää magnetostriktiona, ts. Materiaalin koon muutoksena magnetoinnin aikana. Kuinka käsitellä tätä fysikaalista ilmiötä, ei vielä tiedetä, joten muuntajan säiliö on vuorattu äänieristeisillä suojailla.

Muuntajien ”ääniä” koskevat normit ovat melko tiukat: 5 m: n etäisyydellä - enintään 70 desibeliä (kovan puheen taso, auton melu) ja 500 m: n etäisyydellä, missä asuintalot yleensä sijaitsevat, noin 35 desibeliä (askelmat, hiljainen musiikki).

Jopa tällaisen lyhyen katsauksen avulla voimme tehdä kaksi tärkeää johtopäätöstä. Muuntajan tärkein etu on liikkuvien osien puuttuminen. Tämän vuoksi saavutetaan korkea k. n. d., erinomainen luotettavuus, helppo huoltaa. Suurin haittapuoli on valtava paino ja mitat.

Ja kokoa on vielä suurennettava: loppujen lopuksi muuntajien tehon pitäisi kasvaa useita kertoja tulevina vuosikymmeninä.

Mitsubishi Electric muuntaja - 760 MVA - 345 kV

ANTHEM liikkumattomuus

Muuntajat ovat tekniikan liikkumattomimpia koneita. ”NÄMÄ LUOTETTAVA RAUTAKANSI. .. ”Joten korostamalla suunnittelun yksinkertaisuutta ja suurta painoa ranskalainen Janvier kutsui muuntajaksi.

Mutta tämä liikkumattomuus on ilmeistä: käämiä ympäröivät virrat, ja magneettiset virtaukset liikkuvat teräsydäntä pitkin. Elektronien liikkeestä tosissaan puhuminen on kuitenkin jotenkin hankala. Ladatut hiukkaset hiukan hiipivät johtimia pitkin ja liikkuvat tunnissa vain puoli metriä. "Leimatun" elektroniryhmän saapumis- ja poistumishetkien välillä kuluu noin vuosi.

Miksi sitten sekundaarikäämin jännite tapahtuu melkein samanaikaisesti lisäyksen kanssa? Siihen ei ole vaikea vastata: sähkön etenemisnopeutta ei määrätä elektronien liikkumisen nopeudesta, vaan niihin liittyvistä sähkömagneettisista aalloista. Energiaimpulssit kehittyvät 100-200 tuhatta km sekunnissa.

Muuntaja "ei väännä", mutta tämä ei missään tapauksessa puhu sen "sisäisestä" taipumuksesta levätä. Virtausten vuorovaikutus johtimissa johtaa sellaisten voimien ilmestymiseen, jotka pyrkivät puristamaan käämiä korkeuteen, siirtämään niitä toisiinsa nähden, lisäämään kääntöjen halkaisijaa. Käämitys on tarpeen kohdistaa siteillä, tuilla, kiilailla.

Sisäisten voimien kanssa räjähtää muuntaja muistuttaa kahleista jättiä, joka pyrkii katkaisemaan ketjut. Tässä taistelussa henkilö voittaa aina. Mutta kesytettyjen autojen takana tarvitset silmän ja silmän. Jokaiseen rakenteeseen on asennettu noin kymmenen elektronista, rele- ja kaasusuojaa, jotka seuraavat lämpötiloja, virtauksia, jännitteitä, kaasunpainetta ja pienimmissä toimintahäiriöissä sammuttavat virran estämällä onnettomuuden.

Tiedämme jo: nykypäivän muuntajien suurin haitta on niiden gigantismi. Syy tähän on myös selvä: kaikki riippuu käytettyjen materiaalien ominaisuuksista. Joten jos etsit hyvää, on olemassa muita ideoita sähkön muuntamiseksi, paitsi Faradayn ehdottamaa?

Valitettavasti (ja ehkä onneksi - kuka tietää), tällaisia ​​ideoita ei ole vielä, ja niiden esiintyminen on epätodennäköistä. Niin kauan kuin vaihtovirta hallitsee energia-alaa ja sen jännitettä on edelleen tarpeen muuttaa, Faradayn idea on kilpailun ulkopuolella.

Koska muuntajia ei voida hylätä, onko mahdollista vähentää niiden lukumäärää?

Voit säästää muuntajissa, jos parannat nykyistä syöttöjärjestelmää. Nykyaikainen kaupunkien sähköverkko muistuttaa ihmisen verenkiertoelimistöä. Pääkaapelista haarautuu ”ketjureaktion kautta” haara paikallisille kuluttajille. Jännitettä pienennetään asteittain asteittain 380 V: iin, ja muuntajat on asennettava kaikilla tasoilla.

Englantilaiset asiantuntijat ovat kehittäneet yksityiskohtaisesti toisen, kannattavamman vaihtoehdon. He tarjoavat Lontoon vallan tämän järjestelmän mukaisesti: 275 tuhannen kaapelin, tulee kaupungin keskustaan. Tässä virta oikaistaan ​​ja jännite "automaattisesti" putoaa 11 tuhanteen voltiin, tasavirta syötetään tehtaisiin ja asuinalueille, muunnetaan jälleen vaihtojännitteeksi ja pienenee jännitteessä. Useat jännitetasot katoavat, vähemmän muuntajat, kaapelit ja niihin liittyvät laitteet.

Maamme virranvaihteluiden taajuus on 50 Hz. Osoittautuu, että jos siirryt taajuuteen 200 Hz, muuntajan paino vähenee puoleen! Täältä näyttää siltä, ​​että todellinen tapa parantaa suunnittelua. Kuitenkin, kun virran taajuutta kasvatetaan kertoimella 4, voimajärjestelmän kaikkien elementtien vastus sekä tehon ja jännitteen kokonaishäviöt kasvavat samanaikaisesti. Linjan toimintatapa muuttuu, eikä sen rakenneuudistus kannatta säästöillä.

Esimerkiksi Japanissa osa sähköjärjestelmästä toimii 50 Hz: llä ja osa 60 Hz: llä. Mikä on helpompi tuoda järjestelmä yhteen ”nimittäjään”? Mutta ei: Tätä ei estä pelkästään voimalaitosten ja korkeajännitejohtojen yksityinen omistaminen, vaan myös tulevien muutosten korkeat kustannukset.

ABB-muuntaja

Muuntajien kokoa voidaan vähentää korvaamalla nykypäivän magneettiset ja johtavat materiaalit uusilla, paljon paremmilla ominaisuuksilla. Jotain on jo tehty: esimerkiksi rakennettu ja testattu suprajohtavat muuntajat.

Jäähdytys vaikeuttaa tietysti suunnittelua, mutta hyöty on ilmeinen: virrantiheydet nousevat 10 tuhanteen ja verrattuna edelliseen (1 a) johtimen poikkileikkauksen neliömetriä kohti. Vain harvat harrastajat ovat kuitenkin vaarallisia vedonlyöntiin matalan lämpötilan muuntajista, koska teräksen magneettisen piirin rajoitetut ominaisuudet neutraloivat täysin käämityksen hyödyt.

Mutta täällä viime vuosina on ollut tapa: joko sitoa ensiö- ja toisiokäämit ilman välittäjää - terästä tai löytää materiaaleja, jotka ovat rautaa parempia magneettisissa ominaisuuksissa. Ensimmäinen tapa on erittäin lupaava, ja tällaiset "ilma" muuntajat on jo testattu. Käämitykset on suljettu suprajohteesta valmistettuun laatikkoon - ihanteellinen “peili” magneettikentälle.

Laatikko ei päästä kenttää ulos eikä anna sen levitä avaruuteen. Mutta olemme jo sanoneet: ilman magnetoresistanssi on erittäin suuri. Sinun täytyy kääntää liian monta "primaarista" käännöstä ja kohdistaa niihin liian suuria virtauksia saadaksesi huomattavan "toissijaisen".

Toinen tapa - uudet magneetit - lupaa myös paljon. Kävi ilmi, että erittäin alhaisissa lämpötiloissa holmium, erbium, dysprosium muuttuvat magneettiseksi ja niiden kylläisyyskentät ovat useita kertoja suuremmat kuin raudan (!). Mutta ensinnäkin, nämä metallit kuuluvat harvinaisten maametallien ryhmään ja ovat siksi harvinaisia ​​ja kalliita, ja toiseksi niiden hystereesihäviöt ovat todennäköisesti paljon suuremmat kuin teräksessä.

V. Stepanov

"Youth Technology" -lehden materiaalien mukaan