Fatos interessantes sobre transformadores

Cada dispositivo técnico tem dois aniversários: a descoberta do princípio de operação e sua implementação. A idéia de um transformador após sete anos de trabalho duro na “transformação do magnetismo em eletricidade” foi dada por Michael Faraday.

Em 29 de agosto de 1831, Faraday descreveu em seu diário um experimento que mais tarde foi para todos os livros de física. Em um anel de ferro com 15 cm de diâmetro e 2 cm de espessura, o experimentador enrolou separadamente dois fios com 15 e 18 m de comprimento. Quando uma corrente fluía ao longo de um dos enrolamentos, as mãos do galvanômetro nos grampos do outro se desviavam!

O cientista chamou um dispositivo simples "Bobina de indução". Quando a bateria foi ligada, a corrente (desnecessário dizer, constante) aumentou gradualmente no enrolamento primário. Um fluxo magnético foi induzido no anel de ferro, cuja magnitude também variou. Uma tensão apareceu no enrolamento secundário. Assim que o fluxo magnético atingiu seu valor limite, a corrente "secundária" desapareceu.

DPara que a bobina funcione, a fonte de alimentação deve ser ligada e desligada o tempo todo (manualmente - com um interruptor de faca ou mecanicamente - com um interruptor).

Ilustração da experiência de Faraday

Bobina de indução de Faraday

Ppermanente ou variável?

Do anel de Faraday, o transformador de corrente estava longe, e a ciência ainda coletava os dados necessários sobre as migalhas. O Henry americano enrolou o fio com fio de seda - nasceu o isolamento.

O francês Foucault tentou girar as barras de ferro em um campo magnético - e ficou surpreso: elas estavam esquentando. O cientista entendeu o motivo - as correntes que nasceram em um campo magnético alternado foram afetadas. Para limitar o caminho das correntes de Foucault, Upton, um funcionário da Edison, sugeriu que o núcleo de ferro fosse pré-fabricado - a partir de folhas separadas.

Em 1872, o professor Stoletov realizou um estudo fundamental sobre a magnetização do ferro macio e, um pouco mais tarde, o inglês Ewing apresentou um relatório à Royal Society sobre perdas de energia durante a inversão da magnetização do aço.

A magnitude dessas perdas, chamadas "histerese" (da palavra grega "história"), realmente dependia da amostra "passada". Grãos de metal - domínios, como girassóis atrás do sol, giram após o campo magnético e são orientados ao longo das linhas de força. O trabalho despendido nisso se transforma em calor. Depende de como - fraca ou fortemente - e em qual direção os domínios foram direcionados.

As informações sobre as propriedades magnéticas e condutoras se acumularam gradualmente até que a quantidade se transformou em qualidade. Os engenheiros elétricos, de tempos em tempos, apresentavam surpresas ao mundo, mas o principal evento na história dos transformadores deve ser considerado um evento que fez o mundo em 1876 se surpreender com a Rússia.

O motivo foi a vela Yablochkova. Nas "lâmpadas", um arco estava queimando entre dois eletrodos paralelos. Em corrente constante, um eletrodo queimava mais rápido, e o cientista persistentemente buscava uma saída.

No final, ele decidiu, depois de tentar várias maneiras, usar corrente alternada, e eis que eis! - o desgaste do eletrodo tornou-se uniforme. O ato de Yablochkov foi verdadeiramente heróico, porque naqueles anos havia uma luta feroz entre entusiastas da iluminação elétrica e os proprietários de empresas de gás. Mas não é só isso: os proponentes da eletricidade, por sua vez, se uniram unanimemente à CA.

Eles receberam uma corrente alternada, mas poucos entenderam o que era. Artigos de longo prazo foram publicados em jornais e revistas que ameaçavam os perigos da corrente alternada: "não é a quantidade que mata, mas sua mudança". O conhecido engenheiro eletricista Chikolev declarou: "Todas as máquinas com corrente alternada devem ser substituídas por máquinas com corrente contínua".

Um especialista igualmente proeminente, Lachinov, culpou publicamente Yablochkova, já que "a corrente direta é boa, e a corrente alternada só pode brilhar".“Por que os cavalheiros - adeptos das velas (velas de arco de Yablochkov) não tentam aplicar seriamente a corrente direta; porque com isso e somente isso, eles poderiam fornecer o futuro da luz de velas ”, ele escreveu.

Não é de surpreender que, sob essa pressão, Yablochkov finalmente jogue suas velas, mas, além da "reabilitação" parcial de corrente alternada, ele conseguiu abrir a verdadeira "face" das bobinas de indução. Suas velas, conectadas em série, eram extremamente temperamentais. Assim que uma lâmpada-ou o motivo saiu, todo mundo saiu instantaneamente.

Yablochkov conectou em série, em vez de "lâmpadas", os enrolamentos primários das bobinas. No secundário, ele "plantou" velas. O comportamento de cada "lâmpada" não afetou o trabalho de outras pessoas.

É verdade que as bobinas de indução do design de Yablochkov diferiam (e não para melhor) das de Faraday - seus núcleos não se fechavam em um anel. Mas o fato de as bobinas de corrente alternada trabalharem continuamente, e não periodicamente (quando o circuito foi ligado ou desligado), trouxe fama mundial ao inventor russo.

Seis anos depois, Usagin, pesquisador de medicina da MSU, desenvolveu (ou resumiu) a idéia de Yablochkov. Usagin conectou diferentes dispositivos elétricos (não apenas velas) aos enrolamentos de saída das bobinas, que ele chamou de "geradores secundários".

As bobinas de Yablochkov e Usagin eram um pouco diferentes uma da outra. Falando em linguagem moderna, o transformador Yablochkova aumentou a tensão: no enrolamento secundário, havia muito mais voltas de fios finos do que no primário.

O transformador Usagin está isolando: o número de voltas nos dois enrolamentos foi o mesmo (3000), bem como as tensões de entrada e saída (500 V).

CALENDÁRIO DE DATAS SIGNIFICATIVAS

As bobinas de indução de Yablochkov e os "geradores secundários" de Usagin começaram a adquirir recursos que conhecemos hoje com uma velocidade fabulosa transformadores.

1884 - os irmãos Hopkinson fecharam o núcleo.

Anteriormente, o fluxo magnético passava por uma barra de aço e parcialmente do pólo norte ao sul - pelo ar. A resistência do ar é 8 mil vezes maior que a do ferro. A obtenção de uma tensão perceptível no enrolamento secundário só era possível para correntes grandes que passavam por muitas voltas. Se o núcleo for transformado em anel ou estrutura, a resistência será reduzida ao mínimo.

Transformador da década de 1880 Escova corporação de luz elétrica

1885 - O húngaro Dery teve a ideia de ligar os transformadores em paralelo. Antes disso, todos usavam uma conexão serial.

1886 - os Hopkinsons novamente. Eles aprenderam a calcular circuitos magnéticos de acordo com a lei de Ohm. A princípio, eles tiveram que provar que os processos em circuitos elétricos e magnéticos podem ser descritos por fórmulas semelhantes.

1889 - O sueco Swinburne propôs o resfriamento dos enrolamentos do núcleo e do transformador com óleo mineral, que simultaneamente desempenha o papel de isolamento. Hoje, a ideia de Swinburne foi desenvolvida: um núcleo magnético de aço com enrolamentos é baixado para um tanque grande, o tanque é fechado com uma tampa e após secagem, aquecimento, evacuação, preenchimento com nitrogênio inerte e outras operações, o óleo é derramado nele.

Transformador - final do século XIX - início do século XX (Inglaterra)

Transformador de 4000 kVA (Inglaterra) - início do século XX.

Toki. Até 150 mil a. Essas são as correntes que alimentam os fornos para derreter metais não ferrosos. Em acidentes, as oscilações atuais atingem 300-500 mil a. (A capacidade do transformador em grandes fornos atinge 180 MW, a tensão primária é de 6-35 kV, em fornos de alta potência de até 110 kV, secundário de 50 a 300 V e em fornos modernos de até 1200 V.)

Perdas. Parte da energia é perdida nos enrolamentos, parte - para aquecimento do núcleo (correntes de Foucault nas perdas de ferro e histerese). Troca rápida de componentes elétricos e magnéticos ntempo no tempo (50 Hz - 50 vezes por segundo) força moléculas ou cargas isoladamente a se orientarem de maneira diferente: a energia é absorvida pelo óleo, cilindros de baquelite, papel, papelão etc. d.

Bombas para bombear óleo quente do transformador através de radiadores consomem alguma energia.

E, no entanto, em geral, as perdas são insignificantes: em um dos maiores projetos de transformadores de 630 mil kW, apenas 0,35% da energia fica travada. Poucos dispositivos podem se orgulhar. n. d. mais de 99,65%.

Potência total. Os maiores transformadores são "conectados" aos geradores mais poderosos, portanto, seus poderes coincidem. Hoje existem unidades de potência de 300, 500, 800 mil kW, amanhã esses números aumentarão para 1-1,5 milhões, ou até mais.

O transformador mais poderoso. O transformador mais poderoso fabricado pela empresa austríaca "Elin" e projetado para uma usina termelétrica em Ohio. Sua potência é de 975 megavolt-ampères, deve aumentar a tensão gerada pelos geradores - 25 mil volts para 345 mil volts (Science and Life, 1989, nº 1, p. 5).

Os oito maiores transformadores monofásicos do mundo têm uma capacidade de 1,5 milhão de kVA. Os transformadores são de propriedade da empresa americana Power Power Service. 5 deles reduzem a tensão de 765 a 345 kV. ("Ciência e tecnologia")

Em 2007, a Holding Elektrozavod (Moscou) fabricou o transformador mais poderoso anteriormente produzido na Rússia - TC-630000/330 com capacidade de 630 MVA para tensão de 330 kV, pesando cerca de 400 toneladas. O transformador de nova geração foi desenvolvido para as instalações do Rosenergoatom Concern.

Transformador doméstico ORTs-417000/750 com capacidade de 417 MVA para tensão de 750 kV

Construção. Qualquer transformador para qualquer finalidade consiste em cinco componentes: circuito magnético, enrolamentos, tanque, tampa e buchas.

O detalhe mais importante - o circuito magnético - é composto de chapas de aço, cada uma das quais revestida nos dois lados com isolamento - uma camada de verniz com uma espessura de 0,005 mm.

As dimensões, por exemplo, dos transformadores da usina canadense de Busheville (fabricada pela empresa alemã Siemens) são as seguintes: altura 10,5 m, diâmetro transversal 30 - 40 m.

O peso desses transformadores é de 188 toneladas, sendo transportados radiadores, expansores e óleo quando transportados, e os trabalhadores ferroviários ainda precisam resolver um problema difícil: 135 toneladas não é brincadeira! Mas essa carga não surpreende mais ninguém: na usina nuclear de Obrichheim há um grupo de transformadores com capacidade de 300 mil kW. O principal “conversor” pesa 208 toneladas, o ajuste 1 - 101 toneladas.

Para entregar este grupo ao local, era necessária uma plataforma ferroviária de 40 metros! Não é mais fácil para nossos engenheiros de energia: afinal, os projetos que eles criam estão entre os maiores do mundo.

Transformador de 388 toneladas! (EUA)

Trabalho. Um transformador grande dura 94 dias em 100. A carga média é de cerca de 55 a 65% da calculada. Isso é um grande desperdício, mas nada pode ser feito: um dispositivo falhará, seu estudo muito rapidamente literalmente “queima no trabalho”. Se, por exemplo, a estrutura for sobrecarregada em 40%, em duas semanas seu isolamento se desgastará, como em um ano de serviço normal.

Entre os estudantes, existe uma lenda sobre um excêntrico que responde à pergunta "Como um transformador funciona?" "" Com recursos "respondeu:" Oooo ... "Mas só hoje a razão para esse barulho fica clara.

Acontece que não são as vibrações das chapas de aço que estão mal ligadas umas às outras, a ebulição do óleo e a deformação elástica dos enrolamentos que são os culpados. A causa pode ser considerada magnetostrição, ou seja, uma alteração no tamanho do material durante a magnetização. Ainda não se sabe como lidar com esse fenômeno físico; portanto, o tanque do transformador é revestido com escudos à prova de som.

As normas para as “vozes” dos transformadores são bastante rigorosas: a uma distância de 5 m - não mais que 70 decibéis (nível de fala alta, ruído do carro) e a uma distância de 500 m, onde geralmente se localizam edifícios residenciais, cerca de 35 decibéis (degraus, música silenciosa).

Mesmo uma breve revisão nos permite tirar duas conclusões importantes. A principal vantagem do transformador é a ausência de peças móveis. Devido a isso, um k alto é alcançado. n. d., excelente confiabilidade, fácil manutenção. A maior desvantagem é o enorme peso e dimensões.

E você ainda precisa aumentar o tamanho: afinal, o poder dos transformadores deve crescer várias vezes nas próximas décadas.

Transformador Mitsubishi Electric - 760 MVA - 345 kV

HYMN

Os transformadores são as máquinas mais imóveis da tecnologia. “ESTE DECK DE FERRO CONFIÁVEL. .. ”Então, enfatizando a simplicidade do design e o grande peso, o francês chamado Janvier chamou de transformadores.

Mas essa imobilidade é aparente: os enrolamentos são cercados por correntes e os fluxos magnéticos se movem ao longo do núcleo de aço. No entanto, falar seriamente sobre o movimento dos elétrons é algo estranho. As partículas carregadas mal se arrastam pelos condutores, movendo-se em uma hora e meio metro. Entre os momentos de entrada e saída do grupo "rotulado" de elétrons, cerca de um ano se passa.

Por que, então, a tensão no enrolamento secundário ocorre quase simultaneamente com a inclusão? Não é difícil responder: a velocidade de propagação da eletricidade é determinada não pela velocidade do movimento dos elétrons, mas pelas ondas eletromagnéticas associadas. Pulsos de energia desenvolvem 100-200 mil km por segundo.

O transformador "não mexe", mas isso não fala de maneira alguma de sua tendência "interna" de descansar. A interação das correntes nos condutores leva ao aparecimento de forças tendentes a comprimir os enrolamentos em altura, deslocá-los um em relação ao outro, aumentar o diâmetro das voltas. É necessário amarrar os enrolamentos com ataduras, suportes, cunhas.

Cheio de forças internas, o transformador se assemelha a um gigante algemado que se esforça para quebrar correntes. Nesta luta, uma pessoa sempre vence. Mas atrás de carros domesticados você precisa de um olho e de um olho. Cerca de dez blindagens eletrônicas, de relé e gás são instaladas em cada projeto, que monitoram as temperaturas, correntes, tensões, pressão do gás e, ao menor mau funcionamento, desligam a energia, evitando acidentes.

Já sabemos: a principal desvantagem dos transformadores de hoje é o gigantismo. A razão para isso também é clara: tudo depende das propriedades dos materiais utilizados. Então, talvez, se você pesquisar bem, haverá outras idéias para a conversão de eletricidade, além da que Faraday propôs uma vez?

Infelizmente (e talvez, felizmente - quem sabe), ainda não existem essas idéias e sua aparência é improvável. Enquanto a corrente alternada reinar no setor de energia e continuar a haver necessidade de mudar sua tensão, a idéia de Faraday está além da concorrência.

Como os transformadores não podem ser abandonados, talvez seja possível reduzir seu número?

Você pode "economizar" em transformadores, se melhorar o sistema de suprimento atual. A moderna rede elétrica urbana se assemelha ao sistema circulatório humano. Do cabo principal, as ramificações “através de uma reação em cadeia” ramificam para os consumidores locais. A tensão é gradualmente reduzida em passos para 380 V e, em todos os níveis, é necessário instalar transformadores.

Os especialistas em inglês desenvolveram em detalhes outra opção mais lucrativa. Eles oferecem para alimentar Londres de acordo com esse esquema: um cabo de 275 mil entra no centro da cidade. Aqui, a corrente é retificada e a tensão "automaticamente" cai para 11 mil volts, a corrente direta é fornecida às fábricas e áreas residenciais, é novamente convertida em tensão alternada e diminui a tensão. Vários níveis de tensão desaparecem, menos transformadores, cabos e dispositivos relacionados.

A frequência das flutuações atuais em nosso país é de 50 Hz. Acontece que se você for para 200 Hz, o peso do transformador será reduzido pela metade! Aqui, ao que parece, uma maneira real de melhorar o design. No entanto, com um aumento na frequência da corrente em um fator de 4, as resistências de todos os elementos do sistema de energia e a perda total de energia e tensão aumentarão ao mesmo tempo. O modo de operação da linha mudará e sua reestruturação não será recompensada com economia.

No Japão, por exemplo, parte do sistema de energia opera a 50 Hz e outras a 60 Hz. O que é mais fácil levar o sistema a um "denominador"? Mas não: isso não é apenas prejudicado pela propriedade privada de usinas e linhas de alta tensão, mas também pelo alto custo das próximas alterações.

Transformador ABB

O tamanho dos transformadores pode ser reduzido substituindo os materiais magnéticos e condutores atuais por novas e muito melhores propriedades. Algo já foi feito: por exemplo, construído e testado transformadores supercondutores.

Obviamente, o resfriamento complica o projeto, mas o ganho é óbvio: as densidades de corrente aumentam para 10 mil e contra a anterior (1 a) para cada milímetro quadrado da seção transversal do fio. No entanto, apenas muito poucos entusiastas correm o risco de apostar em transformadores de baixa temperatura, porque o benefício no enrolamento é completamente neutralizado pelas capacidades limitadas do circuito magnético do aço.

Mas aqui nos últimos anos houve uma saída: ligar os enrolamentos primário e secundário sem um aço intermediário - ou encontrar materiais melhores que o ferro nas propriedades magnéticas. A primeira maneira é muito promissora e esses transformadores "aéreos" já foram testados. Os enrolamentos são colocados em uma caixa feita de um supercondutor - um "espelho" ideal para um campo magnético.

A caixa não deixa o campo sair e não permite que ele se disperse no espaço. Mas já dissemos: a magnetoresistência do ar é muito grande. Você terá que dar muitas voltas "primárias" e aplicar correntes muito altas para obter uma "secundária" perceptível.

Outra maneira - novos ímãs - também promete muito. Verificou-se que, a temperaturas muito baixas, o hólmio, o érbio, o disprósio tornam-se magnéticos e seus campos de saturação são várias vezes maiores que os do ferro (!). Mas, primeiro, esses metais pertencem ao grupo de terras raras e, portanto, são raros e caros, e, segundo, as perdas de histerese nelas serão, com toda a probabilidade, muito mais altas do que no aço.

V. Stepanov

De acordo com os materiais da revista "Youth Technology"