Categories: Articles destacats » Fets interessants
Nombre de visualitzacions: 37323
Comentaris sobre l'article: 4
Fets interessants sobre transformadors
Cada dispositiu tècnic té dos aniversaris: el descobriment del principi de funcionament i la seva implementació. Michael Faraday la va donar la idea d’un transformador després de set anys de dur esforç en la “transformació del magnetisme en electricitat”.
El 29 d'agost de 1831, Faraday va descriure al seu diari un experiment que posteriorment va anar a tots els llibres de text de física. En un anell de ferro amb un diàmetre de 15 cm i un gruix de 2 cm, l’experimentador va fer passar per separat dos cables amb una longitud de 15 m i 18 m. Quan un corrent fluïa al llarg d’un dels bobinats, les mans del galvanòmetre a les pinces de l’altre es desvien!
El científic va anomenar un dispositiu senzill "Bobina d'inducció". Quan la bateria es va encendre, la corrent (no cal dir que constant) va augmentar gradualment en la bobinada primària. Es va induir un flux magnètic a l’anell de ferro, la magnitud del qual també variava. Va aparèixer una tensió al bobinat secundari. Tan bon punt el flux magnètic va assolir el seu valor límit, el corrent "secundari" va desaparèixer.
DPer tal que la bobina funcioni, la font d’energia s’ha d’encendre i apagar tot el temps (manualment - amb un interruptor de ganivet o mecànicament - amb un interruptor).
Il·lustració de l'experiència Faraday
Bobina d’inducció de Faraday
Pàgpermanent o variable?
De l’anell de Faraday al transformador actual es trobava molt lluny, i la ciència fins i tot llavors recopilava les dades necessàries sobre les molles. El nord-americà Henry va embolicar el filferro amb el fil de seda.
El francès Foucault va intentar girar les barres de ferro en un camp magnètic i va sorprendre: s'escalfaven. El científic va comprendre la raó: els corrents generats en un camp magnètic alternatiu afectats. Per limitar el recorregut dels corrents voluminosos de Foucault, Upton, un empleat d'Edison, va suggerir que el nucli de ferro fos prefabricat - a partir de fulls separats.
El 1872, el professor Stoletov va realitzar un estudi fonamental sobre la magnetització del ferro tou i, un poc més tard, l'anglès Ewing va presentar un informe a la Royal Society sobre pèrdues d'energia durant la reversió de la magnetització de l'acer.
La magnitud d’aquestes pèrdues, anomenada “histèresi” (de la paraula grega “història”), depenia realment de la mostra del “passat”. Els grans de metall: els dominis, com els gira-sols darrere del sol, giren després del camp magnètic i estan orientats al llarg de les línies de força. El treball gastat en això es converteix en calor. Depèn de com, feble o fortament, i en quina direcció es van dirigir els dominis.
La informació sobre les propietats magnètiques i conductores es va acumulant gradualment fins que la quantitat es convertís en qualitat. Els enginyers elèctrics de tant en tant van presentar sorpreses al món, però l’esdeveniment principal de la història dels transformadors s’hauria de considerar un esdeveniment que va fer que el món el 1876 es convertís en la sorpresa cap a Rússia.
El motiu va ser l'espelma Yablochkova. A les "làmpades", un arc estava cremant entre dos elèctrodes paral·lels. A corrent constant, un elèctrode es va cremar més ràpidament i el científic va buscar constantment una sortida.
Al final, va decidir, havent intentat moltes maneres, utilitzar corrent altern, i heus aquí! - El desgast dels elèctrodes s’ha uniformat. L’acte de Yablochkov va ser veritablement heroic, perquè en aquells anys hi va haver una lluita ferotge entre els entusiastes de l’enllumenat elèctric i els propietaris de les empreses de gas. Però no només això: els propis defensors de l’electricitat, al seu torn, es van oposar per unanimitat a l’AC.
Van rebre un corrent altern, però pocs van entendre què era. Diaris i revistes van publicar llargs articles que amenaçaven els perills del corrent altern: "no és la quantitat la que mata, sinó el seu canvi". El conegut enginyer elèctric Chikolev va declarar: "Totes les màquines amb corrent altern han de ser substituïdes per màquines amb corrent directe."
Un especialista igualment destacat, Chinaov, va culpar públicament de Yablochkova, ja que "el corrent continu és bo en absolut i el corrent altern només pot brillar"."Per què els senyors - adeptes de les espelmes (espelmes d'arc de Yablochkov) no intenten aplicar-los seriosament la corrent directa; perquè amb això i només això podrien proporcionar el futur de les espelmes ”, va escriure.
No és d’estranyar que, sota aquesta pressió, Yablochkov finalment es va llençar les espelmes, però, a més de la “rehabilitació” parcial del corrent altern, va aconseguir obrir la veritable “cara” de les bobines d’inducció. Les seves espelmes, connectades en sèries, eren extremadament malhumorades. Tan bon punt un llum-o bé la raó va sortir, tots els altres van sortir a l’instant.
Yablochkov va connectar en sèrie en lloc de "làmpades" els enrotllaments primaris de les bobines. Al secundari, va "plantar" espelmes. El comportament de cada “làmpada” no afectà en absolut el treball dels altres.
És cert que les bobines d’inducció del disseny de Yablochkov es diferencien (i no per a millor) de les de Faraday: els seus nuclis no es van tancar en un anell. Però el fet que les bobines de corrent altern funcionessin contínuament, i no de forma periòdica (quan el circuit s’encenia o s’apagava), va portar a l’inventor rus fama mundial.
Sis anys després, Usagin, investigador de medicina de MSU, va desenvolupar (o més aviat resum) la idea de Yablochkov. Usagin va connectar diferents dispositius elèctrics (no només les espelmes) als enrotllaments de sortida de les bobines, que va anomenar "generadors secundaris".
Les bobines de Yablochkov i Usagin eren una mica diferents. Parlant en llenguatge modern, el transformador Yablochkova va augmentar la tensió: a la bobinada secundària hi havia molt més voltes de fil prim que a la primària.
El transformador d'Usagin està aïllant: el nombre de voltes dels dos enrotllaments era el mateix (3000), així com els voltatges d'entrada i sortida (500 V).
CALENDARI DE DATES SIGNIFICATIVES
Les bobines d’inducció de Yablochkov i els “generadors secundaris” d’Usagin van començar a adquirir funcions que avui coneixem amb una velocitat fabulosa transformadors.
1884 - els germans Hopkinson van tancar el nucli.
Anteriorment, el flux magnètic passava per una barra d'acer, i parcialment des del pol nord cap al sud, a través de l'aire. La resistència a l’aire és 8 mil vegades més gran que la del ferro. L’obtenció d’un voltatge perceptible al bobinat secundari només era possible per a grans corrents que passaven per moltes voltes. Si el nucli es converteix en un anell o un bastidor, la resistència es redueix al mínim.
Transformador de la dècada de 1880 Corporació de llum elèctrica de raspall
1885 - Hongarès Dery va tenir la idea d'encendre transformadors en paral·lel. Abans, tothom utilitzava una connexió en sèrie.
1886 - els Hopkinsons de nou. Van aprendre a calcular circuits magnètics segons la llei d'Ohm. Al principi, havien de demostrar que els processos en circuits elèctrics i magnètics es poden descriure mitjançant fórmules similars.
1889 - Suècia Swinburne va proposar refredar els enrotllaments del nucli i del transformador amb oli mineral, que alhora juga el paper de l'aïllament. Avui s’ha desenvolupat la idea de Swinburne: es baixa un nucli magnètic d’acer amb bobinatges en un dipòsit gran, es tanca el dipòsit amb una tapa i després d’assecar-se, escalfar-se, evacuar-se, omplir-se amb nitrogen inert i altres operacions, s’hi aboca oli.
Transformador - finals del XIX - principis del segle XX (Anglaterra)
Transformador de 4000 kVA (Anglaterra): començament del segle XX.
Toki. Fins a 150 mil a. Són els corrents que alimenten forns per a la fusió de metalls no ferrosos. En accidents, les pujades actuals arriben als 300-500 mil a. (La potència del transformador dels grans forns arriba als 180 MW, la tensió primària és de 6-35 kV, als forns d’alta potència de fins a 110 kV, secundaris de 50 a 300 V, i als forns moderns de fins a 1200 V.)
Pèrdues. Una part de l’energia es perd en els bobinatges, en part per escalfar el nucli (corrents de remolí al ferro i les pèrdues d’histèresi). Canvi ràpid d’elèctrics i magnètics nole a temps (50 Hz - 50 vegades per segon) obliga les molècules o les càrregues aïllades a orientar-se de manera diferent: l’energia és absorbida per petroli, cilindres de bakelita, paper, cartró, etc. d.
Les bombes per bombejar oli calent del transformador mitjançant radiadors tenen una mica de potència.
I, tanmateix, en general, les pèrdues són menyspreables: en un dels dissenys de transformadors més grans de 630 mil kW, només el 0,35% de la potència queda encallada. Pocs dispositius poden presumir. n. d. més del 99,65%.
Potència completa. Els transformadors més grans estan "connectats" als generadors més potents, de manera que les seves potències coincideixen. Avui en dia hi ha 300, 500, 800 mil unitats de potència kW, demà aquestes xifres augmentaran fins a 1-1,5 milions, o fins i tot més.
El transformador més potent. El transformador més potent fabricat per l’empresa austríaca "Elin" i està dissenyat per a una central tèrmica a Ohio. La seva potència és de 975 megavolt-amperis, ha d’augmentar la tensió generada pels generadors - 25 mil volts a 345 mil volts (Science and Life, 1989, núm. 1, pàg. 5).
Els vuit transformadors monofàsics més grans del món tenen una capacitat d’1,5 milions de kVA. Els transformadors són propietat de la companyia nord-americana Power Power Service. 5 d'ells redueixen la tensió de 765 a 345 kV. ("Ciència i tecnologia")
El 2007, la companyia holding Elektrozavod (Moscou) va fabricar el transformador més potent produït anteriorment a Rússia: TC-630000/330 amb una capacitat de 630 MVA per a una tensió de 330 kV, amb un pes de prop de 400 tones. El transformador de nova generació es va desenvolupar per a les instal·lacions de Rosenergoatom Concern.
Transformador domèstic ORTs-417000/750 amb una capacitat de 417 MVA per a una tensió de 750 kV
Construcció. Qualsevol transformador per a qualsevol propòsit consta de cinc components: circuit magnètic, bobinats, dipòsit, coberta i casquilles.
El detall més important –el circuit magnètic– està format per làmines d’acer, cadascuna de les quals és recoberta a banda i banda amb aïllament: una capa de vernís amb un gruix de 0,005 mm.
Les dimensions, per exemple, dels transformadors de la central canadenca Busheville (fabricada per l’empresa alemanya occidental Siemens) són les següents: alçada 10,5 m, de diàmetre transversal 30 - 40 m.
El pes d’aquests transformadors és de 188 tones. Els radiadors, els expansors i el petroli s’aboca d’ells quan es transporten, i els treballadors ferroviaris encara han de resoldre un problema difícil: 135 tones no és cap broma! Però una càrrega com aquesta no sorprèn a ningú: a la central nuclear d'Obrichheim hi ha un grup transformador amb una capacitat de 300 mil kW. El principal "convertidor" pesa 208 tones, l'ajust d'una - 101 tones.
Per lliurar aquest grup al lloc, es necessitava una plataforma ferroviària de 40 metres. No és més fàcil per als nostres enginyers d’energia: al cap i a la fi, els dissenys que creen es troben entre els més grans del món.
Transformador de 388 tones! (EUA)
Treball. Un gran transformador té una durada de 94 dies sobre 100. La càrrega mitjana és aproximadament del 55 al 65% del calculat. Això és molt desaprofitat, però no es pot fer res: un dispositiu fallarà, la seva visió literalment "es crema a la feina". Si, per exemple, l’estructura es sobrecarrega el 40%, en dues setmanes el seu aïllament es desgastarà, com en un any de servei normal.
Entre els estudiants, hi ha una llegenda sobre un excèntric que respon a la pregunta "Com funciona un transformador?" "" Respectivament "va respondre:" Oooo ... "Però només avui el motiu d'aquest soroll queda clar.
Resulta que no és la vibració de les plaques d’acer mal connectades entre sí, l’ebullició del petroli i la deformació elàstica dels enrotllaments. La causa es pot considerar magnetostricció, és a dir, un canvi en la mida del material durant la magnetització. Encara no se sap com fer front a aquest fenomen físic, de manera que el dipòsit del transformador està folrat amb escuts insonoritzats.
Les normes per a les "veus" dels transformadors són força estrictes: a una distància de 5 m - no més de 70 decibels (nivell de veu alta, soroll del cotxe), i a una distància de 500 m, on solen ubicar-se edificis residencials, uns 35 decibels (passos, música tranquil·la).
Fins i tot una breu revisió ens permet treure dues conclusions importants. El principal avantatge del transformador és l’absència de peces mòbils. A causa d’això, s’aconsegueix un k alt. n. d., excel·lent fiabilitat, fàcil manteniment. L’inconvenient més gran és l’enorme pes i dimensions.
I encara heu d’augmentar la mida: al cap i a la fi, la potència dels transformadors hauria de créixer diverses vegades en les pròximes dècades.
Transformador Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV
HYMN
Els transformadors són les màquines més immòbils de la tecnologia. "AQUESTA PISCINA DE FERRO FIABLE. .. ”Així doncs, destacant la simplicitat del disseny i el gran pes, el francès va anomenar Janvier anomenat transformadors.
Però aquesta immobilitat és evident: els bobinatges estan envoltats de corrents i els fluxos magnètics es mouen al llarg del nucli d’acer. Tanmateix, parlar seriosament del moviment dels electrons és d'alguna manera incòmode. Les partícules carregades amb prou feines s’arrosseguen al llarg dels conductors, movent-se en una hora a només mig metre. Entre els moments d’entrada i sortida del grup d’electrons “etiquetat” passa aproximadament un any.
Per què, doncs, la tensió en el bobinat secundari es produeix gairebé simultàniament amb la inclusió? No és difícil respondre: la velocitat de propagació de l’electricitat no es determina per la velocitat de moviment dels electrons, sinó per les ones electromagnètiques associades. Els llegums energètics es desenvolupen entre 100 i 200 mil km per segon.
El transformador "no enyora", però això no parla en cap cas de la seva tendència "interna" al descans. La interacció de corrents als conductors condueix a l’aparició de forces que tendeixen a comprimir els enrotllaments en alçada, a desplaçar-los els uns amb els altres, per augmentar el diàmetre de les voltes. Cal portar els enrotllaments amb embenats, puntes, falques.
Esclatant amb forces internes, el transformador s’assembla a un gegant agitat, que s’esforça a trencar les cadenes. En aquesta lluita sempre guanya una persona. Però darrere dels cotxes domats necessiteu un ull i un ull. A cada estructura s’instal·len una desena de blindatges electrònics, de relé i de gas, que controlen les temperatures, els corrents, les tensions, la pressió del gas i, amb el mínim mal funcionament, apagueu l’alimentació, evitant un accident.
Ja ho sabem: el principal inconvenient dels transformadors actuals és el seu gigantisme. El motiu d’això també és clar: tot depèn de les propietats dels materials emprats. Potser, potser, si busqueu bé, hi haurà altres idees per convertir l’electricitat, a més de la que va proposar Faraday?
Malauradament (i potser, per sort, qui ho sap), encara no existeixen aquestes idees i el seu aspecte és poc probable. Sempre que hi hagi corrent altern al sector energètic i hi hagi necessitat de canviar la seva tensió, la idea de Faraday queda fora de la competència.
Com que no es poden abandonar els transformadors, potser serà possible reduir-ne el nombre?
Podeu "estalviar" en els transformadors, si milloreu el sistema de subministrament actual. La moderna xarxa elèctrica urbana s’assembla al sistema circulatori humà. Des del cable principal, les branques "passen per una reacció en cadena" fins als consumidors locals. La tensió es redueix gradualment per passos a 380 V, i a tots els nivells és necessari instal·lar transformadors.
Els experts anglesos han desenvolupat en detall una altra opció més rendible. Ofereixen poder alimentar Londres segons aquest esquema: un cable de 275 milers entra al centre de la ciutat. Aquí, el corrent es rectifica i la tensió "automàticament" baixa a 11 mil volts, el subministrament de corrent directe a les fàbriques i zones residencials, es torna a convertir en tensió alterna i disminueix la tensió. Desapareixen diversos nivells de tensió, menys transformadors, cables i dispositius relacionats.
La freqüència de les fluctuacions actuals al nostre país és de 50 Hz. Resulta que si aneu a 200 Hz, el pes del transformador es reduirà a la meitat! Aquí, sembla, una manera real de millorar el disseny. No obstant això, amb un augment de la freqüència del corrent per un factor de 4, les resistències de tots els elements del sistema d’energia i la pèrdua total de potència i tensió augmentaran alhora. El mode de funcionament de la línia canviarà i la seva reestructuració no compensarà amb estalvis.
Al Japó, per exemple, una part del sistema elèctric funciona a 50 Hz, i algunes a 60 Hz. Què és més fàcil portar el sistema a un “denominador”? Però no: això no només es veu obstaculitzat per la propietat privada de les centrals elèctriques i les línies d’alta tensió, sinó també per l’elevat cost de les pròximes alteracions.
Transformador ABB
La mida dels transformadors es pot reduir substituint materials magnètics i conductors actuals per noves propietats molt millors. Alguna cosa ja s’ha fet: per exemple, construïda i provada transformadors superconductors.
Per descomptat, la refrigeració complica el disseny, però el guany és evident: les densitats de corrent augmenten fins a 10 mil i en contra de l’anterior (1 a) per a cada mil·límetre quadrat de la secció de filferro. Tot i això, només uns pocs entusiastes s’arrisquen a apostar pels transformadors de baixa temperatura, perquè el benefici de la bobina es neutralitza completament per les limitades capacitats del circuit magnètic d’acer.
Però aquí en els darrers anys hi ha hagut una sortida: o bé unir les bobinades primàries i secundàries sense un intermediari - acer, o trobar materials que són millors que el ferro en propietats magnètiques. El primer camí és molt prometedor, i aquests transformadors "aeris" ja han estat provats. Els bobinatges es troben inclosos en una caixa fabricada per un superconductor, un "mirall" ideal per a un camp magnètic.
La caixa no deixa sortir el camp i no permet que es dispersi en l’espai. Però ja hem dit: la magnetoresistència de l’aire és molt gran. Haureu de ventar massa voltes "primaris" i aplicar-los corrents massa alts per obtenir un "secundari" notable.
Una altra forma –imants nous– també promet molt. Va resultar que a temperatures molt baixes l’holmi, l’erbi, el disprosium es fan magnètics i els seus camps de saturació són diverses vegades superiors al del ferro (!). Però, en primer lloc, aquests metalls pertanyen al grup de les terres rares, i per tant són rares i cares, i, en segon lloc, les pèrdues d’histèresi en elles seran, amb tota probabilitat, molt superiors a les d’acer.
V. Stepanov
Segons els materials de la revista "Youth Technology"
Consulteu també a electro-ca.tomathouse.com
: