3 .2.2 Трансформатор с магнитопроводом

Использование магнитопровода для увеличенеия потока электромагнитной энергии между обмотками трансформатора приводит к актуальным технико-экономическим результатам в части улучшения его массо-габаритных и энер- гопотребительских параметров. Причём этот приём в констрировании, с точ-ки зрения соответствующей теореме М новой теории электрических машин, более эффективен , нежели увеличение числа витков его обмоток: 1). Согласно (32 -34), при том же реактивном токе первичной обмотки, ос-новной магнитный поток трансформатора с магнитопроводом, напряжённость вихревого электрического поля его обмотки и соответствующий поток энер-гии СЭМП ( 45 ) из неё в  раз больше , чем в воздушном трансформаторе .

Соответственно, при передаче между обмотками одного и того же потока энергии, можно в сотни и тысячи раз уменьшить реактивный ток трансфор-матора, что достигается, согласно (43 , 44), соответствующим уменьшением числа витков в обмотках трансформатора. Учитывая, что такое снижение ве- са и массы обмоток достигается за счёт использования магнитного матери-ала примерно того же веса, что и минимизированная обмотка, можно ещё раз убедиться в эффективности данного подхода в конструировании. Техни-чески она объясняется тем , что магнитная среда улучшается здесь за счёт изменения качества, а параметры обмоток - за счёт изменения количества вещества.

2). Соответствующее уменьшению реактивного тока ослабление переменных магнитных потоков рассеивания тока намагничивания трансформатора, не не- сущих согласно (45) никаких полезных функций, вызывает сокращение сопут-ствующих им потерь энергии на максвелловское необратимое излучение, на перемагничивание вещества вне магнитопровода трансформатора и на возбуж- дение электромагнитных помех в окружающей среде.

Для более детального понимания роли магнитопровода в трансформаторе в свете новой концепции потоков энергии, представим простейшую модель

т

Е_

Е_

рансформатора с двумя идентичными обмотками на противоположных сто- ронах П-образного магнитопровода (Рис. 9):

₂

₁

Ф_S1C

Ф_S2C

i₂

Е_

H_S2C

П_1S

П_2S

Фм

П₁

П₂

+

+

-

-

П_S1-2

i₁

Рис. 9 Магнитные потоки, по сравнению со схемой на рисунке 8, претерпевают су-

щественные изменения. Силовые линии магнитного поля вблизи границы маг- нитопровода испытывают локальное искривление и имеют ортогональное на-

правление к его поверхности, что объясняется гашением тангенциальной со-

ставляющей поля магнитным полем диполей магнитопровода, ориентирован-

ных касательно границе вещества. ( Эта особенность магнитного поля на гра-

нице сред, почему-то не признанная в своё время редакцией журнала ЭЛЕК-ТРИЧЕСТВО, на самом деле хорошо известна в теории электрических машин.

В рамках же новой теории электричества впервые вскрывается её первопричина – это неизвестные ранее эффекты преломления, отражения, скольжения и соеди- нения потоков энергии составного ЭМ поля, падающих из свободного про-странства на поверхность магнитного вещества.) Соответственно, вектор Пойн- тинга составных ЭМ полей, переносящих энергию между обмотками транс-

форматора, не имеет нормальной составляющей вблизи границы с магнитопро- водом. Потоки энергии СЭМП обтекают его поверхность, существенно не про-никая вглубь магнитного вещества, когда оно имеет достаточно большое зна-чение магнитной проницаемости (Рис. 10). Если же принимать в расчёт обе

взаимно уравновешивающие друг друга касательные составляющие магнитных полей вещества и падающего на него потока энергии СЭМП, то рождается

весьма логическое, в контексте новой теории, обобщение универсального за-

кона электрической индукции (18,19) на область магнитных полей и напряже-ний. Более того, физическая реальность существования обеих тангенциальных составляющих магнитного поля при падении потока энергии СЭМП на по-

верхность магнитопровода свидетельствует как о реальности эффекта возбуж-дения нагрузочного электрического поля Е^V_о в обмотке КИ именно электри-

ческим полем Е^V генераторного СЭМП (а не изменением магнитного потока

3 Рис. 10 катушки индуктивности), так и о реальности многофазового процесса (см.с

₂

₁

П_S1-2

1

2

4

тр. 27) преобразования потока энергии, падающего на электрические и магнитные контуры.

В итоге представляется возможным сделать следующие фундаментальные выводы о наличии новых физических эффектов в распространении потоков ЭМ энергии, одному из которых автор присваивает именное название : 1. Потоки энергии передаются между электрическими цепями машин через свободное пространство и в форме излучения составных ЭМ полей. 2. На границах с магнитными цепями потоки энергии СЭМП проявляют свойст-ва преломления, отражения и соединения (" Эффекты Имярек " ) траекто-рии потока с поверхностью магнитной цепи (рисунок 10; участки № № 1- 4 ). 3. Соотношение между отклонённой частью потока энергии и его частью, проходящей в объём магнитного материала, зависит от соотношения магнит-ных параметров сред, и может быть охарактеризовано соответствующим “коэф-фициентом отражения потока энергии”: (46) К_э = П_о / П_п . 4. Исходя из общности законов распространения потоков энергии в электри-ческих и магнитных цепях, можно утверждать, что аналогичные по п.п. 2,3 свойства проявляются и для потоков энергии СЭМП на границе с электричес-кими цепями. Отметим, что свойства СЭМП по п.2 существенно глубже свойств каких-ли-бо других его аналогов, включая магнитные потоки, в части подобия с за-конами гидродинамики. В своё время аналогичные свойства последних позво- лили Максвеллу сделать качественную картину поведения потоков магнитно- го поля весьма эфективной основой ещё одной научной дисциплины -“магнито- гидродинамики” и учения электромагнетизма в целом. Соответствующее тер- минологическое обеспечение новой теории электричества и её раздела о по- токах энергии СЭМП включает аналогичное наименование “Энергогидродина-мика”. 3.2.3 Потоки мощности в силовом трансформаторе постоянного тока (СТПТ) Историческая справка. С момента возникновения практической электротех-ники , которым можно считать первое применение силового трансформатора в 1876 году для освещения Лувра свечами П.Н. Яблочкова, “трансформаторы с обмотками на постоянном токе” рассматривались лишь в качестве фантасти-ческой, хотя и весьма заманчивой задачии теории электрических машин [11]. Может быть, именно по этой причине к её решению и подступали не одни лишь изгои монопольной науки. Так, в научных кругах были известны попыт-ки решения её как академиком П. Л. Капицей, так и, уже в исторически не-давнее время - академиком Л-м , отказавшимся от оглашённой им в АН СССР широкой программы “решения проблемы СТПТ” после знакомства с циклом авторских свидетельств на уже созданные “частником” изобретения [1]. В противоположность финансовому госштурму задачи, автор строил свои исследования на базе научных принципиально новых представлений разра-ботанной им с начала 1971 года общей теории проектирования техники и вытекающего из неё универсального решения технических задач. Причём по-следнее исходит не из известных эмпирических аппроксимаций ТРИЗ или же чисто физических знаний академнауки, а из фундаментальных законов си-нергетики, как единой теории развития Мира и проектирования в нём сферы обитания цивилизации [4], предсказанных работами Габриэля Крона [16].

После публикаций авторских работ интерес к СТПТ со стороны научно-тех-нических центров возрос также и в связи с ужесточением известных требова-ний научно-технического прогресса и охраны окружающей среды: 1). Мобильным потребителям электроэнергии нового поколения оказались остро необходимы компактные трансформаторные преобразователи, принципи-ально преодолевающие границу роста по законам Видмара ( то есть – с резко улучшенными, в десятки и сотни раз массогабаритными показателями, с кар-динально иными факторами энергосбережения и экологии).

2). Новые высокие технологии требуют особо высокого качества электроэнер- гии большой мощности - быстродействующего управления её параметрами для поддержания необходимых характеристик технологического процесса.

Это относится как к сфере информационных технологий, особенно в реги-онах США, где по этой причине происходили крупные аварийные отключе-ния энергосистем, так и к сфере обработки материалов - к плазменной и элек-тродуговой сварке, напылению, электроприводу, гальванике и прч. Совмеще-ние же задачи повышения частоты преобразования для лучшего управления потоком технологической энергии и задачи повышения установленной мощ-ности источника питания снова выводит проблему проектирования последне-го на преодоление принципиальных запретов законов роста трансформатора по Видмару. 3). Созданы реальные предпосылки для комплексного сверхпроводящего ис-полнения узлов больших электроустановок на постоянном токе. Однако для трансфоматоров в составе этих узлов проблема не решается в принципе, так как состояние сверхпроводимости обмоток последних физически несовмести-мо с переменным характером силовых токов в них.

Как показали результаты проведённых исследований, СТПТ в принципе ре-шают перечисленные здесь проблемы (см. рисунок №11), и при этом компле-ментарны к тенденциям развития полупроводниковой техники, технологии и конструирования трансформаторных преобразователей. Более того, сама идея схемотехнического решения технических задач, на которой основано изобре- тение СТПТ , в цивилизационном плане бесспорно предпочтительнее, чем ре- шение их созданием новых материалов и новых элементов управления, так как ведёт к экономии трудовых, промышленных и природных ресурсов. В ка- честве примера скажу, что в 70-е годы СССР отставал от США по уровню полупроводниковой техники на 15-20 лет, однако схемотехнические решения в области магнитной записи поднимали соответствующие показатели запоми-нающих устройств на порядок выше зарубежных.

С хемотехника СТПТ. В плане схемотехники конструкцию СТПТ условно можно разделить на электромагнитную и электрическую части - на собственно трансформатор и на схему управления режимом его работы. В совокупности они представляют собой новую, ранее пустовавшую подобласть индуктивно-емкостного подобия и новый класс преобразователей, симметричный классу ем-костных делителей (умножителей) напряжения. Эти и другие аспекты тематики СТПТ будут освещены в последующих книгах настоящего проекта. U 110 кV 1 50 Hz

f 2

P 100кHz 3

100 MVA Рис. 11.

Символические области устойчивого функционирования (ОУФ): 1. Силовых низкочастотных трансформаторов переменного тока, 2. Высокочастотных трансформаторов переменного тока, 3. Силовых трансформаторов постоянного тока. Поверхность Видмара в форме гиперболоида представляет собой ОУФ традиционных трансформаторов переменного тока , а принципиальный

прорыв её преобразователями на базе СТПТ отражён условно кубической формой ОУФ последних ( на самом деле ОУФ СТПТ, поверхность имярек, в рамках существующей технической парадигмы принципиально ничем не ограничена).

Э лектрические и энергетические процессы в СТПТ. Рассмотрим модель потоков мощности в трансформаторе (Рис. 9) при условии обтекания его обмоток постоянными силовыми токами (47) ∆i₁^ʹ=0 и i₂^ʹ=0 1) 0 t u₁ ,u₂ 2) 0 ^t i_ 3) 0 ^t ∆i₁^ʹ,i₂^ʹ Рис. 12 при токе намагничивания i_ и напряжениях на первичной и на вторичной обмотках u₁ , u₂ , представленных знакопеременными функциями (Рис. 12). Поскольку электрическое и магнитное поля, формирующие поток вектора Пойнтинга между обмотками трансформатора, изменяются по тем же импульс-ным функциям, что и силовые токи и напряжения в обмотках трансформато-ра, то и поток электромагнитной энергии П , определяемый произведением П П_1-2 t 0

П_2-1 Рис. 13

знакопостоянного и знакопеременного векторов напряжённостей этих полей является знакопеременным, то есть - изменяет своё направление между об-мотками на противоположное на частоте изменения тока i_ (Рис. 13). Соответственно изменению направления потока энергии изменяется на про-тивоположное и функциональное назначение первичной и вторичной обмоток СТПТ – с приёмной на передающую и обратно. В классической теории транс- форматора подобные результаты попыток конструирования СТПТ порождали выводы об отсутствии физического смысла в переносе энергии между обмот- ками постоянного тока. Преодолеть соответствующий методологический порог позволила, как уже указывалось в вводной части книги, лишь информацион-но-энергетическая метатеория и дуалистический взгляд на процесс передачи- приёма потока энергии ( то есть - понимание его относительности и обрати-мости ). В рамках новой парадигмы казавшийся ранее бесполезным “эффект циркуляции энергии в замкнутом пространстве”, совершенно аналогичный эф- фекту бесконечной циркуляции энергии в пространстве постоянного магнита и стационарного электрического заряда нашёл прямое техническое примене- ние. Электрическая часть СТПТ на основе предложенной автором схемотехни-ки на каждом периоде изменения направленности потока энергии соответст- венно ей меняет подключение обмоток трансформатора к источнику и к на- грузке на обратное. В результате функционально первичная обмотка СТПТ всег-да подключена к источнику, а функционально вторичная обмотка – к нагрузке трансформатора. При этом необходимое значение коэффициента трансформации СТПТ обеспечивается набором соответствующих комбинаций последовательно или параллельно включённых секций обеих обмоток (по аналогии с включени-ем конденсаторов в емкостных умножителях напряжения). Как следствие такого подхода, кардинально разрешаются основные пробле- мы конструирования трансформаторов. Полностью прекращается максвелловс-кое излучение и потери Фуко через магнитные поля рассеивания силовых то-ков трансформатора, обеспечивается возможность сверхпроводящего исполне- ния силовых обмоток трансформатора с частотой преобразования (управления параметрами ) энергии на существующей элементной базе до 20 кГц и выше. Отсутствие реактивного сопротивления постоянному току делает возможным неограниченное повышение эффективности отвода тепла от обмоток и от маг- нитопровода трансформатора, перегрев которых в обычных трансформаторах и вызывал ограничение роста установленной мощности, частоты и напряже- ния по Видмару (Рис.1). Это достигается принципиально новым подходом в конструировании - увеличением каналов охлаждения между обмотками и маг-нитопроводом, что считалось ранее не менее как проектированием заведомо аварийного устройства. Возрастание энергии, накапливаемой в магнитных по- лях рассеивания силовых токов при этом впервые не вызывает пиковых вы- бросов напряжения на полупроводниковых переключателях преобразователя и завала фронтов импульсных напряжений на его обмотках (см. рисунок 12, ди- аграмма №1), а даёт эффект подавления коммутационных пульсаций на выходе СТПТ; паразитные индуктивности рассеивания трансформатора приобретают качество полезных фильтров преобразователя. Коэффициент полезного действия СТПТ за счёт этих улучшений структуры потерь энергии достигал в первых установках СТПТ значнения 98 % , что оказалось парадоксально выше луч-ших показателей как высокочастотных преобразователей (около 70 %), так и классических низкочастотных силовых трансформаторов. В свете этих результатов стало очевидным появление новых возможностей в проектировании преобразовательной и сверхпроводящей техники, объектов энергетики и электрического транспорта с резко улучшенными характеристи-ками на их основе. Так, плотность тока в обмотках СТПТ увеличилась в 40 раз по сравнению с ВЧ преобразователями, и приближается к плотности то-ка в сверхпроводниках, а удельный вес источника питания в целом достига-ет отметки 0,5 кг / кВА, что на порядок лучше, например, чем массогабарит-ный показатель мощных электродуговых сварочных аппаратов на ток 350 А при более высоком качестве сварного шва. Очевидно также, что и само оп-ределение трансформатора по ГОСТ ожидают качественные изменения, свя-занные с отказом от признака переменности силовых токов, либо - с введени-ем разных определений для классических трансформаторов переменного то-ка и для СТПТ .