Érdekes tények a transzformátorokról

Minden műszaki eszköznek két születésnapja van: a működési elv felfedezése és megvalósítása. A transzformátor öt évvel a „mágnesesség villamosá történő átalakításáért” végzett kemény munka után Michael Faraday adta a gondolatot.

1831. augusztus 29-én Faraday naplójában egy kísérletet írt le, amely később bekerült az összes fizikai tankönyvbe. Egy 15 cm átmérőjű és 2 cm vastagságú vasgyűrűn a kísérlet elvégezte külön-külön két 15 m és 18 m hosszú vezetéket. Amikor egy áram az egyik tekercs mentén áramlott, a galvanométer nyilai a másik végénél eltértek!

A tudós egy egyszerű eszközt hívott fel "Indukciós tekercs". Az akkumulátor bekapcsolásakor az áram (szükségtelen, állandó) az elsődleges tekercsben fokozatosan növekedett. A vasgyűrűben mágneses fluxust indukáltunk, amelynek nagysága szintén változott. A másodlagos tekercsben feszültség jelent meg. Amint a mágneses fluxus elérte a határértékét, a "másodlagos" áram eltűnt.

DAnnak érdekében, hogy a tekercs működjön, az áramforrást mindig be- és kikapcsolni kell (kézzel - késsel vagy mechanikusan - kapcsolóval).

Faraday tapasztalat illusztráció

Faraday indukciós tekercs

Pállandó vagy változó?

A Faraday gyűrűtől a jelenlegi transzformátorig messze volt, és a tudomány még akkor is gyűjtötte a morzsára vonatkozó szükséges adatokat. Az amerikai Henry selyemszállal tekercselte a huzalt - születés lett.

Foucault francia megpróbálta a vasrudakat mágneses mezőben forgatni - és meglepődött: ezek melegsznek. A tudós megértette az okát - a váltakozó mágneses mezőben keletkező áramok befolyásolták. A Foucault örvényáramának útjának korlátozása érdekében Upton, Edison alkalmazottja azt javasolta, hogy a vasmagot előre gyártották - külön lapokból.

1872-ben Stoletov professzor alapvető tanulmányt készített a lágy vas mágnesezéséről, és egy kicsit később Ewing angol angol jelentést nyújtott be a királyi társaságnak az acél mágnesezése megfordításának energiaveszteségeiről.

Ezeknek a hiszterézisnek nevezett veszteségek nagysága (a görög „történelem” szóból) valóban a „múlt” mintától függött. A fémszemcsék - domének, például a nap mögött a napraforgó, a mágneses mező után forognak, és az erővonal mentén vannak elrendezve. Az ebben elköltött munka hővé válik. Attól függ, hogy - gyengén vagy erősen - és milyen irányba irányították a domaineket.

A mágneses és vezető tulajdonságokkal kapcsolatos információk fokozatosan halmozódtak fel, amíg a mennyiség minősé nem vált. Az elektromos mérnökök időről időre meglepetéseket mutattak be a világnak, de a transzformátorok történetének fő eseményét olyan eseménynek kell tekinteni, amely 1876-ban a világot elképesztően fordította Oroszország felé.

Ennek oka a Yablochkova gyertya volt. A "lámpákban" két ív párhuzamos elektróda között égett. Állandó áram mellett az egyik elektróda gyorsabban ég, és a tudós kitartóan kereste a kiutat.

Végül, sokféleképpen próbálkozva, úgy döntött, hogy váltakozó áramot használ, és ímé és íme! - az elektróda kopása egységes lett. Yablochkov cselekedete valóban hősies volt, mert ezekben az években heves küzdelem zajlott az elektromos világítás rajongói és a gázipari társaságok tulajdonosai között. De nem csak azt: maguk a villamosenergia-támogatók egyhangúlag ellenezték a váltóáramot.

Váltóáramot kaptak, de csak kevesen értették meg, mi az. Az újságokban és folyóiratokban hosszú távú cikkeket tettek közzé, amelyek fenyegették a váltakozó áram veszélyeit: "Nem a mennyiség öl, hanem annak változása". A közismert Chikolev villamosmérnök kijelentette: "Minden váltakozó áramú gépet cserélni kell egyenáramú gépekre."

Nem kevésbé kiemelkedő szakember, Lachinov nyilvánosan hibáztatta Yablochkovat, mert „az egyenáram egyáltalán jó, és a váltakozó áram csak ragyoghat”.Miért nem kellene az uraim - a gyertyák (Yablochkov ívgyertyák) követői - megkísérelni komolyan venni rájuk az egyenáramot; mert csak és ezzel biztosíthatják a gyertyafény jövőjét ”- írta.

Nem meglepő, hogy ezen nyomás alatt Yablochkov végül dobta a gyertyáit, de a váltakozó áram részleges „rehabilitációja” mellett sikerült kinyitania az indukciós tekercsek valódi „arcát”. Gyertyái, sorba kapcsolva, rendkívül hangulatosak voltak. Amint egy lámpa-akár az ok kiderült, mindenki más azonnal eltűnt.

Yablochkov sorba kötötte a „lámpák” helyett a tekercsek primer tekercseit. A másodlagos gyertyákat "ültetett". Az egyes „lámpák” viselkedése egyáltalán nem befolyásolta mások munkáját.

Igaz, hogy Yablochkov kivitelének indukciós tekercsei különböztek (és nem is jobb) a Faraday-tól - magjaik nem záródtak be egy gyűrűbe. Az a tény, hogy a váltakozó áramú tekercsek folyamatosan, és nem időszakosan (az áramkör be- vagy kikapcsolásakor) működtek, az orosz feltaláló világhírét hozta.

Hat évvel később, Usagin, az MSU gyógyszerkutatója kifejlesztette (vagy inkább összefoglalta) Yablochkov ötletét. Usagin különféle elektromos eszközöket (nem csak gyertyákat) csatlakoztatott a tekercsek kimeneti tekercseihez, amelyeket "másodlagos generátoroknak" hívott.

Yablochkov és Usagin tekercsei kissé különböztek egymástól. A modern nyelven beszélve a Yablochkova transzformátor növelte a feszültséget: a másodlagos tekercsben sokkal több vékony huzal fordult elő, mint az elsődlegesben.

Az Usagin transzformátor leválasztása: mindkét tekercsnél a fordulók száma azonos volt (3000), valamint a bemeneti és a kimeneti feszültség (500 V).

JELENTŐS DÁTUMOK NAPTÁRA

Yablochkov indukciós tekercsei és Usagin „másodlagos generátorai” mesés sebességgel kezdtek el olyan funkciókat szerezni, amelyeket ma ismerünk. transzformerek.

1884 - a Hopkinson testvérek bezárták a magot.

Korábban a mágneses fluxus egy acélrúdon ment keresztül, részben az északi pólusról délre - a levegőn keresztül. A levegőellenállás 8 ezer alkalommal nagyobb, mint a vasé. A szekunder tekercsen észlelhető feszültség elérése csak sok fordulaton áthaladó nagy áram esetén lehetséges. Ha a magot gyűrűvé vagy keretké alakítják, akkor az ellenállást minimálisra kell csökkenteni.

Az 1880-as évek transzformátora Ecsettel elektromos könnyű társaság

1885 - A magyar Dery elgondolkodott a transzformátorok párhuzamos bekapcsolásáról. Ezt megelőzően mindenki soros kapcsolatot használt.

1886 - újra a Hopkinsonok. Megtanultak, hogyan kell kiszámítani a mágneses áramköröket Ohm törvénye szerint. Először be kellett bizonyítaniuk, hogy az elektromos és mágneses áramkörökben zajló folyamatok hasonló képletekkel írhatók le.

1889 - Swinburne svéd javasolta a mag és a transzformátor tekercsek ásványolajjal való lehűtését, amely egyidejűleg játszik szerepet a szigetelésben. Ma Swinburne ötletét fejlesztették ki: a tekercsekkel ellátott acél mágneses magot leengedik egy nagy tartályba, a tartályt fedéllel lezárják, majd szárítás, melegítés, evakuálás, inert nitrogén feltöltés és egyéb műveletek után olajat öntnek rá.

Transzformátor - 19. század vége - 20. század eleje (Anglia)

4000 kVA-os transzformátor (Anglia) - 20. század eleje.

Áramlatok. Akár 150 ezer a. Ezek azok az áramok, amelyek kemencéket táplálnak a színesfém olvasztására. Balesetek esetén a jelenlegi hullámhossz a 300-500 ezer főt érinti. (A transzformátor kapacitása nagy kemencéknél eléri a 180 MW-ot, az elsődleges feszültség 6-35 kV, a nagyteljesítményű kemencéknél 110 kV-ig, a szekunder 50-300 V-ig és a modern kemencéknél 1200 V-ig.)

Veszteség. Az energia egy részét elveszítik a tekercsekben, részét a mag melegítéséhez (a vasban lévő örvényáramok és hiszterézis veszteségek). Az elektromos és mágneses gyors cseréje nole időben (50 Hz - másodpercenként 50-szer) a molekulákat vagy töltéseket elkülönítve arra kényszeríti, hogy eltérő módon orientálódjanak: az energiát az olaj, a bakelit hengerek, a papír, a karton, stb. d.

A transzformátor forró olajának radiátorokon keresztül történő pumpálására szolgáló szivattyúk némi energiát vesznek igénybe.

És általában a veszteségek elhanyagolhatóak: az egyik legnagyobb, 630 ezer kW teljesítményű transzformátor esetében a teljesítmény csak 0,35% -a elakad. Kevés eszköz büszkélkedhet. n. d. több mint 99,65%.

Teljes teljesítmény. A legnagyobb transzformátorokat a legerősebb generátorokhoz „csatlakoztatják”, tehát teljesítményük egybeesik. Manapság 300, 500, 800 ezer kW teljesítményű egység van, holnap ezek az adatok 1-1,5 millióra növekednek, vagy még ennél is többre.

A legerősebb transzformátor. Az osztrák "Elin" cég által gyártott legerősebb transzformátor, amelyet Ohioban egy hőerőműhöz terveztek. Teljesítménye 975 megavolt amper, növeli a generátorok által generált feszültséget - 25 ezer volt - 345 ezer voltra (Science and Life, 1989, 1. szám, 5. oldal).

A világ nyolc legnagyobb egyfázisú transzformátorának kapacitása 1,5 millió kVA. A transzformátorok az amerikai Power Power Service cég tulajdonában vannak. 5 közülük csökkenti a feszültséget 765-ről 345 kV-ra. ("Tudomány és technológia")

2007-ben az Elektrozavod Holding Company (Moszkva) elõállította a korábban Oroszországban elõállított legerõsebb transzformátort - a TC-630000/330-at 630 MVA kapacitással, 330 kV feszültséggel, körülbelül 400 tonna súlyú. Az új generációs transzformátort a Rosenergoatom Concern létesítményeihez fejlesztették ki.

Az ORT-417000/750 háztartási transzformátor 417 MVA kapacitással, 750 kV feszültségre

Design. Bármely transzformátor bármilyen célra öt összetevőből áll: mágneses áramkör, tekercsek, tartály, fedél és perselyek.

A legfontosabb részlet - a mágneses áramkör - acéllemezből készül, amelyek mindegyik oldalát szigeteléssel borítják - egy lakkréteg vastagsága 0,005 mm.

Például a kanadai Busheville erőmű (a nyugat-német Siemens cég gyártója) transzformátorának méretei a következők: magasság 10,5 m, keresztmetszeti átmérő 30 - 40 m

Ezeknek a transzformátoroknak a súlya 188 tonna. Radiátorokat, expandereket és olajat öntenek tőlük szállításuk során, és a vasúti dolgozóknak továbbra is nehéz feladatot kell megoldaniuk: 135 tonna nem vicc! De egy ilyen terhelés senkit sem lep meg: az Obrichheimi atomerőműben van egy 300 ezer kW teljesítményű transzformátorcsoport. A fő “átalakító” súlya 208 tonna, a beállító egy - 101 tonna.

Ennek a csoportnak a helyére történő szállításához 40 méteres vasúti peronra volt szükség! Energetikai mérnökeinknek nem egyszerűbb: elvégre az általuk készített tervek a világ legnagyobbjai között vannak.

388 tonna transzformátor! (Amerikai Egyesült Államok)

Munkát. Egy nagy transzformátor 94 napot tart 100-ból. Az átlagos terhelés a kiszámított 55-65% -a. Ez nagyon pazarló, de semmit nem lehet tenni: egy eszköz meghibásodik, az alsóbbrendű tanulmánya szó szerint szó szerint „kiég a munkahelyen”. Ha például a szerkezet 40% -kal túlterhelt, akkor a hőszigetelés két hét alatt elhasználódik, mint egy normál üzemi évben.

A hallgatók körében régóta létezik egy legenda egy excentrikusról, aki válaszol a „Hogyan működik a transzformátor?” Kérdésre. "" Forrásképpen "válaszolt:" Oooo ... "De csak ma derül ki ennek a zajnak az oka.

Kiderült, hogy a hibás acéllemezek rezgései és az egymással gyengén kötődések, az olaj forrása és a tekercsek rugalmas alakváltozása a felelős. Ennek oka lehet a magnetostrikció, azaz az anyag méretének megváltozása a mágnesezés során. Még nem ismert, hogyan kell kezelni ezt a fizikai jelenséget, így a transzformátor tartályát hangszigetelő pajzsok borítják.

A transzformátorok „hangjára” vonatkozó előírások meglehetősen szigorúak: 5 m távolságra - legfeljebb 70 decibel (a hangos beszéd szintje, autózaj), és 500 m távolságra, ahol általában lakóépületek helyezkednek el, körülbelül 35 decibel (lépések, csendes zene).

Még egy ilyen rövid áttekintés is lehetővé teszi két fontos következtetés levonását. A transzformátor fő előnye a mozgó alkatrészek hiánya. Ennek eredményeként magas k értéket érünk el. n. d., kiváló megbízhatóság, könnyű karbantartás. A legnagyobb hátránya a hatalmas súly és méretek.

És még meg kell növelnie a méretet: elvégre a transzformátorok teljesítménye többszörösen növekedni fog az elkövetkező évtizedekben.

Mitsubishi Electric transzformátor - 760 MVA - 345 kV

ANTHEM mozdulatlanság

A transzformátorok a technológia legmozdulatlanabb gépei. „EZEKBEN MEGBÍZHATÓ vasbeton. .. ”Tehát, hangsúlyozva a kivitelezés egyszerűségét és a nagy súlyt, a francia Janvier nevű transzformátornak nevezte.

De ez a mozdulatlanság nyilvánvaló: a tekercseket áramok veszik körül, és a mágneses fluxusok mozognak az acélmag mentén. Az elektronok mozgásáról való komoly beszélgetés azonban valahogy kínos. A töltött részecskék alig kúsznak a vezetők mentén, csupán fél méterrel mozogva. A „jelölt” elektroncsoport belépése és kilépése között körülbelül egy év telik el.

Miért akkor a szekunder tekercsen a feszültség szinte egyidejűleg fordul elő a beépítéssel? Nem nehéz megválaszolni: a villamos energia terjedésének sebességét nem az elektronok mozgásának sebessége, hanem a kapcsolódó elektromágneses hullámok határozzák meg. Az energiaimpulzus másodpercenként 100-200 ezer km-re fejlődik.

A transzformátor "nem zavarja", de ez semmiképpen sem szól a "belső" pihenési hajlamáról. Az áramok kölcsönhatása a vezetőkben olyan erők megjelenéséhez vezet, amelyek hajlamosak a tekercsek magasságának összenyomására, egymáshoz viszonyítva eltolódni, a fordulók átmérőjének növelésére. A tekercset kötszerekkel, rugókkal, ékekkel kell megfékezni.

Belső erőkkel felrobbanva a transzformátor egy láncolatot próbáló, megrázott óriáshoz hasonlít. Ebben a harcban az ember mindig nyer. De a megszelídített autók mögött szemre és szemre van szüksége. Körülbelül tíz elektronikus, relé és gázpajzs van felszerelve minden egyes szerkezetre, amelyek figyelik a hőmérsékletet, az áramokat, a feszültségeket, a gáznyomást, és a legkisebb működési zavar esetén kikapcsolják az áramellátást, megelőzve a balesetet.

Már tudjuk: a mai transzformátorok fő hátránya a gigantizmusuk. Ennek oka egyértelmű: minden a felhasznált anyagok tulajdonságaitól függ. Tehát talán ha jól keres, akkor a Faraday által egyszer javasolt ötleten kívül más ötletek is lesznek az elektromos áram átalakítására.

Sajnos (és talán szerencsére - ki tudja) még nem léteznek ilyen ötletek, és megjelenésük valószínűtlen. Mindaddig, amíg a váltakozó áram uralkodik az energiaágazatban, és továbbra is szükség van a feszültség megváltoztatására, a Faraday gondolata túllép a versenyen.

Mivel a transzformátorokat nem lehet elhagyni, talán lehetséges lesz számuk csökkentése?

"Megtakaríthat" a transzformátorokon, ha javítja az aktuális ellátási rendszert. A modern városi villamosenergia-hálózat hasonlít az emberi keringési rendszerre. A fő kábeltől az „egy láncreakción keresztül” elágazik a helyi fogyasztók felé. A feszültséget fokozatosan 380 V-ra csökkentik, és minden szinten be kell építeni a transzformátort.

Az angol szakértők részletesen kidolgozták egy másik, jövedelmezőbb lehetőséget. E terv szerint London hatalmát kínálják: 275 ezer kábel vezet a belvárosba. Itt az áramot kijavítják, és a feszültség "automatikusan" 11 ezer voltra esik, egyenáramot adnak a gyárakhoz és a lakóövezetekhez, ismét váltakozó feszültséggé konvertálják, és a feszültség csökken. Több feszültségszint eltűnik, kevesebb transzformátor, kábel és kapcsolódó eszköz létezik.

A jelenlegi ingadozások gyakorisága hazánkban 50 Hz. Kiderül, hogy ha 200 Hz-re vált, a transzformátor súlya felére csökken! Úgy tűnik, itt egy igazi módszer a formatervezés javítására. Az áram frekvenciájának 4-szeres növekedésével azonban az energiarendszer összes elemének ellenállása, valamint a teljes energia- és feszültségvesztés ugyanakkor növekszik. A vonal működési módja megváltozik, és szerkezetátalakítása nem fog megtérülni megtakarításokkal.

Például Japánban az energiarendszer egy része 50 Hz-en, míg részben 60 Hz-en működik. Mi könnyebb a rendszert egy „nevezőbe” hozni? De nem: ezt nemcsak az erőművek és a nagyfeszültségű vezetékek magántulajdonai akadályozzák, hanem a közelgő átalakítások magas költségei is.

ABB Transformer

A transzformátorok mérete csökkenthető, ha a mai mágneses és vezető anyagokat új, sokkal jobb tulajdonságokkal helyettesítjük. Valami már megtörtént: például épített és tesztelt szupravezető transzformátorok.

A hűtés természetesen bonyolítja a tervezést, de a nyereség nyilvánvaló: az áramsűrűség 10 ezerre nő, szemben az előzővel (1 a) a huzal keresztmetszetének négyzet milliméterére. Azonban csak nagyon kevés rajongó kockáztatja az alacsony hőmérsékletű transzformátorok fogadását, mivel a tekercselés előnyeit teljesen semlegesíti az acél mágneses kör korlátozott lehetőségei.

De az utóbbi években itt van kiút: vagy kötni az elsődleges és a másodlagos tekercseket közbenső nélkül - acél, vagy olyan anyagokat találni, amelyek mágneses tulajdonságaiknál ​​jobb, mint a vas. Az első módszer nagyon ígéretes, és az ilyen "levegő" transzformátorokat már tesztelték. A tekercseléseket egy szupravezetőből készült dobozba zárják - ez egy ideális „tükör” a mágneses mezőhöz.

A doboz nem engedi a mezőt, és nem engedi, hogy az eloszlasson a térben. De már mondtuk: a levegő mágneses ellenállása nagyon nagy. Túl sok „primer” fordulatot kell megtennie, és túl nagy áramot kell alkalmaznia rájuk, hogy észrevehető „másodlagos” legyen.

Egy másik út - új mágnesek - sokat ígér. Kiderült, hogy nagyon alacsony hőmérsékleten a holmium, az erbium, a diszprózium mágnesesvé válik, és telítési mezőik többszörösek, mint a vasé (!). De egyrészt ezek a fémek a ritkaföldfémek csoportjába tartoznak, ezért ritkák és drágák, másrészt a bennük levő hiszterézis veszteségek minden valószínűség szerint sokkal magasabbak, mint az acélban.

V. Stepanov

A "Youth Technology" folyóirat anyagai szerint