Рубрики
Интересные факты

Достойные внимания факты о трансформаторах

У каждого технического устройства два денька рождения: открытие механизма работы и его реализация. Идею трансформатора после упрямой семилетней работы по «превращению магнетизма в электричество»

Достойные внимания факты о трансформаторахУ каждого технического устройства два денька рождения: открытие механизма работы и его реализация. Идею трансформатора после упрямой семилетней работы по «превращению магнетизма в электричество» отдал Майкл Фарадей.

29 августа 1831 года Фарадей обрисовал в собственном дневнике опыт, вошедший потом во все учебники физики. На стальное кольцо поперечником 15 см и шириной 2 см экспериментатор намотал раздельно два провода длиной 15 м и 18 м. Когда по одной из обмоток шел ток, стрелки гальванометра на зажимах другой отклонялись!

Нехитрое устройство ученый именовал «индукционной катушкой». При включении батареи ток (разумеется, неизменный) равномерно нарастал в первичной обмотке. В металлическом кольце наводился магнитный поток, величина которого также изменялась. Во вторичной обмотке появлялось напряжение. Как магнитный поток достигал предельного значения, «вторичный» ток исчезал.

Для того чтоб катушка действовала, необходимо всегда включать и выключать источник питания (вручную — рубильником либо механически — коммутатором).

Достойные внимания факты о трансформаторах

Иллюстрация опыта Фарадея

Достойные внимания факты о трансформаторах

Индукционная катушка Фарадея

Неизменный либо переменный?

От фарадеевского кольца до нынешнего трансформатора было далековато, а наука уже тогда по крохам собирала нужные данные. Янки Генри обмотал провод шелковой нитью — родилась изоляция.

Француз Фуко попробовал крутить стальные болванки в магнитном поле — и опешил: они нагревались. Ученый сообразил причину — сказывались токи, которые рождались в переменном магнитном поле. Чтоб ограничить путь вихревых токов Фуко, Эптон, сотрудник Эдисона, предложил делать металлический сердечник сборным — из отдельных листов.

В 1872 году доктор Столетов провел базовое исследование по намагниченности мягенького железа, а несколько позднее британец Юинг представил Царскому обществу доклад о энергопотерях при перемагничивании стали.

Величина этих утрат, нареченных «гистерезисными» (от греческого слова «история»), вправду зависела от «прошлого» эталона. Зерна металла — домены, как будто подсолнухи за солнцем, поворачиваются прямо за магнитным Полем и ориентируются повдоль силовых линий. Затрачиваемая при всем этом работа перебегает в тепло. Она находится в зависимости от того, как — слабо либо очень — и в какую сторону были ориентированы домены.

Сведения о магнитных и проводниковых свойствах скапливались равномерно, пока количество не перебежало в качество. Электротехники временами преподносили миру сюрпризы, но основным в истории трансформаторов все таки следует считать событие, заставившее мир в 1876 году изумленно обернуться в сторону Рф.

Предпосылкой стали свечки Яблочкова. В «лампах» горела дуга меж 2-мя параллельно расположенными электродами. При неизменном токе один электрод сгорал резвее, и ученый напористо находил выход.

В конце концов он решил, перепробовав огромное количество методов, использовать переменный ток, и о волшебство! — износ электродов стал равномерным. Поступок Яблочкова был воистину геройским, ибо в те годы шла беспощадная борьба энтузиастов электронного освещения с обладателями газовых компаний. Но не только лишь это: сами сторонники электричества, в свою очередь, единогласно выступали против переменного тока.

Получать-то переменный ток получали, но что же все-таки это такое — не достаточно кто осознавал. В газетах и журнальчиках печатались обширные статьи, угрожавшие угрозой переменного тока: «ведь убивает не величина, а ее изменение». Узнаваемый электротехник Чиколев заявлял: «Надо все машины с переменным током поменять на машины с неизменным током».

Более видный спец Лачинов на публике журил Яблочкова, так как «постоянный ток годится вообщем, а переменный может только светить». «Отчего бы господам — приверженцам свеч (дуговых свеч Яблочкова) не попробовать серьезно применить к ним неизменный ток; ведь этим и только этим они могли бы обеспечить будущность свечного освещения», — писал он.

Не умопомрачительно, что под этим напором Яблочков в конце концов забросил свои свечки, но, не считая частичной «реабилитации» переменного тока, он успел открыть настоящее «лицо» индукционных катушек. Его свечки, включенные в цепь поочередно, были очень капризны. Как один осветительный прибор по какой-нибудь причине угасал, одномоментно погасали и все другие.

Яблочков соединил поочередно заместо «ламп» первичные обмотки катушек. На вторичные он «посадил» свечки. Поведение каждой «лампы» совсем не отражалось на работе других.

Правда, индукционные катушки конструкции Яблочкова отличались (и не в наилучшую сторону) от фарадеевских — их сердечники не смыкались в кольцо. Но одно то, что катушки на переменном токе работали беспрерывно, а не временами (при либо выключении цепи), принесло русскому изобретателю мировую известность.

Шестью годами позднее препаратор из МГУ Усагин развил (а точнее, обобщил) идею Яблочкова. К выходным обмоткам катушек, которые он именовал «вторичными генераторами», Усагин подсоединял различные электроустройства (а не только лишь свечки).

Катушки Яблочкова и Усагина несколько отличались друг от друга. Если гласить современным языком, трансформатор Яблочкова увеличивал напряжение: во вторичной обмотке было еще больше витков из узкого провода, чем в первичной.

Трансформатор Усагина разделительный: число витков в обеих обмотках было схожим (3000), так же как и напряжения на входе и выходе (500 в).

КАЛЕНДАРЬ ЗНАМЕНАТЕЛЬНЫХ ДАТ

Индукционные катушки Яблочкова и «вторичные генераторы» Усагина стали со сказочной быстротой получать черты узнаваемых нам сейчас трансформаторов.

1884 год — братья Гопкинсоны замкнули сердечник.

До этого магнитный поток шел по железному прутку, а отчасти — из северного полюса в южный — по воздуху. Сопротивление воздуха в 8 тыс. раз больше, чем у железа. Получить приметное напряжение на вторичной обмотке было под силу только огромным токам, проходящим по многим виткам. Если сердечник сделать кольцом либо рамкой, то сопротивление понижается до минимума.

Достойные внимания факты о трансформаторах

Трансформатор 1880-х гг. Brush Electric Light Corporation

1885 год — венгру Дери пришла в голову идея включить трансформаторы параллельно. Ранее все использовали последовательное соединение.

1886 год — вновь братья Гопкинсоны. Они научились рассчитывать магнитные цепи по закону Ома. Сначала им пришлось обосновать, что процессы в электронных и магнитных цепях можно обрисовывать схожими формулами.

1889 год — швед Свинберн предложил охлаждать сердечник и обмотки трансформатора минеральным маслом, которое сразу играет роль изоляции. Сейчас идею Свинберна развили: в большой бак опускают металлической магнитопровод с обмотками, бак закрывают крышкой и после сушки, нагрева, вакуумирования, наполнения инертным азотом и других операций заливают в него масло.

Достойные внимания факты о трансформаторах

Трансформатор — конец 19-го — начала 20 века (Великобритания)

Достойные внимания факты о трансформаторах

Трансформатор на 4000 кВА (Великобритания) — начало 20-го века

Токи. Прямо до 150 тыс. а. Конкретно такими токами питаются печи для плавки цветных металлов. При катастрофах всплески тока добиваются 300- 500 тыс. а. (Мощность трансформатора на огромных печах добивается 180 МВт, первичное напряжение 6-35 кВ, на высокомощных печах до 110 кВ, вторичное 50-300В, а в современных печах до 1200 В.)

Утраты. Часть энергии пропадает в обмотках, часть — на нагревание сердечника (вихревые токи в железе и утраты на гистерезис). Резвое изменение электронных и магнитных полей во времени (50 гц — 50 раз за секунду) принуждает по-разному ориентироваться молекулы либо заряды в изоляции: энергия поглощается маслом, бакелитовыми цилиндрами, бумагой, картоном и т. д.

Некую мощность забирают насосы для прокачки трансформаторного жаркого масла через радиаторы.

И все-же в целом утраты ничтожны: в одной из самых больших конструкций трансформатора на 630 тыс. кВт «застревает» всего только 0,35% мощности. Не достаточно какие устройства могут похвастать к. п. д. больше 99,65%.

Полная мощность. Самые большие трансформаторы «прикрепляются» к самым массивным генераторам, потому их мощности совпадают. Сейчас есть энергоблоки на 300, 500, 800 тыс. кВт, завтра эти числа вырастут до 1 -1,5 млн. , а то и больше.

Самый мощнейший трансформатор. Самый мощнейший трансформатор сделан австрийской компанией «Элин» и предназначен для ТЭЦ в штате Огайо. Eгo мощность 975 мегавольт-ампер, он должен увеличивать напряжение, вырабатываемое генераторами -25 тыщ вольт до 345 тыщ вольт («Наука и жизнь», 1989, № 1, с. 5).

Восемь наибольших в мире однофазовых трансформаторов имеют мощность 1,5 млн. кВА. Трансформаторы принадлежат американской компании «Электрик пауэр сервис». 5 из их снижают напряжение с 765 до 345 кВ. («Наука и техника»)

В 2007 году Холдинговой компанией «Электрозавод» (Москва) был сделан самый мощнейший из ранее выпускаемых в Рф трансформаторов — ТЦ-630000/330 мощностью 630 МВА на напряжение 330 кВ, весом около 400 тонн. Трансформатор последнего поколения разработан для объектов Концерна «Росэнергоатом».

Достойные внимания факты о трансформаторах

Российский трансформатор ОРЦ-417000/750 мощностью 417 МВА на напряжение 750 кВ

Конструкция. Хоть какой трансформатор хоть какого предназначения состоит из 5 компонент: магнитопровода, обмоток, бака, крышки и вводов.

Важнейшая деталь — магнитопровод — набирается из железных листов, любой из которых покрыт с обеих сторон изоляцией — слоем лака шириной 0,005 мм.

Габариты, к примеру, трансформаторов канадской электростанции Бушервиль (сделанных западногерманской компанией «Сименс») таковы: высота 10,5 м, поперечник по сечению 30 — 40 м.

Вес этих же трансформаторов — 188 т. При перевозке с их снимают радиаторы, расширители и выливают масло, и все равно железнодорожникам приходится решать сложную задачку: 135 т — не шуточка! Но схожий груз уже никого не поражает: на атомной электростанции Обрихэйм стоит трансформаторная группа мощностью 300 тыс. кВт. Главный «преобразователь» весит 208 т, регулировочный — 101 т.

Для доставки этой группы на место потребовалась 40-метровая жд платформа! Нашим энергетикам никак не легче: ведь создаваемые ими конструкции — одни из самых больших в мире.

Достойные внимания факты о трансформаторах

Трансформатор весом в 388 тонн! (США)

Работа. Большой трансформатор действует 94 денька из 100. Средняя загрузка — около 55-65% от расчетной. Это очень расточительно, но ничего не поделаешь: выйдет из строя одно устройство, его дублер достаточно стремительно практически «сгорит на работе». Если, к примеру, конструкцию перегрузить на 40%, то за две недели ее изоляция износится, как за год обычной службы.

Посреди студентов издавна существует легенда о чудаке, который на вопрос «Как работает трансформатор? » «находчиво» ответил: «Уууу…» Но только сейчас становится ясной причина этого шума.

Оказывается, повинны не вибрация железных пластинок, плохо скрепленных меж собой, не кипение масла и не упругая деформация обмоток. Предпосылкой можно считать магнитострикцию, другими словами изменение размеров материала при намагничивании. Как биться с этим физическим явлением, пока непонятно, потому бак трансформатора облицовывают звукоизолирующими щитами.

Нормы на «голоса» трансформаторов достаточно жесткие: на расстоянии 5 м — менее 70 децибел (уровень звучной речи, шума автомобиля), а на расстоянии 500 м, где обычно стоят жилые дома, около 35 децибел (шаги, тихая музыка).

Даже настолько лаконичный обзор позволяет нам сделать два принципиальных вывода. Основное достоинство трансформатора — отсутствие передвигающихся частей. Из-за этого достигаются высочайший к. п. д., хорошая надежность, простота обслуживания. Самым основным недочетом можно считать большой вес и габариты.

А наращивать размеры все-же придётся: ведь мощности трансформаторов должны вырасти в наиблежайшие десятилетия в пару раз.

Достойные внимания факты о трансформаторах

Трансформатор Митсубиши Electric — 760 МВА — 345 кВ

ГИМН НЕПОДВИЖНОСТИ

Трансформаторы — самые недвижные машины техники. «ЭТИ НАДЕЖНЫЕ Стальные КОЛОДЫ. ..» Так, подчеркивая простоту конструкции и большой вес, именовал трансформаторы француз Жанвье.

Но эта неподвижность кажущаяся: обмотки обтекаются токами, а по железному остову движутся магнитные потоки. Вобщем, серьезно гласить о движении электронов как-то неудобно. Заряжённые частички чуть ползут по проводникам, перемещаясь за час всего на каких-нибудь полуметра. Меж моментами входа и выхода «меченой» группы электронов проходит около года.

Почему же тогда напряжение во вторичной обмотке появляется фактически сразу с включением? Ответить несложно: скорость распространения электроэнергии определяется не скоростью движения электронов, а связанных с ними электрических волн. Импульсы энергии развивают 100-200 тыс. км в сек.

Трансформатор «не суетится», но это ни при каких обстоятельствах не гласит о его «внутреннем» тяготении к покою. Взаимодействие токов в проводниках приводит к возникновению сил, стремящихся сжать обмотки по высоте, сдвинуть их относительно друг дружку, прирастить поперечник витков. Приходится сковывать обмотки бандажами, распорками, клиньями.

Достойные внимания факты о трансформаторахРаспираемый внутренними силами, трансформатор припоминает скованного гиганта, стремящегося разорвать цепи. В этой борьбе всегда одолевает человек. Но за укрощенными машинами нужен глаз да глаз. На каждой конструкции устанавливают около 10-ка электрических, релейных и газовых защит, которые смотрят за температурами, токами, напряжениями, давлением газа и при мельчайшей неисправности отключают питание, предотвращая катастрофу.

Мы уже знаем: главный недочет нынешних трансформаторов — их гигантизм. Причина этого тоже ясна: все находится в зависимости от параметров используемых материалов. Так, может быть, если отлично выискать, найдутся другие идеи преобразования электричества, не считая той, которую предложил когда-то Фарадей?

К огорчению (а может, и к счастью — кто знает), пока таких мыслях нет, и возникновение их маловероятно. Пока в энергетике будет царить переменный ток и остается потребность в изменении его напряжения, мысль Фарадея — вне конкуренции.

Раз нельзя отрешиться от трансформаторов, то, может быть, получится уменьшить их количество?

Можно «сэкономить» на трансформаторах, если усовершенствовать систему подвода тока. Современная городская электросеть припоминает систему кровоснабжения человека. От головного кабеля ответвляются «по цепной реакции» полосы к местным потребителям. Напряжение равномерно, ступенями снижают до 380 в, и на всех уровнях приходится ставить трансформаторы.

Английские спецы детально разработали другой, более прибыльный вариант. Они предлагают питать Лондон по таковой схеме: кабель на 275 тыс, в заходит в центр городка. Тут ток выпрямляется, а напряжение «автоматически» снижается до 11 тыс. в, неизменный ток подаётся заводам и жилым районам, опять преобразуется в переменный и снижается по напряжению. Отпадает несколько ступеней напряжения, меньше трансформаторов, кабелей и связанных с ними аппаратов.

Частота колебаний тока у нас в стране — 50 гц. Оказывается, если перейти на 200 гц, вес трансформатора снизится в два раза! Вот, казалось бы, реальный путь к усовершенствованию конструкции. Но с повышением частоты тока в 4 раза сразу во столько же раз возрастут сопротивления всех частей энергосистемы, общие утраты мощности и напряжения. Поменяется режим работы полосы, и ее перестройка не окупится экономией.

В Стране восходящего солнца, к примеру, часть энергосистемы работает на 50 гц, часть — на 60 гц. Чего проще привести систему к одному «знаменателю»? Но нет: этому препятствует не только лишь личное владение электрическими станциями и высоковольтными линиями, да и накладность грядущих переделок.

Достойные внимания факты о трансформаторах

Трансформатор компании ABB

Размеры трансформаторов можно понизить, если поменять нынешние магнитные и проводниковые материалы новыми, с еще наилучшими качествами. Кое-что уже изготовлено: к примеру, построены и испытаны трансформаторы со сверхпроводящей обмоткой.

Естественно, остывание усложняет конструкцию, но выигрыш налицо: плотности тока растут до 10 тыс., а против прежнего (1 а) на каждый квадратный мм сечения провода. Но только очень немногие энтузиасты рискуют делать ставку на низкотемпературные трансформаторы, так как выгода на обмотке начисто нейтрализуется ограниченными способностями железного магнитопровода.

Да и здесь в последние годы наметился выход: либо связывать первичную и вторичную обмотки без посредника — стали, либо отыскать материалы, которые по магнитным свойствам лучше железа. 1-ый путь очень перспективен, и такие «воздушные» трансформаторы уже испытаны. Обмотки заключены в короб, изготовленный из сверхпроводника — безупречного «зеркала» для магнитного поля.

Короб не выпускает поле наружу и не даёт ему рассеяться в пространстве. Но мы уже гласили: магнитосопротивление воздуха очень велико. Придётся наматывать очень много «первичных» витков и подавать в их очень огромные токи, чтоб получить приметный «вторичный».

Другой путь — новые магнетики — тоже обещает почти все. Оказалось, при очень низких температурах гольмий, эрбий, диспрозий становятся магнитными, при этом поля насыщения у их в пару раз больше, чем у железа (!). Но, во-1-х, эти металлы относятся к группе редкоземельных, а стало быть, редки и дороги, и, во-2-х, утраты в их на гистерезис окажутся, по всей вероятности, еще выше, чем в стали.

В. Степанов

По материалам журнальчика «Техника молодежи»

Достойные внимания факты