categorieën: Aanbevolen artikelen » Interessante feiten
Aantal keer bekeken: 37323
Reacties op het artikel: 4
Interessante feiten over transformatoren
Elk technisch apparaat heeft twee verjaardagen: de ontdekking van het werkingsprincipe en de implementatie ervan. Het idee van een transformator na zeven jaar hard werken aan de "transformatie van magnetisme in elektriciteit" werd gegeven door Michael Faraday.
Op 29 augustus 1831 beschreef Faraday in zijn dagboek een experiment dat later in alle natuurkundeboeken ging. Op een ijzeren ring met een diameter van 15 cm en een dikte van 2 cm wikkelde de experimentator afzonderlijk twee draden met een lengte van 15 m en 18 m. Toen een stroom langs een van de wikkelingen vloeide, wijkden de pijlen van de galvanometer op de klemmen van de andere af!
De wetenschapper noemde een eenvoudig apparaat "Inductiespoel". Toen de batterij werd ingeschakeld, nam de stroom (onnodig te zeggen constant) geleidelijk toe in de primaire wikkeling. Een magnetische flux werd geïnduceerd in de ijzeren ring, waarvan de grootte ook varieerde. Er verscheen een spanning in de secundaire wikkeling. Zodra de magnetische flux zijn grenswaarde bereikte, verdween de "secundaire" stroom.
DOm de spoel te laten werken, moet de stroombron altijd worden in- en uitgeschakeld (handmatig - met een messchakelaar of mechanisch - met een schakelaar).
Faraday Experience Illustratie
Faraday-inductiespoel
Ppermanent of veranderlijk?
Van de Faraday-ring tot de huidige transformator was ver weg, en de wetenschap verzamelde toen zelfs de nodige gegevens over kruimels. De Amerikaanse Henry wikkelde de draad met zijdedraad - isolatie was geboren.
De Fransman Foucault probeerde de ijzeren staven in een magnetisch veld te draaien - en was verrast: ze warmden op. De wetenschapper begreep de reden - de stromen die werden opgewekt in een wisselend magnetisch veld beïnvloedden. Om het pad van de wervelstromen van Foucault te beperken, stelde Upton, een medewerker van Edison, voor om de ijzeren kern geprefabriceerd te maken - uit afzonderlijke platen.
In 1872 voerde professor Stoletov een fundamentele studie uit naar de magnetisatie van zacht ijzer, en even later presenteerde de Engelsman Ewing een rapport aan de Royal Society over energieverliezen tijdens magnetisatieomkering van staal.
De omvang van deze verliezen, genaamd "hysteresis" (van het Griekse woord "geschiedenis"), was echt afhankelijk van de steekproef uit het "verleden". Korrels van metaal - domeinen, zoals zonnebloemen achter de zon, roteren na het magnetische veld en zijn georiënteerd langs de krachtlijnen. Het werk dat hieraan wordt besteed, verandert in warmte. Het hangt af van hoe - zwak of sterk - en in welke richting de domeinen waren gericht.
Informatie over de magnetische en geleidende eigenschappen stapelde zich geleidelijk op totdat de hoeveelheid in kwaliteit veranderde. Elektrotechnici presenteerden van tijd tot tijd verrassingen aan de wereld, maar het belangrijkste evenement in de geschiedenis van transformatoren moet worden beschouwd als een evenement dat de wereld in 1876 verbaasd maakte naar Rusland.
De reden was de kaars Yablochkova. In de "lampen" brandde een boog tussen twee parallelle elektroden. Bij constante stroom brandde één elektrode sneller en de wetenschapper zocht voortdurend naar een uitweg.
Uiteindelijk besloot hij, na vele manieren te hebben geprobeerd, wisselstroom te gebruiken, en kijk eens! - elektrodeslijtage is uniform geworden. De daad van Yablochkov was echt heroïsch, omdat er in die jaren een hevige strijd was tussen liefhebbers van elektrische verlichting en de eigenaren van gasbedrijven. Maar dat niet alleen: de voorstanders van elektriciteit waren op hun beurt unaniem tegen AC.
Ze kregen een wisselstroom, maar weinigen begrepen wat het was. Langdurige artikelen werden gepubliceerd in kranten en tijdschriften die de gevaren van wisselstroom bedreigden: "het is niet de hoeveelheid die doodt, maar de verandering ervan." De bekende elektrotechnicus Chikolev verklaarde: "Alle machines met wisselstroom moeten worden vervangen door machines met gelijkstroom."
Niet minder prominente specialist Lachinov gaf Yablochkova publiekelijk de schuld, omdat "gelijkstroom goed is en wisselstroom alleen kan schijnen."“Waarom zouden de heren - aanhangers van kaarsen (boogkaarsen van Yablochkov) niet proberen serieus gelijkstroom op hen toe te passen; omdat ze hiermee en alleen dit de toekomst van kaarslicht konden bieden, 'schreef hij.
Het is niet verwonderlijk dat Yablochkov onder deze druk eindelijk zijn kaarsen gooide, maar, naast gedeeltelijke "revalidatie" van wisselstroom, slaagde hij erin om het ware "gezicht" van inductiespoelen te openen. Zijn kaarsen, in serie geschakeld, waren buitengewoon humeurig. Zodra een lamp-of de reden ging uit, iedereen ging meteen uit.
Yablochkov verbond in serie in plaats van "lampen" de primaire wikkelingen van de spoelen. Op de tweede plaats "geplant" kaarsen. Het gedrag van elke "lamp" had helemaal geen invloed op het werk van anderen.
Toegegeven, de inductiespoelen van het ontwerp van Yablochkov verschilden (en niet ten goede) van die van Faraday - hun kernen kwamen niet in een ring. Maar het feit dat de wisselstroomspoelen continu werkten en niet periodiek (toen het circuit werd in- of uitgeschakeld), bracht de Russische uitvinder wereldfaam.
Zes jaar later ontwikkelde Usagin, een MSU-onderzoeker, het idee van Yablochkov (of liever samengevat). Usagin verbond verschillende elektrische apparaten (niet alleen kaarsen) met de uitgangswikkelingen van de spoelen, die hij "secundaire generatoren" noemde.
De spoelen van Yablochkov en Usagin waren enigszins verschillend van elkaar. Sprekend in moderne taal, verhoogde de Yablochkova-transformator de spanning: in de secundaire wikkeling waren er veel meer bochten van dunne draad dan in de primaire.
Usagin-transformator isoleert: het aantal windingen in beide wikkelingen was hetzelfde (3000), evenals de in- en uitgangsspanningen (500 V).
KALENDER VAN BELANGRIJKE DATA
De inductiespoelen van Yablochkov en de 'secundaire generatoren' van Usagin begonnen functies te verwerven die we vandaag kennen met een fantastische snelheid transformers.
1884 - de gebroeders Hopkinson sloten de kern.
Voorheen ging de magnetische flux door een stalen staaf en gedeeltelijk van de noordpool naar het zuiden - door de lucht. Luchtweerstand is 8 duizend keer groter dan die van ijzer. Het verkrijgen van een merkbare spanning op de secundaire wikkeling was alleen mogelijk voor grote stromen die vele bochten doorlopen. Als van de kern een ring of een frame wordt gemaakt, wordt de weerstand tot een minimum beperkt.
Transformator van de jaren 1880 Borstel elektrisch lichtbedrijf
1885 - Hungarian Dery kreeg het idee om transformatoren parallel aan te zetten. Daarvoor gebruikte iedereen een seriële verbinding.
1886 - de Hopkinsons opnieuw. Ze leerden hoe ze magnetische circuits moesten berekenen volgens de wet van Ohm. In eerste instantie moesten ze bewijzen dat processen in elektrische en magnetische circuits kunnen worden beschreven met vergelijkbare formules.
1889 - Zweed Swinburne stelde voor de kern- en transformatorwikkelingen te koelen met minerale olie, die tegelijkertijd de rol van isolatie speelt. Vandaag is het idee van Swinburne ontwikkeld: een stalen magnetische kern met wikkelingen wordt neergelaten in een grote tank, de tank wordt gesloten met een deksel en na drogen, verwarmen, evacueren, vullen met inerte stikstof en andere bewerkingen wordt olie erin gegoten.
Transformator - eind 19e - begin 20e eeuw (Engeland)
Transformator 4000 kVA (Engeland) - begin 20e eeuw.
Currents. Tot 150 duizend a. Dit zijn de stromen die ovens voeden voor het smelten van non-ferrometalen. Bij ongevallen bereiken stroompieken 300-500 duizend a. (De transformatorcapaciteit op grote ovens bereikt 180 MW, de primaire spanning is 6-35 kV, op hoogvermogenovens tot 110 kV, secundaire 50-300 V en in moderne ovens tot 1200 V.)
Verlies. Een deel van de energie gaat verloren in de wikkelingen, een deel - voor het verwarmen van de kern (wervelstromen in het ijzer en hystereseverliezen). Snelle verandering van elektrisch en magnetisch nole in de tijd (50 Hz - 50 keer per seconde) dwingt moleculen of ladingen afzonderlijk om zich anders te oriënteren: energie wordt geabsorbeerd door olie, bakelietcilinders, papier, karton, enz. d.
Pompen voor het pompen van transformator hete olie door radiatoren hebben wat vermogen nodig.
En toch zijn de verliezen over het algemeen te verwaarlozen: in een van de grootste transformatorontwerpen voor 630 duizend kW blijft slechts 0,35% van het vermogen steken. Weinig apparaten kunnen bogen op. n. d. meer dan 99,65%.
Volle kracht. De grootste transformatoren zijn "bevestigd" aan de krachtigste generatoren, zodat hun krachten samenvallen. Vandaag zijn er 300, 500, 800 duizend kW vermogenseenheden, morgen zullen deze cijfers stijgen tot 1-1,5 miljoen, of zelfs meer.
De krachtigste transformator. De krachtigste transformator geproduceerd door het Oostenrijkse bedrijf "Elin" en is ontworpen voor een thermische elektriciteitscentrale in Ohio. Het vermogen is 975 megavoltampère, het moet de spanning die door generatoren wordt gegenereerd verhogen - 25 duizend volt tot 345 duizend volt (Science and Life, 1989, No. 1, p. 5).
De acht grootste eenfase transformatoren ter wereld hebben een capaciteit van 1,5 miljoen kVA. Transformers zijn eigendom van het Amerikaanse bedrijf Power Power Service. 5 daarvan verminderen de spanning van 765 tot 345 kV. ("Wetenschap en technologie")
In 2007 produceerde de holding Elektrozavod (Moskou) de krachtigste transformator die eerder in Rusland was geproduceerd - de TC-630000/330 met een capaciteit van 630 MVA voor een spanning van 330 kV, met een gewicht van ongeveer 400 ton. De nieuwe generatie transformator is ontwikkeld voor de faciliteiten van de Rosenergoatom Concern.
Transformator voor thuisgebruik ORTs-417000/750 met een capaciteit van 417 MVA voor een spanning van 750 kV
Ontwerpen. Elke transformator voor elk doel bestaat uit vijf componenten: magnetisch circuit, wikkelingen, tank, deksel en bussen.
Het belangrijkste detail - het magnetische circuit - bestaat uit stalen platen, die elk aan beide zijden zijn gecoat met isolatie - een vernislaag met een dikte van 0,005 mm.
De afmetingen van bijvoorbeeld de transformatoren van de Canadese elektriciteitscentrale Busheville (vervaardigd door het West-Duitse bedrijf Siemens) zijn als volgt: hoogte 10,5 m, dwarsdoorsnede diameter 30 - 40 m.
Het gewicht van deze transformatoren is 188 ton, radiatoren, expanders en olie worden er tijdens het transport uit gegoten en toch moeten de spoorwegarbeiders een moeilijk probleem oplossen: 135 ton is geen grap! Maar zo'n belasting verbaast niemand: bij de kerncentrale van Obrichheim is er een transformatorgroep met een vermogen van 300 duizend kW. De belangrijkste “converter” weegt 208 ton, de aanpassing - 101 ton.
Om deze groep naar de plek te brengen, was een spoorwegplatform van 40 meter nodig! Het is niet eenvoudiger voor onze energietechnici: de ontwerpen die ze maken, behoren immers tot de grootste ter wereld.
Transformator van 388 ton! (Verenigde Staten)
Werk. Een grote transformator duurt 94 dagen op 100. De gemiddelde belasting is ongeveer 55-65% van de berekende. Dit is erg verspillend, maar er is niets aan te doen: één apparaat zal falen, zijn understudy vrij snel letterlijk "brandt op het werk". Als de structuur bijvoorbeeld met 40% wordt overbelast, zal de isolatie binnen twee weken verslijten, zoals in een jaar van normaal gebruik.
Onder studenten is er al lang een legende over een excentriekeling die de vraag beantwoordt: "Hoe werkt een transformator?" "" Vindingrijk "antwoordde:" Oooo ... "Maar alleen vandaag wordt de reden voor dit geluid duidelijk.
Het blijkt dat niet de trillingen van stalen platen slecht met elkaar zijn verbonden, het koken van olie en de elastische vervorming van de wikkelingen. De oorzaak kan worden beschouwd als magnetostrictie, dat wil zeggen een verandering in de grootte van het materiaal tijdens magnetisatie. Hoe om te gaan met dit fysieke fenomeen is nog onbekend, dus de transformatortank is bekleed met geluiddichte schilden.
De normen voor de "stemmen" van transformatoren zijn vrij streng: op een afstand van 5 m - niet meer dan 70 decibel (niveau van luide spraak, autoruis) en op een afstand van 500 m, waar woongebouwen zich meestal bevinden, ongeveer 35 decibel (stappen, stille muziek).
Zelfs zo'n kort overzicht laat ons toe twee belangrijke conclusies te trekken. Het belangrijkste voordeel van de transformator is de afwezigheid van bewegende delen. Hierdoor wordt een hoge k bereikt. n. d., uitstekende betrouwbaarheid, eenvoudig onderhoud. Het grootste nadeel is het enorme gewicht en afmetingen.
En je moet de omvang nog steeds vergroten: de kracht van transformatoren zou immers de komende decennia verschillende keren moeten groeien.
Transformator Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV
ANTHEM immobiliteit
Transformatoren zijn de meest onbeweeglijke machines van technologie. “DEZE BETROUWBARE IJZERDEK. .. ”Dus, met de nadruk op de eenvoud van het ontwerp en het grote gewicht, noemde de Fransman Janvier transformatoren.
Maar deze onbeweeglijkheid is duidelijk: de wikkelingen zijn omgeven door stromingen en magnetische fluxen bewegen langs de stalen kern. Serieus praten over de beweging van elektronen is echter op de een of andere manier lastig. Geladen deeltjes kruipen nauwelijks langs de geleiders en bewegen in een uur slechts een halve meter. Tussen de momenten van binnenkomst en uitgang van de 'gelabelde' groep elektronen verstrijkt er ongeveer een jaar.
Waarom treedt de spanning in de secundaire wikkeling dan bijna gelijktijdig op met de opname? Het is niet moeilijk om te antwoorden: de voortplantingssnelheid van elektriciteit wordt niet bepaald door de bewegingssnelheid van elektronen, maar door de bijbehorende elektromagnetische golven. Impulsen van energie ontwikkelen 100-200 duizend km per seconde.
De transformator "maakt zich niet druk", maar dit spreekt op geen enkele manier over zijn "interne" neiging om te rusten. De interactie van stromingen in de geleiders leidt tot het verschijnen van krachten die de wikkelingen in hoogte neigen samen te drukken, om ze ten opzichte van elkaar te verschuiven, om de diameter van de wikkelingen te vergroten. Het is noodzakelijk om de wikkelingen te fixeren met pleisters, stutten, wiggen.
De transformator barst van de interne krachten en lijkt op een geketende reus die ernaar streeft kettingen te breken. In deze strijd wint een persoon altijd. Maar achter getemde auto's heb je oog en oog nodig. Op elk ontwerp zijn ongeveer tien elektronische, relais- en gasschermen geïnstalleerd, die de temperaturen, stromen, spanningen, gasdruk bewaken en bij de minste storing de stroom uitschakelen en een ongeval voorkomen.
We weten het al: het grootste nadeel van de transformatoren van vandaag is hun gigantisme. De reden hiervoor is ook duidelijk: het hangt allemaal af van de eigenschappen van de gebruikte materialen. Dus misschien, als je goed zoekt, zijn er andere ideeën voor het omzetten van elektriciteit, naast degene die Faraday ooit heeft voorgesteld?
Helaas (en misschien, gelukkig - wie weet) zijn er nog geen dergelijke ideeën, en hun uiterlijk is onwaarschijnlijk. Zolang wisselstroom heerst in de energiesector en er nog steeds behoefte is om de spanning te veranderen, gaat het idee van Faraday de concurrentie te boven.
Aangezien transformatoren niet kunnen worden verlaten, is het misschien mogelijk om hun aantal te verminderen?
U kunt "besparen" op transformatoren, als u het huidige voedingssysteem verbetert. Het moderne stedelijke elektriciteitsnetwerk lijkt op de menselijke bloedsomloop. Van de hoofdkabel vertakt zich "via een kettingreactie" naar lokale consumenten. De spanning wordt geleidelijk met stappen verlaagd tot 380 V en op alle niveaus moeten transformatoren worden geïnstalleerd.
Engelse experts hebben in detail een andere, meer winstgevende optie ontwikkeld. Ze bieden aan om Londen volgens dit schema van stroom te voorzien: een kabel van 275 duizend gaat het stadscentrum binnen. Hier wordt de stroom gelijkgericht en daalt de spanning "automatisch" tot 11 duizend volt, gelijkstroom wordt geleverd aan fabrieken en woonwijken, wordt opnieuw omgezet in wisselspanning en daalt in spanning. Verschillende spanningsniveaus verdwijnen, minder transformatoren, kabels en aanverwante apparaten.
De frequentie van huidige schommelingen in ons land is 50 Hz. Het blijkt dat als je naar 200 Hz gaat, het gewicht van de transformator met de helft wordt verminderd! Hier lijkt het een echte manier om het ontwerp te verbeteren. Met een toename van de stroomfrequentie met een factor 4, zullen de weerstanden van alle elementen van het vermogenssysteem en het totale verlies van vermogen en spanning echter tegelijkertijd toenemen. De werkingswijze van de lijn zal veranderen en de herstructurering ervan zal niet lonen met besparingen.
In Japan werkt bijvoorbeeld een deel van het stroomsysteem op 50 Hz en sommige op 60 Hz. Wat is gemakkelijker om het systeem naar één "noemer" te brengen? Maar nee: dit wordt niet alleen gehinderd door particulier eigendom van energiecentrales en hoogspanningslijnen, maar ook door de hoge kosten van aankomende wijzigingen.
ABB-transformator
De grootte van transformatoren kan worden verkleind door de huidige magnetische en geleidende materialen te vervangen door nieuwe, veel betere eigenschappen. Er is al iets gedaan: bijvoorbeeld gebouwd en getest supergeleidende transformatoren.
Koeling bemoeilijkt natuurlijk het ontwerp, maar de winst is duidelijk: de stroomdichtheid neemt toe tot 10 duizend en tegen de eerstgenoemde (1 a) voor elke vierkante millimeter van de draaddoorsnede. Slechts een paar enthousiastelingen riskeren echter weddenschappen op transformatoren op lage temperatuur, omdat het voordeel van de wikkeling volledig wordt geneutraliseerd door de beperkte mogelijkheden van het stalen magnetische circuit.
Maar hier is de laatste jaren een uitweg geweest: ofwel de primaire en secundaire wikkelingen binden zonder een tussenpersoon - staal, of materialen vinden die beter zijn dan ijzer qua magnetische eigenschappen. De eerste manier is veelbelovend en dergelijke "lucht" -transformatoren zijn al getest. De wikkelingen zijn ingesloten in een doos gemaakt van een supergeleider - een ideale "spiegel" voor een magnetisch veld.
De doos laat het veld niet uit en laat het zich niet in de ruimte verspreiden. Maar we hebben al gezegd: de magnetoweerstand van lucht is erg groot. Je zult te veel "primaire" bochten moeten winden en er te hoge stromingen op toepassen om een merkbare "secundaire" te krijgen.
Een andere manier - nieuwe magneten - belooft ook veel. Het bleek dat bij zeer lage temperaturen holmium, erbium, dysprosium magnetisch worden en hun verzadigingsvelden meerdere malen groter zijn dan die van ijzer (!). Maar in de eerste plaats behoren deze metalen tot de zeldzame aarde-groep, en zijn daarom zeldzaam en duur, en ten tweede zullen de hystereseverliezen in hen naar alle waarschijnlijkheid veel hoger zijn dan in staal.
V. Stepanov
Volgens de materialen van het tijdschrift "Youth Technology"
Zie ook op electro-nl.tomathouse.com
: