categorie: Articoli in vetrina » Fatti interessanti
Numero di visite: 37323
Commenti sull'articolo: 4
Fatti interessanti sui trasformatori
Ogni dispositivo tecnico ha due compleanni: la scoperta del principio di funzionamento e la sua attuazione. L'idea di un trasformatore dopo sette anni di duro lavoro sulla "trasformazione del magnetismo in elettricità" è stata data da Michael Faraday.
Il 29 agosto 1831, Faraday descrisse nel suo diario un esperimento che in seguito entrò in tutti i libri di testo di fisica. Su un anello di ferro con un diametro di 15 cm e uno spessore di 2 cm, lo sperimentatore ha avvolto separatamente due fili con una lunghezza di 15 me 18 m. Quando una corrente scorreva lungo uno degli avvolgimenti, le frecce del galvanometro sui terminali dell'altro si sono deviate!
Lo scienziato ha chiamato un dispositivo semplice "Bobina di induzione". Quando la batteria è stata accesa, la corrente (inutile dire costante) è gradualmente aumentata nell'avvolgimento primario. Un flusso magnetico fu indotto nell'anello di ferro, la cui grandezza variava anche. Una tensione apparve nell'avvolgimento secondario. Non appena il flusso magnetico ha raggiunto il suo valore limite, la corrente "secondaria" è scomparsa.
DAffinché la bobina funzioni, la fonte di alimentazione deve essere accesa e spenta continuamente (manualmente - con un interruttore a coltello o meccanicamente - con un interruttore).
Faraday Experience Illustration
Bobina di induzione di Faraday
Ppermanente o variabile?
Dall'anello di Faraday all'attuale trasformatore era molto lontano e la scienza ha anche raccolto i dati necessari sulle briciole. L'americano Henry avvolse il filo con filo di seta - nacque l'isolamento.
Il francese Foucault cercò di ruotare le sbarre di ferro in un campo magnetico - e fu sorpreso: si stavano scaldando. Lo scienziato ha capito il motivo: le correnti generate in un campo magnetico alternato sono state colpite. Per limitare il percorso delle correnti parassite, Foucault, Upton, un impiegato di Edison, suggerì di prefabbricare il nucleo di ferro - da fogli separati.
Nel 1872, il professor Stoletov condusse uno studio fondamentale sulla magnetizzazione del ferro dolce e, poco dopo, l'inglese Ewing presentò un rapporto alla Royal Society sulle perdite di energia durante l'inversione della magnetizzazione dell'acciaio.
L'entità di queste perdite, chiamate "isteretiche" (dalla parola greca "storia"), dipendeva in realtà dal campione "passato". Granuli di metallo - domini, come girasoli dietro il sole, ruotano dopo il campo magnetico e sono orientati lungo le linee di forza. Il lavoro impiegato in questo si trasforma in calore. Dipende da come - debolmente o fortemente - e in quale direzione sono stati diretti i domini.
Informazioni sulle proprietà magnetiche e conduttive accumulate gradualmente fino a quando la quantità non si è trasformata in qualità. Gli ingegneri elettrici di volta in volta presentavano sorprese al mondo, ma l'evento principale nella storia dei trasformatori dovrebbe essere considerato un evento che ha fatto girare il mondo nel 1876 con stupore verso la Russia.
Il motivo era la candela Yablochkova. Nelle "lampade", un arco bruciava tra due elettrodi paralleli. A corrente costante, un elettrodo bruciava più velocemente e lo scienziato cercava costantemente una via d'uscita.
Alla fine, decise, dopo aver provato molti modi, di usare corrente alternata, ed ecco! - l'usura degli elettrodi è diventata uniforme. L'atto di Yablochkov è stato davvero eroico, perché in quegli anni ci fu una feroce lotta tra gli appassionati di illuminazione elettrica e i proprietari delle compagnie del gas. Ma non solo: i sostenitori dell'elettricità stessa, a loro volta, si sono opposti all'unanimità AC.
Ricevettero una corrente alternata, ma pochi capirono di cosa si trattasse. Sono stati pubblicati articoli a lungo termine su giornali e riviste che minacciavano i pericoli della corrente alternata: "non è la quantità che uccide, ma il suo cambiamento". Il noto ingegnere elettrico Chikolev dichiarò: "Tutte le macchine a corrente alternata devono essere sostituite con macchine a corrente continua".
Uno specialista altrettanto eminente, Lachinov, incolpò pubblicamente Yablochkova, poiché "la corrente continua è buona e la corrente alternata può solo brillare".“Perché i signori - gli aderenti alle candele (le candele ad arco di Yablochkov) non dovrebbero cercare di applicare seriamente la corrente diretta a loro; perché con questo e solo questo potevano fornire il futuro della luce delle candele ”, ha scritto.
Non sorprende che sotto questa pressione, Yablochkov abbia finalmente gettato le sue candele, ma, oltre alla parziale "riabilitazione" della corrente alternata, è riuscito ad aprire la vera "faccia" delle bobine a induzione. Le sue candele, collegate in serie, erano estremamente lunatiche. Appena una lampada-o il motivo è uscito, tutti gli altri sono usciti all'istante.
Yablochkov ha collegato in serie anziché "lampade" gli avvolgimenti primari delle bobine. Sul secondario, "piantò" candele. Il comportamento di ogni "lampada" non ha influenzato affatto il lavoro degli altri.
È vero, le bobine a induzione del design di Yablochkov differivano (e non per il meglio) da quelle di Faraday - i loro nuclei non si chiudevano in un anello. Ma il fatto che le bobine a corrente alternata funzionassero continuamente, e non periodicamente (quando il circuito era acceso o spento), portò la fama mondiale dell'inventore russo.
Sei anni dopo, Usagin, un ricercatore di medicina della MSU, sviluppò (o piuttosto sintetizzò) l'idea di Yablochkov. Usagin ha collegato diversi dispositivi elettrici (non solo candele) agli avvolgimenti di uscita delle bobine, che ha chiamato "generatori secondari".
Le bobine di Yablochkov e Usagin erano leggermente diverse l'una dall'altra. Parlando in linguaggio moderno, il trasformatore Yablochkova ha aumentato la tensione: nell'avvolgimento secondario c'erano molti più giri di filo sottile rispetto al primario.
Il trasformatore Usagin è isolato: il numero di giri in entrambi gli avvolgimenti era lo stesso (3000), così come le tensioni di ingresso e uscita (500 V).
CALENDARIO DELLE DATE SIGNIFICATIVE
Le bobine di induzione di Yablochkov e i "generatori secondari" di Usagin hanno iniziato ad acquisire funzionalità che conosciamo oggi con una velocità favolosa trasformatori.
1884 - i fratelli Hopkinson chiudono il nucleo.
In precedenza, il flusso magnetico attraversava una barra d'acciaio e parzialmente dal polo nord a sud - attraverso l'aria. La resistenza dell'aria è 8 mila volte maggiore di quella del ferro. Per ottenere una notevole tensione sull'avvolgimento secondario era possibile solo per le grandi correnti che attraversavano molti giri. Se il nucleo viene trasformato in un anello o in un telaio, la resistenza viene ridotta al minimo.
Trasformatore degli anni 1880 Spazzola società elettrica leggera
1885 - L'ungherese Dery ebbe l'idea di accendere i trasformatori in parallelo. Prima di questo, tutti utilizzavano una connessione seriale.
1886 - di nuovo gli Hopkinsons. Hanno imparato a calcolare i circuiti magnetici secondo la legge di Ohm. Inizialmente, hanno dovuto dimostrare che i processi nei circuiti elettrici e magnetici possono essere descritti con formule simili.
1889 - Swede Swinburne propone di raffreddare gli avvolgimenti del nucleo e del trasformatore con olio minerale, che svolge contemporaneamente il ruolo di isolamento. Oggi l'idea di Swinburne è stata sviluppata: un circuito magnetico in acciaio con avvolgimenti viene abbassato in un grande serbatoio, il serbatoio viene chiuso con un coperchio e dopo l'essiccazione, il riscaldamento, l'evacuazione, il riempimento di azoto inerte e altre operazioni, viene versato olio.
Transformer - fine XIX - inizio XX secolo (Inghilterra)
Trasformatore da 4000 kVA (Inghilterra) - inizio del XX sec.
Correnti. Fino a 150 mila a. Queste sono le correnti che alimentano i forni per la fusione di metalli non ferrosi. In caso di incidenti, i picchi di corrente arrivano a 300-500 mila a. (La capacità del trasformatore su grandi forni raggiunge i 180 MW, la tensione primaria è di 6-35 kV, su forni ad alta potenza fino a 110 kV, secondari 50-300 V e in forni moderni fino a 1200 V.)
Perdita. Parte dell'energia viene persa negli avvolgimenti, parte - per riscaldare il nucleo (correnti parassite nel ferro e perdite di isteresi). Cambio rapido di elettrico e magnetico nole in time (50 Hz - 50 volte al secondo) fa sì che le molecole o le cariche isolatamente si orientino diversamente: l'energia viene assorbita da olio, cilindri di bachelite, carta, cartone, ecc. d.
Le pompe per pompare l'olio caldo del trasformatore attraverso i radiatori richiedono un po 'di energia.
Eppure, in generale, le perdite sono trascurabili: in uno dei più grandi progetti di trasformatori per 630 mila kW, solo lo 0,35% della potenza viene bloccato. Pochi dispositivi possono vantarsi. n. d. oltre il 99,65%.
Piena potenza. I trasformatori più grandi sono "collegati" ai generatori più potenti, quindi i loro poteri coincidono. Oggi ci sono 300, 500, 800 mila kW di potenza, domani queste cifre aumenteranno a 1-1,5 milioni, o anche di più.
Il trasformatore più potente. Il più potente trasformatore prodotto dalla società austriaca "Elin" ed è progettato per una centrale termoelettrica in Ohio. La sua potenza è di 975 megavolt-ampere, deve aumentare la tensione generata dai generatori - 25 mila volt a 345 mila volt (Science and Life, 1989, n. 1, p. 5).
Gli otto maggiori trasformatori monofase al mondo hanno una capacità di 1,5 milioni di kVA. I trasformatori sono di proprietà della società americana Power Power Service. 5 di essi riducono la tensione da 765 a 345 kV. ("Scienza e tecnologia")
Nel 2007, la Holding Elektrozavod (Mosca) ha prodotto il trasformatore più potente precedentemente prodotto in Russia: il TC-630000/330 con una capacità di 630 MVA per una tensione di 330 kV, del peso di circa 400 tonnellate. Il trasformatore di nuova generazione è stato sviluppato per le strutture della preoccupazione Rosenergoatom.
Trasformatore domestico ORTs-417000/750 con una capacità di 417 MVA per una tensione di 750 kV
Design. Qualsiasi trasformatore per qualsiasi scopo è costituito da cinque componenti: circuito magnetico, avvolgimenti, serbatoio, coperchio e boccole.
Il dettaglio più importante - il circuito magnetico - è costituito da fogli di acciaio, ciascuno dei quali è rivestito su entrambi i lati con isolamento - uno strato di vernice con uno spessore di 0,005 mm.
Le dimensioni, ad esempio, dei trasformatori della centrale elettrica canadese Busheville (prodotta dalla società tedesca della Germania occidentale) sono le seguenti: altezza 10,5 m, diametro della sezione trasversale 30 - 40 m.
Il peso di questi trasformatori è di 188 tonnellate: radiatori, espansori e olio ne vengono versati durante il trasporto e, comunque, i ferrovieri devono risolvere un problema difficile: 135 tonnellate non sono uno scherzo! Ma un tale carico non sorprende nessuno: nella centrale nucleare di Obrichheim esiste un gruppo di trasformatori con una capacità di 300 mila kW. Il principale "convertitore" pesa 208 tonnellate, quello di regolazione - 101 tonnellate.
Per consegnare questo gruppo sul posto, era necessaria una piattaforma ferroviaria di 40 metri! Non è più facile per i nostri ingegneri di potenza: dopo tutto, i progetti che creano sono tra i più grandi al mondo.
Trasformatore da 388 tonnellate! (Stati Uniti)
Lavoro. Un grande trasformatore dura 94 giorni su 100. Il carico medio è di circa il 55-65% del calcolato. Questo è molto dispendioso, ma nulla può essere fatto: un dispositivo si guasterà, il suo sostituto abbastanza rapidamente letteralmente "si esaurisce al lavoro". Se, ad esempio, la struttura è sovraccaricata del 40%, in due settimane il suo isolamento si consumerà, come in un anno di normale servizio.
Tra gli studenti, c'è stata a lungo una leggenda su un eccentrico che risponde alla domanda "Come funziona un trasformatore?" "" Risolutamente "rispose:" Oooo ... "Ma solo oggi la ragione di questo rumore diventa chiara.
Si scopre che non sono la vibrazione delle piastre in acciaio che sono scarsamente legate tra loro, l'ebollizione dell'olio e la deformazione elastica degli avvolgimenti. La causa può essere considerata magnetostrizione, cioè un cambiamento nelle dimensioni del materiale durante la magnetizzazione. Come affrontare questo fenomeno fisico è ancora sconosciuto, quindi il serbatoio del trasformatore è rivestito con schermi insonorizzati.
Le norme per le "voci" dei trasformatori sono piuttosto rigide: a una distanza di 5 m - non più di 70 decibel (livello di voce alta, rumore della macchina), e ad una distanza di 500 m, dove di solito si trovano edifici residenziali, circa 35 decibel (gradini, musica silenziosa).
Anche una breve recensione ci consente di trarre due conclusioni importanti. Il vantaggio principale del trasformatore è l'assenza di parti in movimento. Per questo motivo, si ottiene un alto k. n. d., eccellente affidabilità, facile manutenzione. Il più grande svantaggio è l'enorme peso e dimensioni.
E devi ancora aumentare le dimensioni: dopo tutto, la potenza dei trasformatori dovrebbe aumentare più volte nei prossimi decenni.
Trasformatore Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV
ANTHEM immobilità
I trasformatori sono le macchine tecnologiche più immobili. “QUESTI DECK AFFIDABILI IN FERRO. .. ”Quindi, sottolineando la semplicità del design e il grande peso, il francese Janvier ha chiamato trasformatori.
Ma questa immobilità è evidente: gli avvolgimenti sono circondati da correnti e flussi magnetici si muovono lungo il nucleo d'acciaio. Tuttavia, parlare seriamente del movimento degli elettroni è in qualche modo imbarazzante. Le particelle cariche si muovono a malapena lungo i conduttori, muovendosi in un'ora a mezzo metro. Tra i momenti di entrata e uscita del gruppo di elettroni "etichettati", passa circa un anno.
Perché, quindi, la tensione nell'avvolgimento secondario si verifica quasi contemporaneamente all'inclusione? Non è difficile rispondere: la velocità di propagazione dell'elettricità non è determinata dalla velocità di movimento degli elettroni, ma dalle onde elettromagnetiche associate. Gli impulsi di energia si sviluppano 100-200 mila km al secondo.
Il trasformatore "non si agita", ma questo non parla in alcun modo della sua tendenza "interna" al riposo. L'interazione delle correnti nei conduttori porta alla comparsa di forze che tendono a comprimere gli avvolgimenti in altezza, a spostarli l'uno rispetto all'altro, ad aumentare il diametro delle curve. È necessario incatenare gli avvolgimenti con bende, puntoni, zeppe.
Scoppiando con forze interne, il trasformatore ricorda un gigante incatenato che si sforza di spezzare le catene. In questa lotta vince sempre una persona. Ma dietro le macchine addomesticate hai bisogno di un occhio e di un occhio. Una decina di schermi elettronici, relè e gas sono installati su ogni struttura, che monitorano le temperature, le correnti, le tensioni, la pressione del gas e, al minimo malfunzionamento, disattivano l'alimentazione, prevenendo un incidente.
Lo sappiamo già: il principale svantaggio dei trasformatori di oggi è il loro gigantismo. Anche il motivo è chiaro: tutto dipende dalle proprietà dei materiali utilizzati. Quindi, forse, se cerchi bene, ci saranno altre idee per convertire l'elettricità, oltre a quella che una volta Faraday ha proposto?
Sfortunatamente (e forse, per fortuna - chissà), non ci sono ancora idee del genere e il loro aspetto è improbabile. Fintanto che la corrente alternata regna nel settore energetico e rimane la necessità di modificarne la tensione, l'idea di Faraday è al di là della concorrenza.
Dal momento che i trasformatori non possono essere abbandonati, forse sarà possibile ridurne il numero?
È possibile "salvare" sui trasformatori, se si migliora l'attuale sistema di alimentazione. La moderna rete elettrica urbana ricorda il sistema circolatorio umano. Dal cavo principale, i rami "attraverso una reazione a catena" si diramano verso i consumatori locali. La tensione viene gradualmente ridotta a passi da 380 V e a tutti i livelli è necessario installare trasformatori.
Gli esperti inglesi hanno sviluppato in dettaglio un'altra opzione più redditizia. Offrono di alimentare Londra secondo questo schema: un cavo di 275 mila, entra nel centro della città. Qui, la corrente viene rettificata e la tensione "automaticamente" scende a 11 mila volt, la corrente continua viene fornita alle fabbriche e alle aree residenziali, viene nuovamente convertita in tensione alternata e diminuisce di tensione. Scompaiono diversi livelli di tensione, meno trasformatori, cavi e relativi dispositivi.
La frequenza delle fluttuazioni attuali nel nostro paese è di 50 Hz. Si scopre che se vai a 200 Hz, il peso del trasformatore si ridurrà della metà! Qui, sembrerebbe, un vero modo per migliorare il design. Tuttavia, con un aumento della frequenza della corrente di un fattore 4, le resistenze di tutti gli elementi del sistema di alimentazione e la perdita totale di potenza e tensione aumenteranno contemporaneamente. La modalità di funzionamento della linea cambierà e la sua ristrutturazione non ripagherà con risparmi.
In Giappone, ad esempio, parte del sistema di alimentazione funziona a 50 Hz e alcuni a 60 Hz. Cosa è più facile portare il sistema ad un "denominatore"? Ma no: questo non è solo ostacolato dalla proprietà privata di centrali elettriche e linee ad alta tensione, ma anche dal costo elevato delle imminenti modifiche.
Trasformatore ABB
La dimensione dei trasformatori può essere ridotta sostituendo i materiali magnetici e conduttivi di oggi con proprietà nuove e molto migliori. Qualcosa è già stato fatto: ad esempio, costruito e testato trasformatori superconduttori.
Naturalmente, il raffreddamento complica il design, ma il guadagno è evidente: le densità di corrente aumentano a 10 mila e rispetto alla precedente (1 a) per ogni millimetro quadrato della sezione trasversale del filo. Tuttavia, solo pochissimi appassionati rischiano di scommettere sui trasformatori a bassa temperatura, perché il vantaggio sull'avvolgimento è completamente neutralizzato dalle limitate capacità del circuito magnetico in acciaio.
Ma qui negli ultimi anni c'è stata una via d'uscita: o per legare gli avvolgimenti primario e secondario senza un intermediario - l'acciaio, o per trovare materiali migliori del ferro nelle proprietà magnetiche. Il primo modo è molto promettente e tali trasformatori "ad aria" sono già stati testati. Gli avvolgimenti sono racchiusi in una scatola composta da un superconduttore - uno "specchio" ideale per un campo magnetico.
La casella non fa uscire il campo e non gli consente di disperdersi nello spazio. Ma abbiamo già detto: la magnetoresistenza dell'aria è molto grande. Dovrai caricare troppe curve "primarie" e applicare loro correnti troppo elevate per ottenere un evidente "secondario".
Un altro modo - i nuovi magneti - promette molto. Si è scoperto che a temperature molto basse l'olmio, l'erbio, il disprosio diventano magnetici e i loro campi di saturazione sono molte volte più grandi di quelli del ferro (!). Ma, in primo luogo, questi metalli appartengono al gruppo delle terre rare, e quindi sono rari e costosi e, in secondo luogo, le perdite di isteresi in essi saranno, con ogni probabilità, molto più elevate rispetto all'acciaio.
V. Stepanov
Secondo i materiali della rivista "Youth Technology"
Vedi anche su electro-it.tomathouse.com
: