Intressanta fakta om transformatorer

Varje teknisk enhet har två födelsedagar: upptäckten av principen om drift och dess implementering. Idén om en transformator efter sju års hårt arbete med ”omvandling av magnetism till elektricitet” gavs av Michael Faraday.

Den 29 augusti 1831 beskrev Faraday i sin dagbok ett experiment som senare gick in i alla fysikböcker. På en järnring med en diameter på 15 cm och en tjocklek på 2 cm lindade experimentet två ledningar med en längd av 15 m och 18 m. När en ström flödade längs en av lindningarna, löst handen på galvanometern på de andra klämmorna!

Forskaren kallade en enkel enhet "Induktionsspole". När batteriet startades ökade strömmen (onödigt konstant) gradvis i den primära lindningen. Ett magnetiskt flöde inducerades i järnringen, vars storlek också varierade. En spänning dök upp i sekundärlindningen. Så snart magnetflödet nådde sitt gränsvärde försvann den "sekundära" strömmen.

DFör att spolen ska fungera måste strömkällan vara på och av hela tiden (manuellt - med en knivbrytare eller mekaniskt - med en strömbrytare).

Faraday Experience Illustration

Faraday induktionsspole

Ppermanent eller variabel?

Från Faraday-ringen till den aktuella transformatorn var långt borta, och vetenskapen samlade även då nödvändiga data på smulor. Amerikanen Henry lindade tråden med sidentråd - isolering föddes.

Franskmannen Foucault försökte rotera järnstängerna i ett magnetfält - och blev förvånad över: de värmde upp. Forskaren förstod anledningen - strömmarna som genererades i ett växlande magnetfält påverkades. För att begränsa vägen för virvelströmmarna i Foucault föreslog Upton, en anställd i Edison, att göra järnkärnan prefabricerad - från separata ark.

1872 genomförde professor Stoletov en grundläggande undersökning om magnetisering av mjukt järn, och lite senare presenterade engelsmannen Ewing en rapport till Royal Society om energiförluster vid magnetisering av stål.

Storleken på dessa förluster, kallad "hysteres" (från det grekiska ordet "historia") berodde verkligen på "förflutna" provet. Kärnor av metall - domäner, som solrosor bakom solen, roterar efter magnetfältet och är orienterade längs kraftlinjerna. Arbetet som tillbringas i detta förvandlas till värme. Det beror på hur - svagt eller starkt - och i vilken riktning domänerna riktades.

Information om magnetiska och ledande egenskaper samlades gradvis tills mängden förvandlades till kvalitet. Elektriska ingenjörer presenterade då och då överraskningar för världen, men de viktigaste händelserna i transformatorernas historia bör fortfarande betraktas som en händelse som fick världen 1876 att förvandlas till förvånande mot Ryssland.

Anledningen var ljuset Yablochkova. I "lamporna" brände en båge mellan två parallella elektroder. Med likström brände en elektrod snabbare, och forskaren sökte ständigt en väg ut.

Till slut bestämde han sig, efter att ha försökt många sätt, att använda växelström, och se och se! - elektrodslitage har blivit enhetligt. Yablochkovs handling var verkligen heroisk, eftersom det under de åren var en hård kamp mellan elektriska belysningsentusiaster och ägarna till gasföretag. Men inte bara det: förespråkarna för el själva i sin tur motsatte sig enhälligt AC.

De fick en växelström, men få förstod vad det var. Tidningar och tidskrifter publicerade långa artiklar som hotade farorna med växelström: "det är inte mängden som dödar, utan dess förändring." Den välkända elektrotekniker Chikolev förklarade: "Alla maskiner med växelström måste bytas ut mot maskiner med likström."

En lika framträdande specialist, Lachinov, skyllde offentligt Yablochkova, eftersom "likströmmen är bra alls, och växelströmmen kan bara lysa."”Varför skulle herrarna - anhängare av ljus (Yablochkovs ljusbågelys) inte försöka på allvar tillämpa likström på dem; för med detta och bara detta kunde de ge framtiden för levande ljus, ”skrev han.

Det är inte förvånande att Yablochkov slutligen kastade sina ljus under detta tryck, men förutom delvis "rehabilitering" av växelström lyckades han öppna induktionsspolarnas verkliga "ansikte". Hans ljus, kopplade i serie, var extremt humöriga. Så snart en lampa-antingen orsaken gick ut, alla andra gick direkt ut.

Yablochkov anslöt i serie istället för att "lampor" de primära lindningarna på spolarna. På sekundären "planterade" han ljus. Beteendet hos varje “lampa” påverkade inte alls andras arbete.

Det är riktigt att induktionsspolarna för designen av Yablochkov skilde sig (och inte till det bättre) från Faraday-dem - deras kärnor stängde inte in i en ring. Men det faktum att växelströmsspolarna fungerade kontinuerligt och inte periodvis (när kretsen stängdes av eller av), gav den ryska uppfinnarens världsberömmelse.

Sex år senare utvecklade (eller snarare sammanfattat) Usagin, en MSU-medicinforskare, idén om Yablochkov. Usagin anslutit olika elektriska apparater (inte bara ljus) till spolarnas utgångslindningar, som han kallade "sekundära generatorer".

Spolarna av Yablochkov och Usagin var något olika från varandra. Talande på modernt språk ökade Yablochkova-transformatorn spänningen: i den sekundära lindningen fanns det mycket fler varv av tunn tråd än i den primära.

Usagin-transformatorn isolerar: antalet varv i båda lindningarna var detsamma (3000), liksom ingångs- och utgångsspänningarna (500 V).

KALENDER AV VÄSENTLIGA DATUM

Yablochkovs induktionsspolar och Usagins "sekundära generatorer" började förvärva funktioner som vi känner idag med fantastisk hastighet transformers.

1884 - Hopkinson-bröderna stängde kärnan.

Tidigare gick magnetflödet genom en stålstång, och delvis från nordpolen till söder - genom luften. Luftmotståndet är 8 tusen gånger större än järn. För att få en märkbar spänning på sekundärlindningen var det bara möjligt för stora strömmar som passerar genom många varv. Om kärnan görs till en ring eller en ram, reduceras motståndet till ett minimum.

Transformator på 1880-talet Borsta elektriskt ljusföretag

1885 - Ungersk Dery fick idén att slå på transformatorer parallellt. Innan detta använde alla en seriell anslutning.

1886 - Hopkinsons igen. De lärde sig att beräkna magnetkretsar enligt Ohms lag. Till att börja med var de tvungna att bevisa att processer i elektriska och magnetiska kretsar kan beskrivas med liknande formler.

1889 - Svensken Swinburne föreslog att kyla kärnan och transformatorlindningarna med mineralolja, som samtidigt spelar rollen som isolering. Idag har Swinburnes idé utvecklats: en stålkärnkärna med lindningar sänks ned i en stor tank, tanken stängs med ett lock och efter torkning, värme, evakuering, fyllning med inert kväve och andra operationer hälls olja i den.

Transformator - sent 1800 - början av 1900-talet (England)

4000 kVA transformator (England) - början av 20 cent.

Strömmar. Upp till 150 tusen a. Dessa är strömmarna som matar ugnar för att smälta icke-järnmetaller. Vid olyckor når de nuvarande överspänningarna 300-500 tusen a. (Transformatorkapaciteten på stora ugnar når 180 MW, primärspänningen är 6-35 kV, på högeffektiva ugnar upp till 110 kV, sekundär 50-300 V och i moderna ugnar upp till 1200 V.)

Förlust. En del av energin går förlorad i lindningarna, del - för att värma upp kärnan (virvelströmmar i järn och hysteresförluster). Snabbbyte av elektrisk och magnetisk nole i tid (50 Hz - 50 gånger per sekund) gör att molekylerna eller laddningarna isoleras orienterar sig annorlunda: energi absorberas av olja, bakelitcylindrar, papper, kartong etc. d.

Pumpar för pumpning av transformator varm olja genom radiatorer tar lite ström.

Och ändå är förlusterna i stort sett försumbara: i en av de största transformatorkonstruktionerna för 630 tusen kW fastnar bara 0,35% av kraften. Få enheter kan skryta med. n. d. mer än 99,65%.

Full kraft. De största transformatorerna är "kopplade" till de mest kraftfulla generatorerna, så deras makter sammanfaller. Idag finns det 300, 500, 800 tusen kW kraftaggregat, i morgon kommer dessa siffror att öka till 1-1,5 miljoner, eller ännu mer.

Den mest kraftfulla transformatorn. Den kraftfullaste transformatorn som tillverkas av det österrikiska företaget "Elin" och är designat för ett värmekraftverk i Ohio. Dess effekt är 975 megavoltampper, den måste öka spänningen som genereras av generatorer - 25 tusen volt till 345 tusen volt (Science and Life, 1989, nr 1, s. 5).

De åtta största enfasstransformatorerna i världen har en kapacitet på 1,5 miljoner kVA. Transformatorer ägs av det amerikanska företaget Power Power Service. 5 av dem minskar spänningen från 765 till 345 kV. ("Vetenskap och teknik")

2007 tillverkade holdingbolaget Elektrozavod (Moskva) den mest kraftfulla transformatorn som tidigare producerats i Ryssland - TC-630000/330 med en kapacitet på 630 MVA för en spänning på 330 kV, som väger cirka 400 ton. Den nya generationens transformator utvecklades för Rosenergoatom-anläggningens anläggningar.

Inhemsk transformator ORTs-417000/750 med en kapacitet på 417 MVA för en spänning på 750 kV

Design. Varje transformator för alla ändamål består av fem komponenter: magnetkrets, lindningar, tank, lock och bussningar.

Den viktigaste detalj - magnetkretsen - består av stålplåtar, som var och en är belagda på båda sidor med isolering - ett lackskikt med en tjocklek på 0,005 mm.

Dimensionerna till exempel på transformatorerna i det kanadensiska kraftverket Busheville (tillverkat av det västtyske företaget Siemens) är följande: höjd 10,5 m, tvärsnittsdiameter 30 - 40 m

Dessa transformatorers vikt är 188 ton. Radiatorer, expanderare och olja hälls från dem under transporten, och järnvägsarbetare måste dock lösa ett svårt problem: 135 ton är inget skämt! Men en sådan belastning överraskar inte någon: vid kärnkraftverket i Obrichheim finns en transformatorgrupp med en kapacitet på 300 tusen kW. Huvudkonverteraren väger 208 ton, justeringen en - 101 ton.

För att leverera denna grupp till platsen krävdes en 40-meters järnvägsplattform! Det är inte lättare för våra krafttekniker: de design som de skapar är ju bland de största i världen.

388 ton transformator! (United States)

Arbete. En stor transformator varar 94 dagar av 100. Medelbelastningen är cirka 55-65% av den beräknade. Detta är väldigt slöseri, men ingenting kan göras: en enhet kommer att misslyckas, dess underlätta ganska snabbt bokstavligen "bränner ut på jobbet". Om till exempel strukturen är överbelastad med 40%, kommer isoleringen att släckas på två veckor, som i ett år med normal service.

Bland studenter har det länge funnits en legend om en excentriker som svarar på frågan "Hur fungerar en transformator?" "" Resursfullt "svarade:" Oooo ... "Men bara i dag blir orsaken till detta brus tydlig.

Det visar sig att det inte är vibrationerna av stålplattor som är dåligt bundna till varandra, kokning av olja och den elastiska deformationen av lindningarna som är skylden. Orsaken kan betraktas som magnetostriktion, det vill säga en förändring i materialets storlek under magnetisering. Hur man hanterar detta fysiska fenomen är fortfarande okänt, så transformatortanken är fodrad med ljudisolerade skärmar.

Normerna för transformatorernas ”röster” är ganska stränga: på ett avstånd av 5 m - högst 70 decibel (högtalarsnivå, bilbrus) och på ett avstånd av 500 m, där bostadshus vanligtvis ligger, cirka 35 decibel (trappsteg, tyst musik).

Till och med en sådan kort genomgång gör att vi kan dra två viktiga slutsatser. Den största fördelen med transformatorn är frånvaron av rörliga delar. På grund av detta uppnås en hög k. n. d., utmärkt tillförlitlighet, enkelt underhåll. Den största nackdelen är den enorma vikten och dimensionerna.

Och du måste fortfarande öka storleken: trots allt bör transformatorns kraft växa flera gånger under de kommande decennierna.

Transformator Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV

ANTHEM orörlighet

Transformatorer är teknikens mest rörliga maskiner. ”DETTA PÅLITLIGA Järn DECK. .. ”Så, med betoning på designens enkelhet och den stora vikten, kallade fransmannen Janvier kallade transformatorer.

Men denna orörlighet är uppenbar: lindningarna är omgivna av strömmar, och magnetiska flöden rör sig längs stålkärnan. Men allvarligt att prata om rörelse hos elektron är på något sätt besvärligt. Laddade partiklar kryper knappt längs ledarna och rör sig på en timme bara en halv meter. Mellan ögonblicken för inträde och utträde av den ”märkta” gruppen av elektroner går det ungefär ett år.

Varför sker spänningen i sekundärlindningen nästan samtidigt med införandet? Det är inte svårt att svara: hastigheten för utbredning av elektricitet bestäms inte av rörelsens hastighet för elektroner, utan av tillhörande elektromagnetiska vågor. Energipulser utvecklas 100-200 tusen km per sekund.

Transformatorn "väser inte", men detta talar inte på något sätt om sin "inre" tendens att vila. Samspelet mellan strömmar i ledarna leder till utseendet på krafter som tenderar att komprimera lindningarna i höjd, för att förskjuta dem relativt varandra, för att öka diametern på svängarna. Det är nödvändigt att fästa lindningarna med bandage, stag, kil.

Sprängande med inre krafter, liknar transformatorn en skakad jätte som strävar efter att bryta kedjor. I denna kamp vinner alltid en person. Men bakom tämda bilar behöver du ett öga och ett öga. Cirka tio elektroniska, relä- och gassköldar är installerade på varje struktur, som övervakar temperaturer, strömmar, spänningar, gastryck och, vid minsta fel, stänger av strömmen och förhindrar en olycka.

Vi vet redan: den största nackdelen med dagens transformatorer är deras gigantism. Anledningen till detta är också tydlig: det beror på egenskaperna hos de använda materialen. Så kanske, om du söker bra, kommer det att finnas andra idéer för att konvertera el, förutom den som Faraday en gång föreslog?

Tyvärr (och kanske, lyckligtvis - vem vet), det finns inga sådana idéer ännu, och deras utseende är osannolikt. Så länge som växelström härskar i energisektorn och det återstår ett behov av att ändra dess spänning, är Faradays idé bortom konkurrens.

Eftersom transformatorer inte kan överges, är det kanske möjligt att minska antalet?

Du kan "spara" på transformatorer om du förbättrar det nuvarande försörjningssystemet. Det moderna stadsnätet liknar det mänskliga cirkulationssystemet. Från huvudkabeln grenar "genom en kedjereaktion" till lokala konsumenter. Spänningen reduceras gradvis med steg till 380 V, och på alla nivåer är det nödvändigt att installera transformatorer.

Engelska experter har i detalj utvecklat ett annat, mer lönsamt alternativ. De erbjuder att driva London enligt detta schema: en kabel på 275 tusen kommer in i stadens centrum. Här korrigeras strömmen och spänningen "automatiskt" sjunker till 11 tusen volt, likström tillförs fabriker och bostadsområden, omvandlas igen till växelspänning och minskar i spänning. Flera spänningsnivåer försvinner, färre transformatorer, kablar och relaterade enheter.

Frekvensen för nuvarande fluktuationer i vårt land är 50 Hz. Det visar sig att om du går till 200 Hz kommer transformatorns vikt att minskas med hälften! Här verkar det vara ett riktigt sätt att förbättra designen. Med en ökning av frekvensen för strömmen med fyra gånger ökar emellertid motståndet för alla element i kraftsystemet och den totala förlusten för kraft och spänning med samma mängd samtidigt. Funktionsläget för linjen kommer att förändras och omstruktureringen kommer inte att lönas med besparingar.

I Japan fungerar till exempel en del av kraftsystemet med 50 Hz och en del på 60 Hz. Vad är lättare att föra systemet till en ”nämnare”? Men nej: detta hindras inte bara av privat ägande av kraftverk och högspänningsledningar, utan också av de höga kostnaderna för kommande förändringar.

ABB Transformer

Transformatorernas dimensioner kan minskas om dagens magnetiska och ledande material ersätts med nya med mycket bättre egenskaper. Något har redan gjorts: till exempel byggt och testat superledande transformatorer.

Naturligtvis komplicerar kylning konstruktionen, men förstärkningen är uppenbar: strömtätheten ökar till 10 tusen, och mot den förstnämnda (1a) för varje kvadratmilimeter av trådtvärsnittet. Emellertid är det bara ett fåtal entusiaster som riskerar att satsa på lågtemperaturtransformatorer, eftersom fördelarna med lindningen helt neutraliseras av den begränsade kapaciteten hos stålmagnetkretsen.

Men här under de senaste åren har det funnits en väg ut: antingen att binda de primära och sekundära lindningarna utan mellanhand - stål, eller hitta material som är bättre än järn i magnetiska egenskaper. Det första sättet är mycket lovande, och sådana "luft" -transformatorer har redan testats. Lindningarna är inneslutna i en låda gjord av en superledare - en idealisk "spegel" för ett magnetfält.

Rutan släpper inte fältet ut och tillåter inte att det sprids i rymden. Men vi har redan sagt: magnetoresistansen för luft är mycket stor. Du måste linda för många "primära" svängar och tillämpa för höga strömmar på dem för att få en märkbar "sekundär".

Ett annat sätt - nya magneter - lovar också mycket. Det visade sig att vid mycket låga temperaturer blir holmium, erbium, dysprosium magnetiska och deras mättnadsfält är flera gånger större än järn (!). Men för det första tillhör dessa metaller den sällsynta jordartsgruppen och är därför sällsynta och dyra, och för det andra kommer hysteresförlusterna i dem, med all sannolikhet, att vara mycket högre än i stål.

V. Stepanov

Enligt materialet i tidskriften "Youth Technology"