Zanimljive činjenice o transformatorima

Svaki tehnički uređaj ima dva rođendana: otkriće principa rada i njegove primjene. Ideju o transformatoru nakon sedam godina napornog rada na „pretvorbi magnetizma u električnu energiju“ dao je Michael Faraday.

29. kolovoza 1831. Faraday je u svom dnevniku opisao eksperiment koji je kasnije ušao u sve udžbenike fizike. Na željeznom prstenu promjera 15 cm i debljine 2 cm, eksperimentator je zasebno namotao dvije žice duljine 15 m i 18 m. Kad je struja tekla duž jednog od namotaja, strelice galvanometra na ostalim terminalima su odstupile!

Znanstvenik je nazvao jednostavan uređaj "Indukcijska zavojnica", Kad je baterija bila uključena, struja (nepotrebno reći, konstantna) postupno se povećavala u primarnom namotu. U željeznom prstenu induciran je magnetski tok, čija je veličina također varirala. U sekundarnom namotu pojavio se napon. Čim je magnetski tok dosegao svoju graničnu vrijednost, "sekundarna" struja je nestala.

DKako bi zavojnica radila, izvor napajanja mora biti stalno uključen i isključen (ručno - prekidačem noža ili mehanički - prekidačem).

Ilustracija Faradayjevog iskustva

Indukcijska svitka Faraday

Pstalni ili varijabla?

Od faradayevog prstena do struje transformatora bilo je daleko, a znanost je čak i tada prikupljala potrebne podatke o mrvicama. Amerikanac Henry omotao je žicu svilenom niti - rođena je izolacija.

Francuz Foucault pokušao je zakretati željezne šipke u magnetskom polju - i bio je iznenađen: zagrijavali su se. Znanstvenik je razumio razlog - struje koje nastaju u izmjeničnom magnetskom polju. Kako bi ograničili putanju vrtložne struje Foucaulta, Upton, zaposlenik Edisona, predložio je izradu željezne jezgre prefabrikovanu - od zasebnih listova.

Profesor Stoletov je 1872. proveo temeljnu studiju o magnetizaciji mekog željeza, a malo kasnije, Englez Ewing predstavio je Kraljevsko društvo izvješću o gubicima energije tijekom magnetiziranja preokreta čelika.

Jačina tih gubitaka, nazvana "histereza" (od grčke riječi "povijest"), zaista je ovisila o uzorku "prošlosti". Zrno metala - domene, poput suncokreta iza sunca, okreću se iza magnetskog polja i orijentirane su duž linija sile. Rad utrošen u tome pretvara se u toplinu. Ovisi o tome kako - slabo ili snažno - i u kojem su smjeru domene bile usmjerene.

Podaci o magnetskim i vodljivim svojstvima akumulirali su se postupno dok se količina nije pretvorila u kvalitetu. S vremena na vrijeme, inženjeri elektrotehnike iznenadili su svijet, ali glavni događaj u povijesti transformatora trebalo bi smatrati događajem koji je 1876. godine svijet pretvorio u zaprepašćenje u Rusiju.

Razlog je bila svijeća Yablochkova. U "svjetiljkama" je luk gorio između dvije paralelne elektrode. Pri stalnoj struji jedna je elektroda brže gorjela, a znanstvenik je uporno tražio izlaz.

Na kraju je odlučio isprobati na više načina da koristi izmjeničnu struju i eto! - trošenje elektroda je postalo ujednačeno. Yablochkov je čin bio zaista herojski, jer se tih godina vodila žestoka borba između entuzijasta za električnu rasvjetu i vlasnika plinskih kompanija. Ali ne samo to: sami su se zagovornici struje jednoglasno usprotivili AC-u.

Primili su naizmjeničnu struju, ali malo tko je razumio što je to. Dugoročni članci objavljeni su u novinama i časopisima koji prijete opasnostima od naizmjenične struje: "ubija ne količina, već njezina promjena." Poznati inženjer elektrotehnike Chikolev izjavio je: "Svi strojevi s izmjeničnom strujom moraju se zamijeniti strojevima s istosmjernom strujom."

Ništa manje ugledni stručnjak Lachinov javno je okrivio Yablochkovu, jer je "jednosmjerna struja dobra i dobra, a izmjenična struja može samo zasjati."„Zašto se gospoda - pristaše svijeća (Yablochkov lučni svijeće) ne bi pokušale ozbiljno primijeniti na njih istosmjerne struje; jer s ovim i samo ovim oni bi mogli osigurati budućnost svijeća ", napisao je.

Nije iznenađujuće da je pod tim pritiskom Yablochkov napokon bacio svijeće, ali, osim djelomične "rehabilitacije" naizmjenične struje, uspio je otvoriti i pravo "lice" indukcijskih zavojnica. Njegove svijeće, spojene u seriju, bile su izuzetno raspoložene. Čim jedna svjetiljka-bilo razloga, bilo je razloga, svi ostali su odmah izašli.

Yablochkov je serijski spojen umjesto "svjetiljki" primarno namatao zavojnice. Na sekundarnom je "zasadio" svijeće. Ponašanje svake "svjetiljke" uopće nije utjecalo na rad drugih.

Istina, indukcijski svici dizajna Yablochkova razlikovali su se (i ne na bolje) od Faradayevih - njihove jezgre nisu se zatvorile u prsten. No, činjenica da su izmjenjivači izmjenične struje radili kontinuirano, a ne periodično (kad se strujni krug uključivao ili isključio) donijeli su svjetskoj slavi ruskog izumitelja.

Šest godina kasnije, Usagin, istraživač MSU medicine, razvio je (ili bolje rečeno sažeo) ideju Yablochkova. Usagin je priključio različite električne uređaje (ne samo svijeće) na izlazne namote zavojnica koje je nazvao "sekundarnim generatorima".

Zavojnice Yablochkova i Usagina nešto su se međusobno razlikovale. Govoreći suvremenim jezikom, transformator Yablochkova povećao je napon: u sekundarnom namotu bilo je puno više zavoja od tanke žice nego u primarnom.

Usagin transformator je izolirajući: broj okretaja u oba namotaja bio je isti (3000), kao i ulazni i izlazni napon (500 V).

KALENDAR ZNAČAJNIH DATUMA

Yablochkov indukcijski svitak i Usaginovi "sekundarni generatori" počeli su stjecati značajke koje danas znamo nevjerojatnom brzinom transformatori.

1884. - braća Hopkinson zatvorila su jezgru.

Prije toga magnetski tok je prolazio kroz čeličnu šipku, a djelomično od sjevernog pola prema jugu - kroz zrak. Otpor zraka je 8 tisuća puta veći od željeza. Da bi se postigao primjetni napon na sekundarnom namotu bilo je moguće samo za velike struje koje prolaze kroz mnoge zavoje. Ako se jezgra napravi u prstenu ili okviru, otpor se svodi na minimum.

Transformator iz 1880-ih Četkajte električnu svjetlosnu korporaciju

1885. - Mađarski Dery dobio je ideju paralelno uključiti transformatore. Prije toga svi su koristili serijsku vezu.

1886. - opet Hopkinsonovi. Naučili su kako izračunati magnetske krugove prema Ohmovom zakonu. Isprva su morali dokazati da se procesi u električnim i magnetskim krugovima mogu opisati sličnim formulama.

1889. - Šveđanin Swinburne predložio je hlađenje jezgre i namota transformatora mineralnim uljem, koje istovremeno igra ulogu izolacije. Danas je razvijena Swinburneova ideja: čelična magnetska jezgra sa namotima spušta se u veliki rezervoar, spremnik se zatvara poklopcem, a nakon sušenja, grijanja, evakuacije, punjenja inertnim dušikom i drugih operacija, ulje se u njega ulijeva.

Transformator - kraj 19. - početak 20. stoljeća (Engleska)

Transformator od 4000 kVA (Engleska) - početak 20. st.

Struje. Do 150 tisuća a. To su struje koje napajaju peći za taljenje obojenih metala. U nesrećama, strujni udari dosežu 300-500 tisuća a. (Kapacitet transformatora na velikim pećima doseže 180 MW, primarni napon je 6-35 kV, na peći velike snage do 110 kV, sekundarne 50-300V, a u modernim pećima do 1200 V.)

Gubitak. Dio energije se gubi u namotima, dio - za zagrijavanje jezgre (vrtložne struje u željezu i gubici histereze). Brza promjena električne i magnetske nole na vrijeme (50 Hz - 50 puta u sekundi) molekule ili naboji u izolaciji različito se orijentiraju: energiju apsorbiraju ulje, bakelitni cilindri, papir, karton itd. d.

Crpke za crpljenje vrućeg ulja transformatora kroz radijatore oduzimaju određenu snagu.

Pa ipak, općenito su gubici zanemarivi: u jednom od najvećih dizajna transformatora snage 630 tisuća kW samo 0,35% snage zaglavi. Malo se uređaja može pohvaliti. n. d, više od 99,65%.

Punom snagom. Najveći transformatori su "pričvršćeni" na najmoćnije generatore, pa se njihove snage podudaraju. Danas postoje snage od 300, 500, 800 tisuća kW, sutra će se ove brojke povećati na 1-1,5 milijuna, ili čak i više.

Najmoćniji transformator. Najmoćniji transformator proizveden od austrijske tvrtke "Elin", a dizajniran je za termoelektrane u Ohiju. Snaga mu je 975 megavoltreskih ampera, mora povećati napon koji generiraju generatori - 25 tisuća volti na 345 tisuća volti (Science and Life, 1989, br. 1, str. 5).

Osam najvećih jednofaznih transformatora na svijetu kapaciteta 1,5 milijuna kVA. Transformatori su u vlasništvu američke tvrtke Power Power Service. Njih 5 smanjuje napon sa 765 na 345 kV. ("Nauka i tehnologija")

Godine 2007., Holding Company Elektrozavod (Moskva) proizvela je najmoćniji transformator prethodno proizveden u Rusiji - TC-630000/330 kapaciteta 630 MVA za napon od 330 kV, težine oko 400 tona. Nova generacija transformatora razvijena je za objekte koncerna Rosenergoatom.

Domaći transformator ORTs-417000/750 snage 417 MVA za napon od 750 kV

Dizajn. Bilo koji transformator za bilo koju svrhu sastoji se od pet komponenata: magnetskog kruga, namotaja, spremnika, poklopca i vodova.

Najvažniji detalj - magnetski krug - sastoji se od čeličnih limova, od kojih je svaka s obje strane obložena izolacijom - slojem laka debljine 0,005 mm.

Dimenzije, na primjer, transformatora kanadske elektrane Busheville (proizvela ih zapadnonjemačka tvrtka Siemens) su sljedeće: visina 10,5 m, promjer poprečnog presjeka 30 - 40 m.

Težina ovih transformatora iznosi 188 tona. Radijatori, ekspanderi i ulje izlijevaju se iz njih prilikom transporta, a još uvijek željeznički radnici moraju riješiti težak problem: 135 tona nije šala! Ali takvo opterećenje nikoga ne iznenađuje: u nuklearnoj elektrani Obrichheim postoji transformatorska grupa kapaciteta 300 tisuća kW. Glavni "pretvarač" teži 208 tona, prilagodni - 101 tonu.

Za isporuku ove grupe na mjesto bila je potrebna željeznička platforma dužine 40 metara! Našim energetskim inženjerima nije lakše: na kraju krajeva, dizajni koje stvaraju spadaju među najveće na svijetu.

388 tona transformatora! (United States)

Posao. Veliki transformator traje 94 dana od 100. Prosječno opterećenje iznosi oko 55-65% od izračunatog. To je vrlo rasipno, ali ništa se ne može učiniti: jedan će uređaj pokvariti, a njegov poduhvat prilično brzo doslovno "izgara na poslu". Ako je, na primjer, konstrukcija preopterećena za 40%, tada će se za dva tjedna njegova izolacija istrošiti, kao u godinu dana uobičajenog rada.

Među studentima već dugo postoji legenda o ekscentriku koji odgovara na pitanje "Kako radi transformator?" "" Izvorno "je odgovorio:" Oooo ... "Ali tek danas razlog za ovu buku postaje jasan.

Ispada da nisu krive vibracije čeličnih ploča koje su međusobno loše povezane, ključanje ulja i elastična deformacija namotaja. Uzrok se može smatrati magnetostrikcija, tj. Promjena veličine materijala tijekom magnetiziranja. Kako se nositi s tim fizičkim fenomenom još uvijek nije poznato, pa je spremnik transformatora obložen zvučno izoliranim štitnicima.

Norme za "glasove" transformatora su prilično stroge: na udaljenosti od 5 m - ne više od 70 decibela (razina glasnog zvuka, buke u automobilu), a na udaljenosti od 500 m, gdje se obično nalaze stambene zgrade, oko 35 decibela (koraci, tiha glazba).

Čak nam i takav kratki pregled omogućuje da izvučemo dva važna zaključka. Glavna prednost transformatora je odsutnost pokretnih dijelova. Zbog toga se postiže visoki k. n. d., izvrsna pouzdanost, jednostavno održavanje. Najveća mana je ogromna težina i dimenzije.

I još uvijek morate povećati veličinu: uostalom, snaga transformatora trebala bi porasti nekoliko puta u narednim desetljećima.

Transformator Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV

himna nepokretnost

Transformatori su najviše nepomični strojevi tehnologije. "OVI VEZANI ŽELJEZNI DECK. .. ”Dakle, naglašavajući jednostavnost dizajna i veliku težinu, Francuz je nazvao Janvie transformatore.

Ali ta je nepokretnost očita: namoti su okruženi strujama, a magnetski tokovi kreću se duž čelične jezgre. Međutim, ozbiljno govoriti o kretanju elektrona nekako je nezgodno. Napunjene čestice jedva se puze po vodičima, krećući se u sat vremena samo pola metra. Između trenutaka ulaska i izlaska "označene" grupe elektrona prolazi oko godinu dana.

Zašto se napon u sekundarnom namotu događa gotovo istodobno s uključivanjem? Nije teško odgovoriti: brzina širenja električne energije određena je ne brzinom kretanja elektrona, već pripadajućim elektromagnetskim valovima. Energetski impulsi razvijaju se 100-200 tisuća km u sekundi.

Transformator "ne žuri", ali to ni na koji način ne govori o njegovoj "unutarnjoj" sklonosti odmaranju. Međusobna struja u vodičima dovodi do pojave sila koje teže pritisku namotaja u visinu, da ih pomiču relativno jedna prema drugoj, da povećaju promjer zavoja. Namotaje je potrebno namotati zavojima, zavojima, klinovima.

Razbijajući se unutarnjim silama, transformator nalikuje kockom divu koji nastoji razbiti lance. U toj borbi osoba uvijek pobjeđuje. Ali iza prikrojenih automobila trebate oko i oko. Na svakoj konstrukciji ugrađeno je oko deset elektroničkih, relejnih i plinskih štitnika koji prate temperaturu, struju, napon, tlak plina i pri najmanjoj neispravnosti isključuju struju, sprječavajući nesreću.

Već znamo: glavni nedostatak današnjih transformatora je njihov gigantizam. Razlog za to je također jasan: sve ovisi o svojstvima korištenih materijala. Pa, ako dobro pretražite, postojat će i druge ideje za pretvaranje električne energije, osim one koju je Faraday jednom predložio?

Nažalost (a možda, srećom - tko zna), još nema takvih ideja, a njihov izgled nije vjerojatan. Sve dok naizmjenična struja vlada u energetskom sektoru i još uvijek postoji potreba za promjenom napona, Faradayeva ideja nije izvan konkurencije.

Budući da transformatore nije moguće napustiti, možda će biti moguće smanjiti njihov broj?

Na transformatorima možete "uštedjeti" ako poboljšate trenutni opskrbni sustav. Suvremena gradska elektroenergetska mreža nalikuje ljudskom krvožilnom sustavu. Od glavnog kabla grane se "kroz lančane reakcije" do lokalnih potrošača. Napon se postupno smanjuje u koracima na 380 V, a na svim razinama potrebno je ugraditi transformatore.

Engleski stručnjaci detaljno su razvili još jednu, profitabilniju mogućnost. Oni nude da London napaja po ovoj shemi: kabel od 275 tisuća ulazi u središte grada. Ovdje se struja ispravlja, a napon "automatski" pada na 11 tisuća volti, direktna struja se dovodi u tvornice i stambene prostore, ponovno se pretvara u izmjenični napon i smanjuje napon. Nestaje više napona, manje transformatora, kabela i povezanih uređaja.

Učestalost fluktuacija struje u našoj zemlji je 50 Hz. Ispada da ako krenete na 200 Hz, težina transformatora će se smanjiti za pola! Ovdje bi, čini se, pravi način za poboljšanje dizajna. Međutim, s povećanjem frekvencije struje za faktor 4, otpori svih elemenata elektroenergetskog sustava i ukupni gubitak snage i napona istodobno će se povećati. Način rada pruge promijenit će se, a njeno restrukturiranje neće se isplatiti uštedama.

Na primjer, u Japanu, dio elektroenergetskog sustava djeluje na 50 Hz, a neki na 60 Hz. Što je lakše dovesti sustav na jedan "nazivnik"? Ali ne: ovo ne ometa samo privatno vlasništvo elektrana i visokonaponskih vodova, već i visoku cijenu nadolazećih promjena.

ABB transformator

Veličina transformatora može se smanjiti zamjenom današnjih magnetskih i vodljivih materijala novim, puno boljim svojstvima. Nešto je već učinjeno: na primjer, izgrađeno i testirano superprevodni transformatori.

Naravno, hlađenje komplicira dizajn, ali dobitak je očit: gustoća struje povećava se na 10 tisuća, a u usporedbi s bivšim (1 a) za svaki kvadratni milimetar presjeka žice. Međutim, samo vrlo mali broj entuzijasta riskira kladiti se na niskotemperaturne transformatore, jer je korist od namotavanja potpuno neutralizirana ograničenim mogućnostima čeličnog magnetskog kruga.

No, ovdje se posljednjih godina nalazi izlaz: bilo da se primarni i sekundarni namoti vežu bez posrednika - čelik, ili da se pronađu materijali koji su bolji od željeza u magnetskim svojstvima. Prvi način je vrlo obećavajući, a takvi "zračni" transformatori već su testirani. Namota su zatvoreni u kutiji napravljenoj od supravodiča - idealnom "ogledalu" za magnetsko polje.

Kutija ne ispušta polje i ne dopušta mu da se raširi u prostoru. Ali već smo rekli: magnetska otpornost zraka je vrlo velika. Morat ćete namotati previše "primarnih" zavoja i primijeniti preveliku struju na njih da biste dobili primjetni "sekundarni".

Drugi način - novi magneti - također obećava puno. Pokazalo se da pri vrlo niskim temperaturama holmij, erbij, disprozij postaju magnetski, a njihova polja zasićenja nekoliko su puta veća od željeza (!). No, prvo, ti metali pripadaju rijetkozemnoj skupini, pa su rijetki i skupi, a drugo, gubici histereze u njima će, po svemu sudeći, biti mnogo veći nego u čeliku.

V. Stepanov

Prema materijalima časopisa "Omladinska tehnologija"