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Datos interesantes sobre transformadores
Cada dispositivo técnico tiene dos cumpleaños: el descubrimiento del principio de funcionamiento y su implementación. Michael Faraday dio la idea de un transformador después de siete años de arduo trabajo en la "transformación del magnetismo en electricidad".
El 29 de agosto de 1831, Faraday describió en su diario un experimento que luego se incluyó en todos los libros de texto de física. En un anillo de hierro con un diámetro de 15 cm y un grosor de 2 cm, el experimentador enrolla por separado dos cables con una longitud de 15 my 18 m. ¡Cuando una corriente fluyó a lo largo de uno de los devanados, las flechas del galvanómetro en los terminales del otro se desviaron!
El científico llamó un dispositivo simple "Bobina de inducción". Cuando se encendió la batería, la corriente (no hace falta decir, constante) aumentó gradualmente en el devanado primario. Se indujo un flujo magnético en el anillo de hierro, cuya magnitud también varió. Un voltaje apareció en el devanado secundario. Tan pronto como el flujo magnético alcanzó su valor límite, la corriente "secundaria" desapareció.
DPara que la bobina funcione, la fuente de alimentación debe encenderse y apagarse todo el tiempo (manualmente, con un interruptor de cuchilla o mecánicamente, con un interruptor).
Ilustración de la experiencia de Faraday
Bobina de inducción de Faraday
Ppermanente o variable?
Desde el anillo de Faraday hasta el transformador de corriente estaba muy lejos, y la ciencia incluso entonces recolectó los datos necesarios sobre las migajas. El estadounidense Henry envolvió el alambre con hilo de seda: nació el aislamiento.
El francés Foucault intentó girar las barras de hierro en un campo magnético, y se sorprendió: se estaban calentando. El científico entendió la razón: las corrientes que se generaron en un campo magnético alterno se vieron afectadas. Para limitar el camino de las corrientes de Foucault, Upton, un empleado de Edison, sugirió hacer el núcleo de hierro prefabricado, a partir de láminas separadas.
En 1872, el profesor Stoletov realizó un estudio fundamental sobre la magnetización del hierro blando, y un poco más tarde, el inglés Ewing presentó un informe a la Royal Society sobre las pérdidas de energía durante la reversión de la magnetización del acero.
La magnitud de estas pérdidas, llamada "histéresis" (de la palabra griega "historia"), realmente dependía de la muestra "pasada". Granos de metal: los dominios, como los girasoles detrás del sol, giran después del campo magnético y se orientan a lo largo de las líneas de fuerza. El trabajo gastado en esto se convierte en calor. Depende de cómo, débil o fuertemente, y en qué dirección se dirigieron los dominios.
Información sobre las propiedades magnéticas y conductoras acumuladas gradualmente hasta que la cantidad se convirtió en calidad. De vez en cuando, los ingenieros eléctricos presentaban sorpresas al mundo, pero el evento principal en la historia de los transformadores debería considerarse un evento que hizo que el mundo en 1876 se volviera asombrado hacia Rusia.
La razón fue la vela Yablochkova. En las "lámparas", un arco ardía entre dos electrodos paralelos. A corriente constante, un electrodo ardía más rápido, y el científico persistentemente buscaba una salida.
Al final, decidió, después de haber intentado de muchas maneras, usar corriente alterna y ¡he aquí! - El desgaste del electrodo se ha vuelto uniforme. El acto de Yablochkov fue verdaderamente heroico, porque en esos años hubo una lucha feroz entre los entusiastas de la iluminación eléctrica y los propietarios de las compañías de gas. Pero no solo eso: los propios defensores de la electricidad, a su vez, se opusieron unánimemente a la CA.
Recibieron una corriente alterna, pero pocos entendieron de qué se trataba. Se publicaron artículos a largo plazo en periódicos y revistas que amenazaban los peligros de la corriente alterna: "no es la cantidad la que mata, sino su cambio". El conocido ingeniero eléctrico Chikolev declaró: "Todas las máquinas con corriente alterna deben reemplazarse por máquinas con corriente continua".
No menos destacado especialista Lachinov culpó públicamente a Yablochkova, porque "la corriente continua es buena en absoluto, y la corriente alterna solo puede brillar".“¿Por qué los caballeros, adherentes a las velas (velas de arco de Yablochkov) no deberían tratar de aplicarles corriente directa seriamente? porque con esto y solo con esto podrían proporcionar el futuro de la luz de las velas ", escribió.
No es sorprendente que, bajo esta presión, Yablochkov finalmente arrojara sus velas, pero, además de la "rehabilitación" parcial de la corriente alterna, logró abrir la verdadera "cara" de las bobinas de inducción. Sus velas, conectadas en serie, eran extremadamente malhumoradas. Tan pronto como una lámpara-o la razón se fue, todos los demás salieron instantáneamente.
Yablochkov conectó en serie en lugar de "lámparas" los devanados primarios de las bobinas. En la secundaria, "plantó" velas. El comportamiento de cada "lámpara" no afectó en absoluto el trabajo de los demás.
Es cierto que las bobinas de inducción del diseño de Yablochkov diferían (y no para mejor) de las de Faraday: sus núcleos no se cerraron en un anillo. Pero el hecho de que las bobinas de corriente alterna funcionaran continuamente, y no periódicamente (cuando se encendía o apagaba el circuito), dio fama mundial al inventor ruso.
Seis años después, Usagin, un investigador de medicina de la MSU, desarrolló (o más bien resumió) la idea de Yablochkov. Usagin conectó diferentes dispositivos eléctricos (no solo velas) a los bobinados de salida de las bobinas, a los que llamó "generadores secundarios".
Las bobinas de Yablochkov y Usagin eran algo diferentes entre sí. Hablando en lenguaje moderno, el transformador Yablochkova aumentó el voltaje: en el devanado secundario hubo muchas más vueltas de cable delgado que en el primario.
El transformador Usagin está aislando: el número de vueltas en ambos devanados fue el mismo (3000), así como los voltajes de entrada y salida (500 V).
CALENDARIO DE FECHAS SIGNIFICATIVAS
Las bobinas de inducción de Yablochkov y los "generadores secundarios" de Usagin comenzaron a adquirir características que hoy conocemos con una velocidad fabulosa transformadores.
1884 - los hermanos Hopkinson cerraron el núcleo.
Anteriormente, el flujo magnético atravesaba una barra de acero, y parcialmente desde el polo norte hacia el sur, a través del aire. La resistencia al aire es 8 mil veces mayor que la del hierro. Para obtener un voltaje notable en el devanado secundario solo era posible para grandes corrientes que pasaban por muchas vueltas. Si el núcleo se convierte en un anillo o un marco, la resistencia se reduce al mínimo.
Transformador de la década de 1880 Cepillo corporación de luz eléctrica
1885 - El húngaro Dery tuvo la idea de encender transformadores en paralelo. Antes de esto, todos usaban una conexión en serie.
1886 - los Hopkinson de nuevo. Aprendieron a calcular los circuitos magnéticos de acuerdo con la ley de Ohm. Al principio, tuvieron que demostrar que los procesos en circuitos eléctricos y magnéticos pueden describirse mediante fórmulas similares.
1889 - Swede Swinburne propuso enfriar los devanados del núcleo y del transformador con aceite mineral, que simultáneamente desempeña el papel de aislamiento. Hoy, se ha desarrollado la idea de Swinburne: un núcleo magnético de acero con arrollamientos se baja en un tanque grande, el tanque se cierra con una tapa y después del secado, calentamiento, evacuación, llenado con nitrógeno inerte y otras operaciones, se vierte aceite en él.
Transformador - finales del siglo XIX - principios del siglo XX (Inglaterra)
Transformador de 4000 kVA (Inglaterra) - principios del siglo XX.
Toki Hasta 150 mil a. Estas son las corrientes que alimentan los hornos para fundir metales no ferrosos. En accidentes, las sobretensiones actuales alcanzan los 300-500 mil a. (La capacidad del transformador en hornos grandes alcanza los 180 MW, el voltaje primario es de 6-35 kV, en hornos de alta potencia de hasta 110 kV, secundarios de 50-300V y en hornos modernos de hasta 1200 V.)
Pérdidas Parte de la energía se pierde en los devanados, parte - para calentar el núcleo (corrientes parásitas en el hierro y pérdidas por histéresis). Cambio rápido de electricidad y magnetismo. nole a tiempo50 Hz - 50 veces por segundo) hace que las moléculas o cargas aisladas se orienten de manera diferente: la energía es absorbida por el aceite, los cilindros de baquelita, el papel, el cartón, etc. d.
Las bombas para bombear aceite caliente de transformadores a través de radiadores requieren algo de energía.
Y, sin embargo, en general, las pérdidas son insignificantes: en uno de los diseños de transformadores más grandes para 630 mil kW, solo el 0,35% de la potencia se atasca. Pocos dispositivos pueden presumir. n. d. más del 99,65%.
Potencia total Los transformadores más grandes están "conectados" a los generadores más potentes, por lo que sus potencias coinciden. Hoy hay 300, 500, 800 mil kW de potencia, mañana estas cifras aumentarán a 1-1.5 millones, o incluso más.
El transformador más poderoso. El transformador más potente fabricado por la empresa austriaca "Elin" y está diseñado para una central térmica en Ohio. Su potencia es de 975 megavoltios-amperios, debe aumentar el voltaje generado por los generadores: 25 mil voltios a 345 mil voltios (Science and Life, 1989, No. 1, p. 5).
Los ocho transformadores monofásicos más grandes del mundo tienen una capacidad de 1,5 millones de kVA. Los transformadores son propiedad de la compañía estadounidense Power Power Service. 5 de ellos reducen el voltaje de 765 a 345 kV. ("Ciencia y tecnología")
En 2007, la compañía holding Elektrozavod (Moscú) fabricó el transformador más potente producido anteriormente en Rusia: TC-630000/330 con una capacidad de 630 MVA para un voltaje de 330 kV, con un peso de aproximadamente 400 toneladas. El transformador de nueva generación se desarrolló para las instalaciones de Rosenergoatom Concern.
Transformador doméstico ORTs-417000/750 con una capacidad de 417 MVA para una tensión de 750 kV
Construcción. Cualquier transformador para cualquier propósito consta de cinco componentes: circuito magnético, bobinados, tanque, cubierta y bujes.
El detalle más importante, el circuito magnético, está formado por láminas de acero, cada una de las cuales está recubierta por ambos lados con aislamiento, una capa de barniz con un espesor de 0.005 mm.
Las dimensiones, por ejemplo, de los transformadores de la central eléctrica canadiense Busheville (fabricada por la empresa alemana de Alemania Siemens) son las siguientes: altura 10,5 m, diámetro transversal 30 - 40 m.
El peso de estos transformadores es de 188 toneladas. Radiadores, expansores y aceite se vierten de ellos cuando se transportan, y los trabajadores ferroviarios aún tienen que resolver un problema difícil: ¡135 toneladas no es broma! Pero tal carga no sorprende a nadie: en la central nuclear de Obrichheim hay un grupo de transformadores con una capacidad de 300 mil kW. El "convertidor" principal pesa 208 toneladas, el ajuste uno - 101 toneladas.
Para entregar este grupo al lugar, ¡se requería una plataforma ferroviaria de 40 metros! No es más fácil para nuestros ingenieros de energía: después de todo, los diseños que crean están entre los más grandes del mundo.
¡Transformador de 388 toneladas! (EE. UU.)
Trabajo Un transformador grande dura 94 días de cada 100. La carga promedio es aproximadamente 55-65% de la calculada. Esto es muy costoso, pero no se puede hacer nada: un dispositivo fallará, su suplente literalmente "se quema en el trabajo". Si, por ejemplo, la estructura está sobrecargada en un 40%, en dos semanas su aislamiento se desgastará, como en un año de servicio normal.
Entre los estudiantes, hace tiempo que existe una leyenda sobre un excéntrico que responde a la pregunta "¿Cómo funciona un transformador?" "" Ingeniosamente "respondió:" Oooo ... "Pero solo hoy la razón de este ruido se vuelve clara.
Resulta que no es la vibración de las placas de acero las que están mal unidas entre sí, la ebullición del aceite y la deformación elástica de los devanados son las culpables. La causa puede considerarse magnetostricción, es decir, un cambio en el tamaño del material durante la magnetización. Todavía se desconoce cómo lidiar con este fenómeno físico, por lo que el tanque del transformador está revestido con escudos insonorizados.
Las normas para las "voces" de los transformadores son bastante estrictas: a una distancia de 5 m - no más de 70 decibelios (nivel de voz, ruido del automóvil), y a una distancia de 500 m, donde generalmente se encuentran los edificios residenciales, alrededor de 35 decibelios (pasos, música tranquila).
Incluso una revisión tan breve nos permite sacar dos conclusiones importantes. La principal ventaja del transformador es la ausencia de partes móviles. Debido a esto, se logra una alta k. n. d., excelente fiabilidad, fácil mantenimiento. El mayor inconveniente es el enorme peso y dimensiones.
Y aún debe aumentar el tamaño: después de todo, la potencia de los transformadores debería crecer varias veces en las próximas décadas.
Transformador Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV
HIMNO
Los transformadores son las máquinas de tecnología más inmóviles. “ESTAS CUBIERTAS DE HIERRO FIABLES. .. ”Entonces, enfatizando la simplicidad del diseño y el gran peso, el francés llamado Janvier llamó transformadores.
Pero esta inmovilidad es evidente: los devanados están rodeados de corrientes y los flujos magnéticos se mueven a lo largo del núcleo de acero. Sin embargo, hablar en serio sobre el movimiento de los electrones es de alguna manera incómodo. Las partículas cargadas apenas se arrastran a lo largo de los conductores, moviéndose en una hora solo medio metro. Entre los momentos de entrada y salida del grupo de electrones "etiquetados", pasa aproximadamente un año.
¿Por qué, entonces, el voltaje en el devanado secundario ocurre casi simultáneamente con la inclusión? No es difícil responder: la velocidad de propagación de la electricidad está determinada no por la velocidad de movimiento de los electrones, sino por las ondas electromagnéticas asociadas. Se desarrollan pulsos de energía de 100-200 mil km por segundo.
El transformador "no se preocupa", pero esto de ninguna manera habla de su tendencia "interna" a descansar. La interacción de las corrientes en los conductores conduce a la aparición de fuerzas que tienden a comprimir los devanados en altura, a desplazarlos entre sí, a aumentar el diámetro de los giros. Es necesario encadenar los devanados con vendas, puntales, cuñas.
Rebosante de fuerzas internas, el transformador se asemeja a un gigante encadenado que se esfuerza por romper las cadenas. En esta lucha, una persona siempre gana. Pero detrás de los autos domesticados necesitas ojo y ojo. Alrededor de diez protectores electrónicos, de relé y de gas están instalados en cada diseño, que monitorean las temperaturas, corrientes, voltajes, presión de gas y, en el más mínimo mal funcionamiento, apagan la alimentación, evitando un accidente.
Ya lo sabemos: el principal inconveniente de los transformadores de hoy es su gigantismo. La razón de esto también es clara: todo depende de las propiedades de los materiales utilizados. Entonces, tal vez, si buscas bien, habrá otras ideas para convertir la electricidad, además de la que Faraday propuso una vez.
Desafortunadamente (y quizás, afortunadamente, quién sabe), todavía no hay tales ideas y su apariencia es poco probable. Mientras la corriente alterna reine en el sector energético y siga siendo necesario cambiar su voltaje, la idea de Faraday está más allá de la competencia.
Como los transformadores no pueden abandonarse, ¿tal vez sea posible reducir su número?
Puede "ahorrar" en transformadores, si mejora el sistema de suministro de corriente. La red eléctrica urbana moderna se asemeja al sistema circulatorio humano. Desde el cable principal, las sucursales "a través de una reacción en cadena" se ramifican a los consumidores locales. El voltaje se reduce gradualmente por pasos a 380 V, y en todos los niveles es necesario instalar transformadores.
Los expertos ingleses han desarrollado en detalle otra opción más rentable. Se ofrecen para alimentar Londres de acuerdo con este esquema: un cable de 275 mil, entra al centro de la ciudad. Aquí, la corriente se rectifica, y el voltaje "automáticamente" cae a 11 mil voltios, la corriente continua se suministra a fábricas y áreas residenciales, se convierte nuevamente en voltaje alterno y disminuye el voltaje. Varios niveles de voltaje desaparecen, menos transformadores, cables y dispositivos relacionados.
La frecuencia de las fluctuaciones de corriente en nuestro país es de 50 Hz. ¡Resulta que si vas a 200 Hz, el peso del transformador se reducirá a la mitad! Aquí, parece, una forma real de mejorar el diseño. Sin embargo, con un aumento en la frecuencia de la corriente por un factor de 4, las resistencias de todos los elementos del sistema de energía y la pérdida total de energía y voltaje aumentarán al mismo tiempo. El modo de operación de la línea cambiará y su reestructuración no dará resultado con ahorros.
En Japón, por ejemplo, parte del sistema de energía opera a 50 Hz, y algunos a 60 Hz. ¿Qué es más fácil llevar el sistema a un "denominador"? Pero no: esto no solo se ve obstaculizado por la propiedad privada de las centrales eléctricas y las líneas de alto voltaje, sino también por el alto costo de las próximas modificaciones.
Transformador ABB
El tamaño de los transformadores se puede reducir reemplazando los materiales magnéticos y conductores de hoy en día con propiedades nuevas y mucho mejores. Ya se ha hecho algo: por ejemplo, construido y probado transformadores superconductores.
Por supuesto, el enfriamiento complica el diseño, pero la ganancia es obvia: las densidades de corriente aumentan a 10 mil, y contra las primeras (1 a) por cada milímetro cuadrado de la sección transversal del cable. Sin embargo, solo unos pocos entusiastas se arriesgan a apostar por transformadores de baja temperatura, porque el beneficio en el devanado está completamente neutralizado por las capacidades limitadas del circuito magnético de acero.
Pero aquí en los últimos años ha habido una salida: ya sea para unir los devanados primario y secundario sin un intermediario, el acero, o para encontrar materiales que sean mejores que el hierro en propiedades magnéticas. La primera forma es muy prometedora, y tales transformadores de "aire" ya han sido probados. Los devanados están encerrados en una caja hecha de un superconductor, un "espejo" ideal para un campo magnético.
El cuadro no deja salir el campo y no permite que se disperse en el espacio. Pero ya hemos dicho: la magnetorresistencia del aire es muy grande. Tendrá que enrollar demasiados giros "primarios" y aplicarles corrientes demasiado altas para obtener un notable "secundario".
Otra forma, los nuevos imanes, también promete mucho. Resultó que a temperaturas muy bajas, el holmio, el erbio y el disprosio se vuelven magnéticos, y sus campos de saturación son varias veces mayores que los del hierro (!). Pero, en primer lugar, estos metales pertenecen al grupo de tierras raras, y por lo tanto son raros y caros, y, en segundo lugar, las pérdidas por histéresis en ellos serán, con toda probabilidad, mucho mayores que en el acero.
V. Stepanov
Según los materiales de la revista "Tecnología Juvenil"
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