Įdomūs faktai apie transformatorius

Kiekvienas techninis prietaisas turi du gimtadienius: veikimo principo atradimą ir jo įgyvendinimą. Transformatoriaus idėją po septynerių metų sunkaus darbo „magnetizmo pavertimu elektra“ pateikė Michaelas Faradėjus.

1831 m. Rugpjūčio 29 d. Faradėjus savo dienoraštyje aprašė eksperimentą, kuris vėliau pateko į visus fizikos vadovėlius. Ant geležinio žiedo, kurio skersmuo 15 cm ir storis 2 cm, eksperimentatorius atskirai suvyniojo du laidus, kurių ilgis buvo 15 m ir 18 m. Kai srovė tekėjo išilgai vienos iš apvijų, galvanometro strėlės ant kito gnybtų nukrypo!

Mokslininkas pavadino paprastu prietaisu "Indukcinė ritė". Įjungus akumuliatorių, pirminėje apvijoje srovė (nereikia sakyti, pastovi) pamažu didėjo. Geležies žiede buvo sukeltas magnetinis srautas, kurio dydis taip pat kito. Antrinėje apvijoje atsirado įtampa. Kai tik magnetinis srautas pasiekė ribinę vertę, „antrinė“ srovė išnyko.

DKad ritė veiktų, maitinimo šaltinis turi būti visą laiką įjungtas ir išjungtas (rankiniu būdu - peilio jungikliu arba mechaniškai - jungikliu).

Faradėjaus patirties iliustracija

Faradėjaus indukcinė ritė

Pnuolatinis arba kintamasis?

Nuo Faradėjaus žiedo iki dabartinio transformatoriaus buvo toli, o mokslas net tada rinko reikiamus duomenis apie trupinius. Amerikietis Henris apvyniojo vielą šilko siūlais - gimė izoliacija.

Prancūzas Foucault bandė pasukti geležinius strypus magnetiniame lauke - ir nustebo: jie šildėsi. Mokslininkas suprato priežastį - paveiktos srovės, kurios buvo generuojamos kintamame magnetiniame lauke. Norėdami apriboti „Foucault“ sūkurinių srovių kelią, Edisono darbuotojas Uptonas pasiūlė geležies šerdį padaryti surenkamąjį - iš atskirų lakštų.

1872 m. Profesorius Stoletovas atliko pagrindinį minkštosios geležies įmagnetinimo tyrimą, o šiek tiek vėliau anglas Ewingas Karališkajai draugijai pateikė ataskaitą apie energijos nuostolius plieno įmagnetinimo metu.

Šių nuostolių, vadinamų „histerezė“ (iš graikų kalbos žodžio „istorija“), dydis tikrai priklausė nuo „praeities“ pavyzdžio. Metalo grūdai - domenai, pavyzdžiui, saulėgrąžos už saulės, sukasi po magnetiniu lauku ir yra nukreipti išilgai jėgos linijų. Čia atliktas darbas virsta šiluma. Tai priklauso nuo to, kaip (silpnai ar stipriai) ir kuria kryptimi buvo nukreiptos sritys.

Informacija apie magnetines ir laidžias savybes kaupėsi palaipsniui, kol kiekis tapo kokybe. Elektros inžinieriai laikas nuo laiko pasauliui teikė netikėtumų, tačiau svarbiausiu transformatorių istorijos įvykiu reikėtų laikyti įvykį, kuris 1876 m. Privertė pasaulį nustebinti Rusijos atžvilgiu.

Priežastis buvo žvakė Yablochkova. „Lempuose“ tarp dviejų lygiagrečių elektrodų degė lankas. Esant pastoviai srovei, vienas elektrodas degė greičiau, ir mokslininkas atkakliai ieškojo išeities.

Galų gale jis, išbandęs daugybę būdų, nusprendė naudoti kintamąją srovę ir štai! - elektrodo nusidėvėjimas tapo vienodas. Yablochkovo poelgis buvo išties didvyriškas, nes tais metais tarp elektros apšvietimo entuziastų ir dujų kompanijų savininkų vyko arši kova. Bet ne tik tai: patys elektros šalininkai savo ruožtu vieningai priešinosi kintamajai.

Jie gavo kintamą srovę, tačiau tik nedaugelis suprato, kas tai buvo. Laikraščiuose ir žurnaluose buvo publikuojami ilgalaikiai straipsniai, kuriuose grasinta kintamos srovės keliamais pavojais: „žudo ne kiekis, o jo kaita“. Žinomas elektrikos inžinierius Chikolevas pareiškė: „Visos mašinos su kintama srove turi būti pakeistos mašinomis, turinčiomis nuolatinę srovę“.

Ne mažiau garsus specialistas Lachinovas viešai kaltino Yablochkovą, nes „nuolatinė srovė išvis yra gera, o kintama srovė gali tik spindėti“.„Kodėl ponai - žvakių (Yablochkovo lanko žvakės) šalininkai neturėtų bandyti rimtai įtakoti jiems nuolatinę srovę; nes tik tokiu būdu jie galėtų suteikti žvakių šviesos ateitį “, - rašė jis.

Nenuostabu, kad pagal šį spaudimą Yablochkovas pagaliau išmetė žvakes, tačiau be dalinio kintamos srovės „reabilitacijos“, jam pavyko atidaryti tikrąjį indukcinių ritinių „veidą“. Jo žvakės, sujungtos iš eilės, buvo nepaprastai nuotaikingos. Kai tik viena lempa-arba priežastis išnyko, visi kiti akimirksniu išėjo.

Yablochkovas vietoj „lempų“ sujungė nuoseklią ritinių pirminę apviją. Vidurinėje jis „pasodino“ žvakes. Kiekvieno „žibinto“ elgesys visai nepaveikė kitų darbo.

Tiesa, Yablochkovo dizaino indukciniai ritiniai skyrėsi (ir ne geriau) nuo Faradėjaus - jų šerdys neuždarė į žiedą. Tačiau faktas, kad kintamosios srovės ritės dirbo nuolat, o ne periodiškai (kai grandinė buvo įjungta ar išjungta), Rusijos išradėjams sukėlė pasaulinę šlovę.

Po šešerių metų MSU medicinos tyrinėtojas Usaginas sukūrė (tiksliau apibendrino) Yablochkovo idėją. Usaginas prie išvestinių ritinių apvijų jungė įvairius elektros prietaisus (ne tik žvakes), kuriuos jis pavadino „antriniais generatoriais“.

Yablochkovo ir Usagino ritės šiek tiek skyrėsi viena nuo kitos. Kalbėdamas šiuolaikine kalba, „Yablochkova“ transformatorius padidino įtampą: antrinėje apvijoje buvo daug daugiau plonos vielos posūkių nei pirminėje.

„Usagin“ transformatorius izoliuoja: abiejų apvijų posūkių skaičius buvo vienodas (3000), taip pat įėjimo ir išėjimo įtampa (500 V).

REIKŠMĖS DATŲ KALENDORIS

Yablochkovo indukcijos ritės ir Usagino „antriniai generatoriai“ pradėjo įgyti tas savybes, kurias mes šiandien žinome pasakišku greičiu transformatoriai.

1884 m. - broliai Hopkinsonai uždarė branduolį.

Anksčiau magnetinis srautas tekėjo per plieninę strypą, o iš dalies iš šiaurinio ašigalio į pietus - per orą. Oro pasipriešinimas yra 8 tūkstančius kartų didesnis nei geležies. Gauti pastebimą antrinės apvijos įtampą buvo galima tik esant didelėms srovėms, einančioms per daugelį posūkių. Jei šerdis pagaminta į žiedą ar rėmą, tada pasipriešinimas sumažinamas iki minimumo.

1880-ųjų transformatorius Šepetėlių elektros šviesos korporacija

1885 m. - Vengrijos Deriui kilo idėja lygiagrečiai įjungti transformatorius. Prieš tai visi naudojo nuoseklųjį ryšį.

1886 m. - vėl Hopkinsonai. Jie išmoko apskaičiuoti magnetines grandines pagal Ohmo dėsnį. Iš pradžių jie turėjo įrodyti, kad procesus elektrinėse ir magnetinėse grandinėse galima apibūdinti panašiomis formulėmis.

1889 m. - Švedas Swinburne'as pasiūlė atvėsinti šerdies ir transformatoriaus apvijas mineraline alyva, kuri kartu atlieka ir izoliacijos vaidmenį. Šiandien buvo išplėtota „Swinburne“ idėja: plieninė magnetinė šerdis su apvijomis nuleidžiama į didelę talpyklą, bakas uždaromas dangčiu ir po džiovinimo, kaitinimo, evakuacijos, užpildymo inertiniu azotu ir kitų operacijų į ją pilama aliejaus.

Transformatorius - XIX a. Pabaiga - XX a. Pradžia (Anglija)

4000 kVA transformatorius (Anglija) - XX a. Pradžia.

Toki. Iki 150 tūkst. A. Tai yra srovės, kuriomis tiekiamos krosnys spalvotųjų metalų lydymui. Avarijų metu dabartinis bangos padidėjimas siekia 300–500 tūkst. A. (Transformatoriaus talpa didelėse krosnyse siekia 180 MW, pirminė įtampa yra 6-35 kV, didelės galios krosnyse iki 110 kV, antrinėje - 50-300V, o šiuolaikinėse krosnyse - iki 1200 V.)

Nuostoliai. Dalis energijos prarandama apvijose, dalis - šerdies šildymui (sūkurinės srovės geležyje ir histerezės nuostoliai). Greitas elektros ir magnetinių elementų pakeitimas nole laiku (50 Hz - 50 kartų per sekundę) priverčia molekules ar krūvius išsiskirti kitaip: energiją sugeria nafta, bakelito cilindrai, popierius, kartonas ir kt. d.

Siurbliai, skirti transformatorinės karštai alyvai siurbti per radiatorius, užima šiek tiek galios.

Ir vis dėlto apskritai nuostoliai yra nereikšmingi: viename didžiausių transformatorių, kurio galia 630 tūkst. KW, įstringa tik 0,35% galios. Nedaug įrenginių gali pasigirti. n. d. daugiau nei 99,65%.

Visa galia. Didžiausi transformatoriai yra „pritvirtinti“ prie galingiausių generatorių, todėl jų galios sutampa. Šiandien yra 300, 500, 800 tūkst. KW galios agregatai, rytoj šie skaičiai padidės iki 1–1,5 mln. Ar net daugiau.

Galingiausias transformatorius. Galingiausias Austrijos įmonės „Elin“ pagamintas transformatorius, skirtas Ohajo šiluminei elektrinei. Jo galia yra 975 megavoltų amperai, jis turi padidinti generatorių sukuriamą įtampą - 25 tūkstančius voltų iki 345 tūkstančių voltų (Mokslas ir gyvenimas, 1989, Nr. 1, p. 5).

Aštuonių didžiausių pasaulyje vienfazių transformatorių galia siekia 1,5 milijono kVA. Transformatoriai priklauso amerikiečių kompanijai „Power Power Service“. 5 iš jų sumažina įtampą nuo 765 iki 345 kV. („Mokslas ir technologijos“)

2007 m. Kontroliuojančioji bendrovė „Elektrozavod“ (Maskva) pagamino galingiausią anksčiau Rusijoje pagamintą transformatorių - TC-630000/330, kurio galia 630 MVA, esant 330 kV įtampai, sveriančiam apie 400 tonų. Naujos kartos transformatorius buvo sukurtas koncerno „Rosenergoatom“ patalpoms.

Buitinis transformatorius ORTs-417000/750, kurio talpa 417 MVA, esant 750 kV įtampai

Statyba. Bet kokį bet kokiam tikslui skirtą transformatorių sudaro penki komponentai: magnetinė grandinė, apvijos, bakas, dangtis ir įvorės.

Svarbiausia detalė - magnetinė grandinė - sudaryta iš plieno lakštų, kurių kiekviena iš abiejų pusių padengta izoliacija - lako sluoksniu, kurio storis yra 0,005 mm.

Pavyzdžiui, Kanados elektrinės „Busheville“ transformatorių (pagamintų Vakarų Vokietijos bendrovės „Siemens“) transformatorių matmenys yra šie: aukštis 10,5 m, skerspjūvio skersmuo 30 - 40 m.

Šių transformatorių svoris yra 188 tonos. Radiatoriai, plėtikliai ir alyva iš jų pilami gabenant, o geležinkelio darbuotojai vis tiek turi išspręsti sunkią problemą: 135 tonos nėra pokštas! Tačiau tokia apkrova daugiau nieko nestebina: Obrichheimo atominėje elektrinėje yra 300 tūkstančių kW galios transformatorių grupė. Pagrindinis „keitiklis“ sveria 208 tonų, o koreguojamasis - 101 toną.

Norint pristatyti šią grupę į vietą, reikėjo 40 metrų geležinkelio platformos! Mūsų inžinieriams nėra lengviau: juk jų sukurti dizainai yra vieni didžiausių pasaulyje.

388 tonų transformatorius! (JAV)

Darbas. Didelis transformatorius trunka 94 dienas iš 100. Vidutinė apkrova yra apie 55–65% apskaičiuotos. Tai labai švaistoma, tačiau nieko negalima padaryti: vienas įrenginys sugenda, jo nepakankamas tyrimas gana greitai pažodžiui „išdegs darbe“. Pavyzdžiui, jei konstrukcija yra perkrauta 40%, tada per dvi savaites jos izoliacija susidėvės, kaip ir įprasto eksploatavimo metais.

Tarp studentų jau seniai sklando legenda apie ekscentriką, kuris atsako į klausimą „Kaip veikia transformatorius?“ „Išradingai“ atsakė: „Oooo ...“ Bet tik šiandien paaiškėja šio triukšmo priežastis.

Pasirodo, kalta ne dėl blogai tarpusavyje sujungtų plieninių plokščių vibracijos, aliejaus virimo ir apvijų elastinės deformacijos. Priežastis gali būti laikoma magnetostrikcija, tai yra medžiagos dydžio pasikeitimas įmagnetinant. Kaip elgtis su šiuo fiziniu reiškiniu, vis dar nežinoma, todėl transformatoriaus bakas yra išklotas garsui nelaidžiais skydais.

Transformatorių „balsų“ normos yra gana griežtos: 5 m atstumu - ne daugiau kaip 70 decibelų (garsios kalbos lygis, automobilio triukšmas), o 500 m atstumu, kur paprastai yra gyvenamieji pastatai, maždaug 35 decibelai (žingsniai, rami muzika).

Net tokia trumpa apžvalga leidžia mums padaryti dvi svarbias išvadas. Pagrindinis transformatoriaus pranašumas yra judančių dalių nebuvimas. Dėl to pasiekiamas aukštas k. n. d., puikus patikimumas, lengva priežiūra. Didžiausias trūkumas yra didžiulis svoris ir matmenys.

Ir dar turite padidinti dydį: juk per ateinančius dešimtmečius transformatorių galia turėtų išaugti kelis kartus.

Transformatorius „Mitsubishi Electric“ - 760 MVA - 345 kV

HYMN

Transformatoriai yra labiausiai nejudantys technologijos įrenginiai. „ŠIS PATIKIMAS Geležies denis. .. “Taigi, pabrėždamas dizaino paprastumą ir didelį svorį, prancūzas Janvieras pavadino transformatoriais.

Bet šis nejudrumas akivaizdus: apvijas supa srovės, o magnetiniai srautai juda išilgai plieno šerdies. Tačiau rimtai kalbėti apie elektronų judėjimą yra kažkaip nepatogu. Įkrautos dalelės vos neslysta išilgai laidininkų, per valandą juda vos per pusmetį. Tarp „paženklintos“ elektronų grupės įėjimo ir išėjimo akimirkų praeina maždaug metai.

Kodėl tada įtampa antrinėje apvijoje atsiranda beveik tuo pačiu metu, kai ji įtraukiama? Atsakyti nėra sunku: elektros sklidimo greitį lemia ne elektronų judėjimo greitis, o susijusios elektromagnetinės bangos. Energijos impulsai vystosi 100–200 tūkstančių km per sekundę.

Transformatorius „nesiglamžo“, tačiau tai jokiu būdu nekalba apie jo „vidinį“ polinkį pailsėti. Srovių sąveika laidininkuose lemia jėgų, linkusių suspausti apvijas aukštyje, pasislinkti viena kitos atžvilgiu, padidinti posūkių skersmenį. Būtina apvynioti apvijas tvarsčiais, statramsčiais, pleištais.

Sprogus vidinėms jėgoms, transformatorius primena sukrėttą milžiną, siekiantį nutraukti grandines. Šioje kovoje žmogus visada laimi. Bet už sutramdytų automobilių reikia akies ir žvilgsnio. Kiekvienoje konstrukcijoje yra sumontuota apie dešimt elektroninių, relių ir dujų skydų, kurie stebi temperatūrą, sroves, įtampą, dujų slėgį ir, esant mažiausiam gedimui, išjungia energiją, užkertant kelią avarijai.

Mes jau žinome: pagrindinis šių dienų transformatorių trūkumas yra jų gigantizmas. To priežastis taip pat aiški: viskas priklauso nuo naudojamų medžiagų savybių. Taigi, jei gerai ieškosite, be to, kurį kadaise pasiūlė Faradėjus, atsiras ir kitų idėjų, kaip konvertuoti elektrą?

Deja (ir galbūt, laimei - kas žino), tokių idėjų dar nėra ir jų atsiradimas mažai tikėtinas. Kol energetikos sektoriuje viešpatauja kintama srovė ir tebėra poreikis keisti jo įtampą, Faradėjaus idėja nekonkuruoja.

Kadangi negalima atsisakyti transformatorių, galbūt bus įmanoma sumažinti jų skaičių?

Jūs galite "sutaupyti" ant transformatorių, jei pagerinsite dabartinę tiekimo sistemą. Šiuolaikinis miesto elektros tinklas primena žmogaus kraujotakos sistemą. Nuo pagrindinio laido šakos „per grandininę reakciją“ atšaka vietiniams vartotojams. Įtampa palaipsniui mažinama laipteliais iki 380 V, o visais lygiais būtina įdiegti transformatorius.

Anglų ekspertai išsamiai sukūrė dar vieną pelningesnį variantą. Jie siūlo maitinti Londoną pagal šią schemą: 275 tūkst. Kabelių įeina į miesto centrą. Čia srovė ištaisoma, o įtampa „automatiškai“ nukrenta iki 11 tūkstančių voltų, gamykloms ir gyvenamiesiems rajonams tiekiama nuolatinė srovė, vėl paverčiama kintama įtampa ir mažėja įtampa. Išnyksta keli įtampos lygiai, mažiau transformatorių, kabelių ir susijusių prietaisų.

Dabartinių svyravimų dažnis mūsų šalyje yra 50 Hz. Pasirodo, jei jūs einate į 200 Hz, transformatoriaus svoris sumažės perpus! Atrodytų, tikras būdas patobulinti dizainą. Tačiau padidinus srovės dažnį 4 kartus, tuo pačiu padidės visų energijos sistemos elementų varža ir bendras galios bei įtampos praradimas. Linijos veikimo būdas pasikeis, o jos restruktūrizavimas neatsipirks santaupų.

Pvz., Japonijoje dalis elektros sistemos veikia 50 Hz dažniu, o dalis - 60 Hz dažniu. Kas lengviau sujungti sistemą į vieną „vardiklį“? Bet ne: tam trukdo ne tik privati ​​jėgainių ir aukštos įtampos linijų nuosavybė, bet ir brangi būsimų pakeitimų kaina.

„ABB Transformer“

Transformatorių dydį galima sumažinti pakeitus šiandienos magnetines ir laidžias medžiagas naujomis, daug geresnėmis savybėmis. Kažkas jau padaryta: pavyzdžiui, pastatytas ir išbandytas superlaidieji transformatoriai.

Žinoma, aušinimas apsunkina projektavimą, tačiau pelnas akivaizdus: srovės tankis padidėja iki 10 tūkst., Palyginti su buvusiuoju (1 a) kiekvienam vielos skerspjūvio kvadratiniam milimetrui. Tačiau tik labai nedaugelis entuziastų rizikuoja lažintis dėl žemos temperatūros transformatorių, nes apvijos naudą visiškai neutralizuoja ribotos plieno magnetinės grandinės galimybės.

Tačiau štai pastaraisiais metais buvo išeitis: arba surišti pirminę ir antrinę apvijas be tarpininko - plieno, arba susirasti medžiagų, geresnių už geležį, magnetinių savybių atžvilgiu. Pirmasis būdas yra labai perspektyvus, o tokie „oro“ transformatoriai jau buvo išbandyti. Apvijos yra uždarytos dėžutėje, pagamintoje iš superlaidininko, kuris yra idealus „veidrodis“ magnetiniam laukui.

Dėžutė neišleidžia lauko ir neleidžia jam pasiskirstyti erdvėje. Bet mes jau sakėme: oro magnetinis atsparumas yra labai didelis. Turėsite apvynioti per daug „pirminių“ posūkių ir pritaikyti jiems per dideles sroves, kad gautumėte pastebimą „antrinį“.

Kitas būdas - nauji magnetai - taip pat daug žada. Paaiškėjo, kad labai žemoje temperatūroje holmis, erbis, disprosas tampa magnetiniais, o jų prisotinimo laukai yra kelis kartus didesni nei geležies (!). Bet, pirma, šie metalai priklauso retųjų žemių grupei, todėl yra reti ir brangūs, ir, antra, histerezės nuostoliai juose, greičiausiai, bus daug didesni nei plieno.

V. Stepanovas

Remiantis žurnalo „Jaunimo technologijos“ medžiaga