Сверхпроводящий трансформатор почти своими руками

В недалёком 2016 году на одного молодого, но очень впечатлительного четверокурсника факультета энергетики оказала влияние статья, в которой автор весьма популярно показал что такое в день сегодняшний высокотемпературные сверхпроводники (далее ВТСП). Ослеплённый желанием оживить в своей душе довольно однообразную и предельно консервативную электроэнергетику, пробираясь сквозь пелену противоречий и острую нехватку финансов, молодой бакалавр вместе со своими коллегами всё же построил трансформатор с обмотками из высокотемпературного сверхпроводника.

Приятного чтения!

Зачем делать трансформаторы сверхпроводящими?

Нынешние продукты трансформаторостроения воистину достигли в некотором смысле идеала. Крупные силовые трансформаторы, те самые, которые стоят в кирпичных или железных трансформаторных подстанциях (ТП-ушках) у вас во дворе, а также более крупные представители имеют КПД порядка 99%. Огромное количество нормативных документов регулирует работу, диагностику, способ установки и создания таких трансформаторов, а на конференциях и выставках появляются всё новые и новые представители с инновационной гайкой в остове магнитопровода или революционным маслом с пониженной концентрацией растворённых в нём газов.


Типичный представитель силовых трансформаторов

И, казалось бы, куда нам невеждам лезть в эту отполированную до мелочей область инженерной мысли. Неужели лишние полпроцента КПД, которые могут дать сверхпроводящие обмотки трансформатора, стоят затрат и организации специального криогенного хозяйства, переобучения инженеров и переоборудования производства? Зачем изобретать велосипед? Первичный анализ показывает, что незачем. Однако позвольте мне привести один аргумент, который и стал причиной по которой впоследствии и стала возможна эта статья: «Что если велосипед будет противоаварийный?».

Преимущества трансформатора с ВТСП обмотками перед обычным:

— Практически полное отсутствие потерь энергии в обмотках (провода ведь сверхпроводящие, они не греются);
— Взрыво- и пожаробезопасность (жидкий азот, в отличие от трансформаторного масла, не выделяет взрывоопасных газов);
— Меньшая масса и габариты (плотность тока в сверхпроводящем проводе может в 10 раз превышать аналогичную в медном, при равном напряжении);
Возможность ограничивать токи короткого замыкания.

Несмотря на сильную составляющую первых трёх преимуществ, все они блекнут перед гнётом огромной цены, которую приходится платить за сверхпроводимость. Поэтому, боюсь коммерческий успех ВТСП трансформаторов может состояться, разве что в особо требовательных видах военной и космической техники или на особых по уровню пожаробезопасности объектах. Однако четвёртое свойство может резко изменить картину и лично мне уже оно одно кажется достаточным, чтобы не только обратить внимание на ВТСП парадигму, но и провести какие-нибудь исследования. Собственно что и сделали многие мои коллеги по всему миру, взять хотя бы работы [1-3].
В чём же тут фокус?

О физике токоограничения

В настоящий момент, говоря о ВТСП проводах в контексте электроэнергетики, мы почти всегда говорим о композитных ВТСП лентах на основе керамических соединений. Как видно из изображения ниже, сверхпроводник (слой YBCO) нанесённый на металлическую подложку, покрывается со всех сторон некоторым защитным слоем. Этим защитным слоем могут выступать некоторые металлы и их сплавы, например медь. Естественно эти материалы не обладают сверхпроводящими свойствами при температуре жидкого азота, а значит в случае, если сверхпроводимость по каким-то причинам у YBCO-керамики пропадает, то весь ток распараллеливается между этими слоями, сообразно их резистивному сопротивлению.


Всякий ток пропорционален напряжению, приложенному к данному сопротивлению, а значит, если вдруг откуда ни возьмись в цепи появилось сопротивление там где его раньше не было (сверхпроводимость разрушилась), то ток (при неизменном напряжении) уменьшится. Притом степень этого уменьшения зависит от сопротивления материалов окружающих, ВТСП-слой. Но как разрушить сверхпроводимость? Есть на самом деле 2 фундаментальных способа: поднять температуру свыше критической, при которой сверхпроводимость не может существовать или подействовать на ВТСП магнитным полем выше критического. Притом, если по сверхпроводнику протекает ток, то он также создаёт магнитное поле, которое старается проникнуть в этот сверхпроводник, и если ток создаёт слишком большое поле, то сверхпроводимость начинает постепенно разрушаться. Ток, при котором сверхпроводимость начала разрушаться, принято называть критическим.

Строим трансформатор!

Ну всё! Теперь, уверен, вы понимаете достаточно для того чтобы приступить к постройке трансформатора, и, поверьте, для меня это было действительно увлекательным путешествием, поскольку если намотка провода для обычного трансформатора (привет тем, кто мотал) представляет собой весьма скрупулёзное и довольно нудное дело, то у ВТСП трансформатора сложность вырастает в разы. Особенно, когда подобное устройство собирается из подручных материалов. Разбираемся почему!

Каркасы обмоток

Одним из серьёзных недостатков ВТСП трансформатора есть то, что сердечник не является и не может являться сверхпроводящим. Поэтому у нас есть два варианта как поступить, тепло- и гидроизолировать сердечник от обмоток, увеличивая расстояние между им и обмотками и уменьшая КПД, или засунуть сердечник в азот вместе с обмотками, создавая большой кипятильник для азота, поскольку потери на холостой ход трансформатора никуда не деть. Мы решили пойти по первому пути, сделав криостат в виде полого цилиндра. Для чего в качестве каркаса для вторичной обмотки (которая ближе к сердечнику) выбрали это:


Труба из полипропилена и бумага обёрточная подле неё

Труба внутренним диаметром 100 мм. из полипропилена является идеальным гидроизолятором, но не очень хорошим теплоизолятором. Более того некоторые виды пластика имеют свойство усаживаться при низких температурах, из-за чего обмотка намотанная непосредственно на такую трубу может быть деформированна вместе с трубой. Поэтому было принято решение дополнительно армировать данную трубу обмотав её поверх бумагой, пропитанной эпоксидной смолой. С бумагой проблем не возникло, такую в достатке можно раздобыть у выхода из различных (крупных) строительных магазинов (аля Леруа), там она бесплатная. С компаундом потяжелее. У нас не было опыта работы с самодельными текстолитами на основе бумаги, и мы не знали, как поведёт себя бумажно-пропитанный каркас при -196 градусов Цельсия. Посоветовались и решили взять первую попавшуюся эпоксидную смолу марки ЭД-20. При покупке смолы нас предупредили, что отвердитель (второй компонент, с которым смешивается смола, после чего затвердевает в ходе хим. реакции) срабатывает за 20 минут. Отчего сразу стало понятно, что медлить будет нельзя и пропитывать бумагу нужно будет быстро. Для этого верные соратники предстали в образе человеческого конвейера.


Импровизированный конвейер по пропитке бумаги эпоксидной смолой

Запах был, прямо скажем, не очень. А ещё берегите руки при работе с компаундами!


Процесс пропитки бумаги

Второй каркас (для наружной обмотки) делался уже по образу и подобию первого и прямо поверх него. Чтобы каркасы не слиплись, подложили немного случайного материала, который впоследствии можно было бы отодрать. В итоге получилось:


Готовые каркасы для обмоток

Резюмируя эту часть скажу, что более дешёвого способа сотворить два немагнитных, неметаллических, криостойких и достаточно прочных каркаса, наверное просто нету. Самый дорогой элемент в создании каркаса оказался конечно же компаунд ~500 р./кг., за ней следует ПП труба, ну а далее кисточки, перчатки — это опционально.

Обмотки

Пожалуй, центральным и самым дорогим элементом этой истории являются сами ВТСП обмотки. Причина, по которой в заголовке статьи присутствует слово «почти», это цена. 40 метров ВТСП ленты шириной 4 мм и толщиной 0,1 мм, с критическим током 80 А. было приобретено нами по цене 2500 р./метр. Понятно физ. лицо едва ли станет платить за подобное. Посмотрим же на их ослепительно дорогое величие.


Ослепительно дорогая часть описываемого проекта

Помимо дороговизны ВТСП лента ещё и очень прихотливый материал. Она не любит сильных перегревов (свыше 500 градусов), у неё большой предельный радиус изгиба (около 20 мм, при превышении начнётся деформация сверхпроводника), её также нельзя скручивать, мять, бить. Всё это превращает работу с ВТСП проводами в подобие ювелирного искусства. Как будем наматывать?

Честно говоря, способ намотки ленты на каркас выбран наверное самый примитивный. Лента покрывается повдоль с одной стороны каптоновым скотчем, а выступающие за пределы ленты края скотча приклеиваются вместе с лентой к каркасу. В результате в процессе намотки мы получаем два фактора, удерживающие обмотку на каркасе: адгезия скотча и поверхности текстолита и сила трения ленты о ту же поверхность. В итоге, на удивление, получилось довольно надёжно.

Каптоновый скотч выделен не случайно. Дело в том, что не каждый материал может быть надёжной изоляцией при низких температурах. Например, обычный скотч становится едва не стеклянным и усаживается. Изолента тоже усаживается. Электроизоляционные лаки трескаются (правда не все), ПВХ изоляция также усаживается. Каптоновый (или полиимидный) скотч ведёт себя крайне спокойно при низких температурах (равно как и при высоких), его традиционно и выбирают для ВТСП проводов, когда нужно сделать что-то «по-быстрому», хотя надо сказать он недешёвый по сравнению с обычным скотчем. Когда же нужно сделать что-то основательное, используют покрытие всё также на основе полиимида.


Процесс намотки наружной (первичной) обмотки

Мотали, собственно, трансформатор с числом витков 50:25, на практике получилось немного меньше, но не суть. Первичная обмотка (наружная) была однозаходная (одна спиралька по всей высоте), вторичная обмотка (внутренняя) была двухзаходная (две спиральки идут, чередуясь). Что собственно даёт критический ток первичной = 80 А и для вторичной 160А. Если учесть что сетевое напряжение (под которое делался трансформатор) = 220 В. То получается около 10 кВт передаваемой мощности практически без потерь, в довольно небольшом объёме. Итоги намотки:


Первичная (слева) и вторичная (справа) обмотки ВТСП трансформатора

Пайка

Мы добрались до самого нервного процесса в изготовлении трансформатора. Как было сказано выше, сверхпроводник не любитель высоких температур. Когда мы говорим о медном проводе, способном длительно нести 60-80 Ампер не особо перегреваясь, то мы имеем ввиду сечения 16 или 25 мм^2. Это довольно массивные и непослушные провода, которым тяжело придать нужную изящную форму для удобного спаивания с 4 миллиметровой ВТСП лентой. Если брать достаточно мощный паяльник и незатейливый припой, то можно перегреть ленту. Поэтому лучше взять Индий-Оловянный припой с температурой плавления ~103 град. С. А ещё лучше растопить его в паяльной ванне, покрыть ленту и провод паяльной кислотой и получить сказочный отблеск самообожания от хорошо проделанной работы в отражении горячего металла.

Нюанс. Токовые контакты лучше припаивать, не жалея площади ленты, для лучшего токоввода. Мы брали 3 см. ленты по поверхность касания с токовым контактом, но можно и больше. Контакты напряжения мы удалили от токовых на несколько сантиметров, чтобы не мерить падение напряжения на точке контакта, а непосредственно на обмотке. К сожалению, сохранилось только фото финала этого действа.


Обмотки с контактами

Криостат

Финальная и самая кустарная часть нашего производства. Криостат выполнялся из пенопласта и акрилового герметика. И всё. К сожалению, не каждая марка пенопласта подойдёт. Пенопласт с крупными гранулами при попадании на него азота немедленно самоуничтожится с треском и грохотом.


Неправильный пенопласт (слева) и правильный пенопласт (справа)

Что же до герметика, то, кроме шуток, взяли самый дешёвый из тех, что был. Не знаю, в чём тут фокус. Главное, чтобы герметик был именно акрилловый, а не силиконовый, ибо последний (как нас заверили в магазине) может разъесть пенопласт.

Криостат был сборным, вырезались квадраты с круглыми отверстиями, такими, чтобы вся конструкция в итоге уместилась внутри, при этом снаружи криостата торчала труба, в которую в будущем предполагается поместить магнитопровод. Иначе говоря:


Сборный криостат

Как видно на фото, стыки всей этой конструкции жирно промазывались и пропитывались герметиком. На руку нам то, что герметик застывая при азоте, на ощупь напоминает сильно густой сыр, и выполняет свои функции крайне здорово. На последнем этапе, под трубу-каркас вырезается специальное дно, на которое он устанавливается и, наконец, вся эта конструкция собирается в единый ВТСП трансформатор.


ВТСП трансформатор

В итоге мы получили:

ВТСПТ-10000, 220/110 В, 50/100 А, ОХЛ

Пояснение
ВТСП Т — последняя буква означает трансформатор
10000 — мощность в ВА
220/100 — номинальные напряжения первичной/вторичной обмоток
50/100 — номинальные токи первичной/вторичной обмоток
ОХЛ — работа при очень холодных условиях

Эксперименты

Думаю, каждый экспериментатор хотя бы раз испытывал эту смесь трепета и безжалостности с которой он подвергал мучениям своего «новоиспеченного зверя». Конечно ВТСП трансформатор был создан для того, чтобы быть испепелённым. Однако испепелять мы его будем осторожно — по научному.

Здесь же я покажу главный опыт, ради которого и делался трансформатор. Замкнём накоротко вторичную обмотку и с помощью выключателя подадим на первичную обмотку напряжение от сети (220 В). Поскольку сопротивления первичной обмотки и магнитно связанной с ней (через воздух) вторичной обмотки малы, то в цепях будут протекать достаточно большие токи. Эти токи будут превышать критический уровень в 80 А и, следовательно, разрушать сверхпроводимость, из-за чего ВТСП обмотка начнёт постепенно обретать конечное электрическое сопротивление, что в свою очередь вызовет ограничение тока. Что мы зафиксируем в виде искажённой синусоиды тока. И появления на осциллограмме напряжения некоторых конечных значений (вместо нулевых в нормальном режиме). Измерения будут проходить с помощью неожиданного для данного опыта устройства: анализатора качества электроэнергии. Неожиданный он потому, что частота дискретизации данного устройства в режиме осциллографа оставляет желать лучшего. Но что поделать. Тем не менее давайте взглянем на качественную картину происходящего.


Осциллограммы токов (точки на графиках соответствуют реальным снятым данным)

На осциллограммах слева (для сравнения) приведён режим короткого замыкания в случае, если не заливать трансформатор жидким азотом: мы видим слегка искажённую, но спокойную синусоиду тока короткого замыкания, который спустя период (на рисунке приведено полпериода) отключается автоматическим выключателем. Справа приведён режим короткого замыкания если криостат предварительно заполнен жидким азотом: мы видим сильный начальный рост тока, который постепенно (уже начиная со 150 А) загибается под действием прирастающего сопротивления. Однако из-за большего значения тока короткого замыкания автоматический выключатель срабатывает уже на первом полупериоде.

Увы пока довольствуемся лишь этими качественными результатами, но в скором времени обязательно сделаем много других.

Заключение

Конечно, ВТСП трансформатор оставляет после себя уйму противоречий. Эти противоречия проявляются даже в кустарном способе изготовления такого непростого устройства. Чего говорить о реальных действующих образцах, с которыми вы можете ознакомиться по [1,3]. Реальная ВТСП электроэнергетика далеко ускакала вперёд с разработками кабелей и токоограничителей, претерпевая трудности даже в этих более развитых её подразделениях. С ними довольно популярно можно ознакомиться не покидая этот сайт, например здесь.

Тем не менее, сколь противоречива бы ни была эта область инженерного знания, прав в конечном итоге останется тот, кто свою правоту сможет обосновать, так что будем стараться.

И в любом случае, это жутко интересно!

Благодарю за внимание!
Искренне Ваш DOK.


Также выражаю благодарности:

Высоцкому Виталию Сергеевичу и команде ВНИИКП за помощь и консультирование в этом нелёгком пути.
Павлюченко Дмитрию Анатольевичу за гигантскую поддержку и желание развивать это направление с нуля!

Литература
1. Dai S. et al. Development of a 1250-kVA superconducting transformer and its demonstration at the superconducting substation //IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2016. – Т. 26. – №. 1. – С. 1-7.
2. Манусов В. З., Александров Н. В. Ограничение токов короткого замыкания с помощью трансформаторов с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками //Известия Томского политехнического университета. – 2013. – Т. 323. – №. 4.
3. Lapthorn A. C. et al. HTS transformer: Construction details, test results, and noted failure mechanisms //IEEE Transactions on Power Delivery. – 2011. – Т. 26. – №. 1. – С. 394-399.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 75
  • +5
    Жирно. (это комплимент)
    Но нужно взрывающийся вертолёт больше опытов. Надеюсь, что будет вторая серия.
    • +4
      Не подскажете, где брали ВТСП ленту по цене 2500 р./метр? Это, я бы сказал, по божески.
      • +1
        Купили у компании СуперОкс, а было это летом 2017 года.
        • +6
          Ох уж эта привычка сделать навороченный сайт, лендинги-фигендинги и при этом не выложить прайс. Я вот до сего момента думал что метр супероксовской ВТСП ленты до сих пор стоит овер 7000 рублей. А 40 метров — это минимальный «размер партии» который у них можно купить или можно и метров 10? И вообще если не сложно расскажите как вы напрямую купили, просто взяли, пришли и купили или у вас какие то подвязки есть?

          PS Посмотрел что вы из Новосибирска, можно тогда еще вопрос доставки в регионы осветить? Доставку тоже СуперОкс организовали?
          • 0
            На самом деле до описываемого изделия были и другие мелкие эксперименты с маленькими катушками и прямыми кусками ленты. Наш первый заказ у компании SuperOx (в 2016 году) составлял всего 6м, что согласитесь не очень много. Для оформления заказа, мы связывались с ними по почте, а доставляют ленту в обычных катушках (как на фото в статье, где две катушки рядом), посылкой. Например, сервисом DHL.
            • 0
              А почему нужно 50 и 25 витков, а не 5 и 10? КПД сверхпроводящей обмотки падает?
              • 0
                Для увеличения коэффициента связи. Обратите внимание, он воздушный, ферромагнитного сердечника нет, и плотность энергии магнитного поля из-за этого мала. Приходится увеличивать размер вторички, чтобы «поймать» больше энергии. При заданном коэффициенте трансформации это же приводит к росту размера первички.
                • 0
                  О, здесь бы пригодился сверхпроводящий магнитопровод.
                  • 0
                    Мне кажется, или напротив, чем меньше сопротивление магнитопровода, тем больше в нём потерь (токи Фуко)?
                    • 0
                      О, нужен диэлектрический сверхмагнитопровод.
                  • 0
                    О, вот оно что, а я завис на отсутствии сердечника.
                    Что-то не соображу, а если его установить? Ну, скажем, из мягкой (отожжёной) железной проволоки с каптоновым скотчем набить?
        • 0
          Как часто трансформатор надо перезаряжать жидким азотом? Возможно ли в принципе изготовить такую теплоизоляцию, чтобы его хотя бы на год хватало?
          • +2
            С таким пенопластовым криостатом (откровенно не очень) азот выкипит минут за 20. В будущем конечно будем утеплять его. А вообще в реальных промышленных изделиях предпочитают приставлять к ВТСП оборудованию криокулер. Он и будет доохлаждать до нужной температуры (правда потребляет энергию).
            • 0
              Какова типичная мощность такого криокулера в МРТ, например?
              • 0
                И какова она в токоограничителе? Как я понял, трансформаторы такие (пока) в продакшене не применяют, а токоограничители — уже коммерческие изделия.
                • 0
                  Всё верно, трансформаторы на сегодня пока в стадии прототипного изготовления и испытаний в сети. По последнему могу посоветовать почитать статью про китайскую сверхпроводящую подстанцию:
                  Xiao L. et al. Development of the world's first HTS power substation //IEEE Transactions on applied superconductivity. – 2012. – Т. 22. – №. 3. – С. 5000104-5000104.
                • +1
                  Затрудняюсь ответить, поскольку насколько мне известно, в МРТ применяют жидкий гелий. Это связано с тем, что в МРТ требуются сильные поля, которые при азотных температурах зачастую просто не получить. Знаю только, что получение жидкого гелия в тысячи раз дороже жидкого азота.
                  • 0

                    Порядка единиц (1.5) Вт при 4 K (https://ws680.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=901013 — Fig.2 "MRI"; Gifford-McMahon; http://www.shicryogenics.com/products/4k-cryocoolers/ "RDK-408D2 are the standard for MRI… 2nd Stage Capacity 1.0 W @ 4.2 K… 1st Stage Capacity 40-50 W @ 43 K"; https://cryocoolerorg.wildapricot.org/resources/Documents/C16/009.pdf).


                    Электропитание МРТ-установки (SKYRA — http://mriquestions.com/uploads/3/4/5/7/34572113/skyra_planning_guide.pdf) — standby 7.2 kVA, highest average — 56 kVa, momentary 140 kVa. Требования к охлаждающей воде: отведение 200 тыс BTU в час (непрерывно-круглосуточно, холодопроизводительность ~60 кВт, чиллер на полтонны-тонну).


                    См.также https://geektimes.ru/post/291135/ Разбираем магнитно-резонансный томограф Astrei 17 июля 2017

              • +5
                Для меня недавно стало некоторым откровением, что под названием «эпоксидная смола» скрывается огромный ассортимент очень разных по свойствам материалов. Причем ЭДП и ЭД-20 практически худшие по всем характеристикам.
                • +9
                  Гайд дадите по смолам? Офигенно актуальная информация для многих. Ну или в виде поста.
                  • 0
                    Я не то что бы дофига смол перепробовал, но когда искал смолу мне порекомендовали вот эту: Unsaturated polyester resin NORSODYNE O 12335 AL с отвердителем CUROX M-302.
                    Очень доволен, она супер прозрачная, довольно быстро застывает и очень твёрдая в итоге.
                    • 0
                      Вообще-то «Polyester resin» переводится как полиэфирная смола. Полиэфирка и эпоксидка — две сильно разные вещи. Это как известное «лучший из солидолов- литол», а «люминий — самый легкий из железов».
                      • 0
                        Ну, сфера применения же не указана, я подумал, что вдруг мой опыт работы с полиэфиркой тоже окажется полезен. Ну а нет, так нет.
                    • +1
                      Гайда сходу не нашлось, но лично мне удалось очень сильно качнуть знания про различные эпоксидки, читая форум «Катера и Яхты». Там все — от методик работы до реальных отзывов по качеству. Но надо читать сообщения, никто не собрал их в один титанический гайд.
                  • –5
                    А вы проверяли, действительно ли трансформатор со сверхпроводящими обмотками может трансформировать постоянку?
                    • +7
                      А откуда вообще такое утверждение взялось? Может, я совсем забыл теорию электротехники, но источником наведения тока во вторичной обмотке является не само магнитное поле, а изменение его интенсивности, и проводимость обмоток на это влиять не должна никак.
                      • 0
                        Похоже, разобрался сам. Если вторичная обмотка сверхпроводникового трансформатора нагружена на что-нибудь несверхпроводящее — трансформация постоянки невозможна, как и в обычном трансформаторе. Если же вторичная обмотка замкнута накоротко, и в её цепи нет несверхпроводящих участков — другое дело. Так?
                        • +1

                          Передача постоянного тока не возможна потому что магнитопровод насытится на миллисекунды и превратится в "воздух". Обмотки не причем вообще

                          • 0
                            Но если набрать «сверхпроводниковый трансформатор постоянного тока», находятся и ресурсы, принадлежащие отнюдь не фрикам. В чём подвох?
                            • +1
                              Ну, если набрать «скачать без регистрации бесплатно», можно тоже найти множество ресурсов разной степени солидности. :) Собственно, я и задал вопрос насчёт источника утверждения; дадите ссылку на ресурс с объяснением — можно будет обсуждать.
                              • 0

                                Не знаю ответа на этот вопрос. Но передача энергии в трансформаторе возможна лишь на изменяющемся токе->изменяющемся магнитном потоке в сердечнике (если он есть). На постояннке ток не может расти бесконечно, наступит насыщение сердечника и будет просто ещё, следовательно ток надо поворачивать в другую сторону с той или иной частотой. Если сердечника нет ток просто будет расти на несколько порядков быстрее, станет чрезмерным, появится дым и искры. В импульсных преобразователях используют инвертор тока (полуось например) или размагничивают магнитопровод в течении части периода. Или же используют накопительный трансформатор, он же многообмоточный дроссель (обратного вылета преобразователь), а нем ток имеет ее более ярковыраженную пилообразный форму

                                • 0

                                  Значит всё-таки фрикам. Трансформатор связывает своим коэфициэнтом напряжения на обмотках. Если обмотки геометрически примерно одинаковы то это — строгое соотношение, следует напрямую из уравнений Максвелла и не зависит от постоянного/переменного тока. Да, там может быть и постоянное напряжение, но оно в итоге скорее всего окажется равным нулю, почему — см. ниже.
                                  С током же всё сложнее — часть входного тока потребляется на поддержание тока нагрузки во вторичной обмотке, часть — на поддержку напряжений в обеих обмотках. Вторая составляющая — источник потерь, её стараются уменьшать. Меньше всего она получается при синусоидальном переменном токе большой частоты, с большими (по числу витков) обмотками. С постоянным током она будет не просто большая — она будет линейно и быстро расти до тех пор, пока ваш источник входного тока сможет держать этот ток, и закончится всё по сути коротким замыканием.


                                  Если же вторичная обмотка замкнута накоротко, и в её цепи нет несверхпроводящих участков — другое дело. Так?

                                  Тогда тоже будет короткое замыкание, но сразу. Такая вторичная обмотка не сможет принять напряжение, соответственно и трансформатор его потреблять не будет и превратится в нагрузку сопротивлением 0 ом.

                                  • 0
                                    То же самое возникает, если вторичной обмотки совсем нет, правильно?
                                    Вопрос: как тогда запитать сверхпроводящий соленоид? По описаниям «на пальцах» там на входе есть перемычка, которая изначально не сверхпроводящая (температура выше критической). Затем на обмотку подается ток, а перемычка охлаждается, после чего ток уже идет по замкнутому контуру соленоида, а источник тока отключается. Вот как это провернуть, если нагрузка (соленоид) имеет сопротивление =0. Что использовать в качестве источника тока, чтобы оно могло работать в режиме КЗ (и только в нем, хоть и непродолжительное время, но на нехилых токах)?
                                  • 0

                                    в описании изобретения "трансформатор постоянного тока" есть фраза, что это трансформаторы постоянного тока, но работают от изменения тока в проводнике, вот как это понять?

                                    • 0
                                      От включения и отключения через четверть периода.
                                      • 0
                                        Это означает, что ток постоянен по напряжению — но меняется по величине. Импульсный ток, к примеру. Трансформатор будет работать. Любой, не только сверхпроводящий.
                                  • +2
                                    Если короткозамкнутая сверхпроводящая обмотка «накачана» энергией, получается постоянно работающий (разумеется, пока находится в состоянии сверхпроводимости) электромагнит. Собственно, этот принцип используется в магниторезонансных томографах: через сверхпроводящую обмотку пропускают ток до достижения нужной интенсивности магнитного поля и сразу же после «накачки» замыкают её накоротко. Это ни разу не трансформация постоянного напряжения, т. к. нет изменения интенсивности магнитного поля.
                                    • +1

                                      Кстати, в трансформаторе признаком того что он трансформатор является постоянство магнитного потока сердечника. Обратноходовый трансформатор, работающий на накоплении энергии не является настоящим трансформатором, это дроссель, ведь в нем каждый период меняется поток

                                      • 0

                                        Этот принцип также используется в сверхпроводящих индуктивных накопителях энергии (СПИН/SMES).

                                        • 0
                                          Вот, видимо это явление популяризаторы-упростители и обзывают «трансформацией постоянного тока». Тогда всё понятно.
                                          • 0

                                            Замыкают ли? Когда я спрашивал о том, как туда накачивают энергию, мне говорили о второй обмотке, которая накачивает всегда замкнутую сверхпроводящую.

                                            • 0
                                              Вот ссылка на статью и комментарий-пояснение от специалиста-ремонтника томографов: geektimes.ru/post/291135/#comment_10197631. Возможно, в других аппаратах что-то как-то иначе делают.
                                              • 0
                                                О! Спасибо, вот это я пропустил, когда читал ту статью. Изящно.
                                    • +4
                                      А где грязные подробности и фото/видео работы в жидком азоте? Это же самое интересное!
                                      • +6
                                        Ну если только очень грязные…

                                      • +1
                                        Поэтому, боюсь коммерческий успех ВТСП трансформаторов может состояться, разве что в особо требовательных видах военной и космической техники или на особых по уровню пожаробезопасности объектах.

                                        Еще может быть вполне применимо в центре крупного города, где места мало, а потребителей хватает.

                                        Оффтоп. Что за ссылка на сайте у Fluke, что это за смешение стилей, как до такого вообще дойти можно было: fluke.com/fluke/ruru/analizatorы-ka4estva-эnergosnabjeniq/trehfaznыi/fluke-435-series-ii.htm
                                        • +2

                                          Очень интересно было почитать. Но есть и замечания
                                          То что первичная и вторичная обмотка разделены каркасом, соответственно с большим зазором между ними очевидно ухудшает связь обмоток и противоречит правилам конструирования трансформаторов я могу понять. Веди обмотки надо омывать азотом, их проще мотать и вставлять в конструкцию по одной.
                                          Но вообще не понимаю как это может работать в сети 220 В да ещё 50 Гц. Первичка 50 витков, какая у нее индуктивность страшно представить, навскидку килогерц на 50-100 будет работать, но не на 50 Гц. Иначе ток ХХ будет дикий, потери в железе тоже соответственно.
                                          Магнитопровод вообще непонятно какой планируется. Вероятно ещё не дошло дело до него? Заявлены цифры в киловатты, переварить их может не каждый кусок железа, не говоря о том что он должен быть беззорный (замкнутый), иметь хорошую связь с обмотками и быть неизвестной конструкции.
                                          Почему бы не взять кольцо из разряда аморфных, нанокристаллические и подобных материалов с высокой магнитной проницаемостью, уменьшив холостой ход и потери в магнитопроводе и спокойно полоскать его в азоте? Мне представляется что при таком подходе он хотя бы будет работать, а не "гудеть на все входящие 220"

                                          • 0
                                            Индуктивность таки зависит не только от длины проводника. Да и ориентировался народ исходно на большие первичные токи — явно не бытовые. А там — почему бы и не 50 витков?
                                            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                              • 0

                                                Она зависит от количества витков, длинна тут не сильно важна. Ещё индуктивность определяется мегнитной проницаемостью сердечника. Максимальную проницаемость кстати имеет замкнутый сердечник.
                                                Индуктивность первички влияет не на первичные токи, а на потери хх, перемагничивание и тп. Если трансформатор имеет ток ХХ много ампер серлечник будет кипеть и никакая сверхпроводимость не поможет

                                              • 0
                                                Благодарю Вас за замечания! Когда вообще планировалось делать свой трансформатор, вдохновлялись прежде всего вот этой статьёй:

                                                Wojtasiewicz G. Fault Current Limitation by 2G HTS Superconducting Transformer-Experimental Investigation //Acta Physica Polonica A. – 2016. – Т. 130. – №. 2. – С. 516-520.

                                                Соответственно старались и сечение МП подобрать близкое к тому о чём говорилось в статье. Заявленные 10 кВА действительно носят идеалистический характер (если бы магнитопровод был идеальный), пока дело не дошло до сердечника. Благо конструкция разборная и с МП действительно можно будет поиграться. Аморфная сталь? Почему бы нет!
                                              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                • 0
                                                  Сердечник вскоре сделаем. С количеством витков всё куда прозаичнее. Было 40 метров ленты, нужно было получить трансформатор. Вот и получили. Впрочем, мы изначально делали образец с целью максимально замучить его экспериментами, так что думаю вскоре мы узнаем какое там напряжение получилось на виток.
                                                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                                • 0
                                                  Классная статья. Но в пенопласте можно было струной или фрезером отверстия сделать. Плюс окончательную подрезку в размер криостата после склейки делать. Смотрелось бы аккуратнее.
                                                  • 0
                                                    Скажу вам более того, при первой заливке азотом, криостат потёк! Благо быстро заделали и хоть что-то успели померить. В будущем конечно будем переделывать. Не такая дорогая вещь.
                                                    • 0
                                                      экструдированный пенополиуретан (XPS), а судя по картинке использовался именно он, я клеил вот такими промышленным клеем — SOUDAL PUROKOL. Штука редкая, но найти можно, например тут germostroy.ru/catalog/purocol
                                                      У них большой ассортимент редких клеев и не только.
                                                      Нужно только учитывать, что клей при схватывании этот клей немножко расширяется.
                                                      • 0

                                                        XPS — это вспененный полистирол.

                                                        • 0
                                                          нет.
                                                          Expanded polystyrene (EPS)
                                                          Extruded polystyrene (XPS)
                                                  • 0
                                                    Мне кажется, те же самые результаты вы получите и без вторичной обмотки. Без магнитопровода у вас получилась слишком маленькая связь между катушками.
                                                    • 0
                                                      тогда интересно насколько отличается график без закорачивания вторичной. Может, это уже первичная вот таким образом работает на 50Hz из-за недостаточной индуктивности?
                                                      • 0

                                                        Попытался, исходя из описания и фотографий, прикинуть индуктивность первичной катушки — получилось около 130 мкГн (47 витков, диаметр 130 мм, длина намотки 240 мм). Что уже дает десятки килоампер при сетевом напряжении 230 В с частотой 50 Гц.

                                                        • 0

                                                          Выше не совсем верный скрин. Вернее, он верный если стартовать именно с перехода через ноль, но через некоторое время (около 10 минут по симуляции) синусоида тока опускается к нулю. Вот так выглядит устаканившийся процесс:


                                                          Не десятки, а единицы килоампер :)

                                                          • 0

                                                            Можно просто разделить 230 на (314*0.00013) ;-)))

                                                            • 0

                                                              Так не интересно :))

                                                              • 0
                                                                Моделировать переходный процесс в цепи с бесконечной постоянной времени, конечно, увлекательно, но не слишком целесообразно, тем более Вас интересует установившийся режим :-)
                                                                Затухание в вашей модели обусловлено либо некоторым сопротивлением источника, либо тем, что симулятор принудительно добавил к индуктивности некоторое активное сопротивление (LTspice, например, норовит 1 мОм добавить). По мне, так ввести:
                                                                .ac 50
                                                                v1 1 0 230 0
                                                                pa 1 2
                                                                l1 2 0 130u
                                                                .end


                                                                и сразу получить
                                                                PA1: 5631.636448 А
                                                                интереснее :-)
                                                                • 0

                                                                  К сожалению, я очень плохо владею макросами в симуляторе :) Активное сопротивление MicroCap вроде бы не добавляет, по крайней мере значимое. Я просто чуть сдвинул фазу напряжения, чтобы получить практически сразу установившийся режим.

                                                                  • 0
                                                                    Это не макрос MicroCap, я просто для себя сделал в виде веб-приложения симулятор линейных цепей постоянного и синусоидального тока, это описание рассматриваемой схемы в этом симуляторе.
                                                                    • +2

                                                                      Ну вот, я настолько плохо знаю макросы, что даже не понял, что приведенный фрагмент — не макрос :))

                                                    • 0

                                                      Подключите первичную обмотку на сетевое напряжение, вторичную разомкните, замерьте ток и разделите 700 на силу тока в амперах, получите индуктивность первичной обмотки в миллигенри. Затем повторите со вторичной то же самое (он хоть и понижающий, но насыщаться там нечему, поэтому можно). Интересно узнать эти значения.

                                                      • 0

                                                        Можно просто измерить индуктивность прибором :)

                                                    • 0
                                                      «В переменном электрическом поле сопротивление сверхпроводника отлично от нуля и растёт с увеличением частоты поля.»

                                                      И какой кпд получился в итоге?
                                                      • 0
                                                        реактивное сопротивление что ли?

                                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                      Самое читаемое