DIY المحولات فائقة التوصيل

في عام 2016 تقريبًا ، تأثر أحد طلاب كلية الطاقة من الشباب ، ولكن المثير للإعجاب جدًا في السنة الرابعة ، بمقال أظهر المؤلف فيه بشعبية كبيرة ما هي الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (المشار إليها فيما يلي باسم HTSC). أعماه الرغبة في إحياء صناعة الطاقة الكهربائية الرتيبة والمحافظة للغاية إلى حد ما ، وشق طريقه عبر حجاب التناقضات والافتقار الحاد إلى التمويل ، بنى العازب الشاب وزملاؤه مع ذلك محولات مع لفائف من موصل فائق عالي الحرارة.

هل لديك قراءة لطيفة!

لماذا تجعل المحولات فائقة التوصيل؟

لقد حققت المنتجات الحالية لبناء المحولات ، إلى حد ما ، فكرة مثالية. محولات الطاقة الكبيرة ، نفس المحولات الموجودة في المحطات الفرعية للطوب أو الحديد (TP-ears) في الفناء الخاص بك ، بالإضافة إلى الممثلين الأكبر حجما بكفاءة تبلغ حوالي 99 ٪. ينظم عدد كبير من الوثائق التنظيمية التشغيل والتشخيص وطريقة التركيب وإنشاء مثل هذه المحولات ، وفي المؤتمرات والمعارض ، هناك المزيد والمزيد من الممثلين مع صمولة مبتكرة في قلب الدائرة المغناطيسية أو الزيت الثوري مع انخفاض تركيز الغازات المذابة فيه.


ممثل محول الطاقة النموذجي

ويبدو ، حيث نتسلل جاهلًا إلى هذا المجال الهندسي المصقول إلى أدق التفاصيل. هل الكفاءة الإضافية بنصف في المائة التي يمكن أن توفرها اللفات فائقة التوصيل للمحول تكلفتها وتنظيم اقتصاد خاص خاص بالتبريد وإعادة تدريب المهندسين وإعادة تجهيز الإنتاج؟ لماذا إعادة اختراع العجلة؟ يظهر التحليل الأولي أنه لا توجد حاجة. ومع ذلك ، دعوني أقدم لكم حجة واحدة ، والتي أصبحت السبب في أن هذه المقالة أصبحت ممكنة في وقت لاحق: "ماذا لو كانت الدراجة ستكون حالة طوارئ؟".

مزايا المحولات مع اللفات HTSC على التقليدية:

- الغياب شبه الكامل لفقد الطاقة في اللفات (الأسلاك فائقة التوصيل ، لا تسخن) ؛
- الانفجار والسلامة من الحرائق (النيتروجين السائل ، على عكس زيت المحولات ، لا ينبعث منه غازات متفجرة) ؛
- وزن وأبعاد أقل (كثافة التيار في سلك فائق التوصيل يمكن أن تكون أعلى بعشر مرات من النحاس ، مع جهد متساو) ؛
- القدرة على الحد من تيارات الدائرة القصيرة .

على الرغم من المكون القوي للمزايا الثلاث الأولى ، إلا أنها تتلاشى قبل نير السعر الضخم الذي يجب دفعه مقابل الموصلية الفائقة. لذلك ، أخشى أن النجاح التجاري لمحولات HTSC يمكن أن يحدث ، إلا في أنواع تتطلب بشكل خاص من التكنولوجيا العسكرية والفضائية أو في مرافق خاصة من حيث السلامة من الحرائق. ومع ذلك ، فإن الخاصية الرابعة يمكن أن تغير الصورة بشكل كبير ، وبالنسبة لي شخصياً ، يبدو أنها وحدها كافية ليس فقط لفت الانتباه إلى نموذج HTSC ، ولكن أيضًا لإجراء بعض الأبحاث. في الواقع ، كما فعل العديد من زملائي في جميع أنحاء العالم ، يأخذون أعمالًا على الأقل [1-3].
ما هي الحيلة هنا؟

حول الفيزياء الحد الحالي

في الوقت الحالي ، عند الحديث عن أسلاك HTSC في سياق صناعة الطاقة الكهربائية ، نتحدث دائمًا تقريبًا عن أشرطة HTSC المركبة القائمة على مركبات السيراميك. كما يتبين من الصورة أدناه ، يتم تغطية الموصل الفائق (طبقة YBCO) المودعة على ركيزة معدنية من جميع الجوانب بواسطة طبقة واقية. قد تعمل بعض المعادن وسبائكها ، مثل النحاس ، كطبقة واقية. بطبيعة الحال ، لا تمتلك هذه المواد خصائص فائقة التوصيل في درجة حرارة النيتروجين السائل ، مما يعني أنه إذا اختفت الموصلية الفائقة لسبب ما في سيراميك YBCO ، فإن كل التيار متوازي بين هذه الطبقات ، وفقًا لمقاومتها المقاومة.


يتناسب أي تيار مع الجهد المطبق على مقاومة معينة ، مما يعني أنه إذا فجأة ، من العدم ، تظهر مقاومة في دائرة لم تكن موجودة فيها من قبل (انهارت الموصلية الفائقة) ، ثم ينخفض ​​التيار (بجهد ثابت). علاوة على ذلك ، تعتمد درجة هذا الانخفاض على مقاومة المواد المحيطة ، طبقة HTSC. لكن كيف تدمر الموصلية الفائقة؟ هناك في الواقع طريقتان أساسيتان: رفع درجة الحرارة فوق الحرجة ، حيث لا يمكن أن توجد موصلية فائقة أو تعمل على مجال مغناطيسي HTSC فوق المجال الحرج. علاوة على ذلك ، إذا كان التيار يتدفق عبر الموصل الفائق ، فإنه يخلق أيضًا مجالًا مغناطيسيًا ، والذي يحاول اختراق هذا الموصل الفائق ، وإذا كان التيار يخلق مجالًا كبيرًا جدًا ، فإن الموصلية الفائقة تبدأ في الانهيار تدريجيًا . يسمى التيار الذي تبدأ فيه الموصلية الفائقة بالانهيار الحرج .

نحن نبني محول!

حسنًا ، هذا كل شيء! الآن ، أنا متأكد من أنك تفهم ما يكفي لبدء بناء محول ، وصدقوني ، لقد كانت رحلة مثيرة حقًا بالنسبة لي ، لأنه إذا كان لف سلك محول تقليدي (مرحبًا بأولئك الذين جرحوه) أمرًا دقيقًا ومملًا إلى حد ما ، ثم مع محول HTSC ، يزداد التعقيد في بعض الأحيان. خاصة عندما يتم تجميع هذا الجهاز من مواد مرتجلة. نحن نفهم لماذا!

إطارات متعرجة

أحد العوائق الخطيرة لمحول HTSC هو أن القلب ليس ولا يمكن أن يكون فائق التوصيل. لذلك ، لدينا خياران لما يجب فعله ، تسخين وصدم النواة من اللفات ، وزيادة المسافة بينها وبين اللفات وتقليل الكفاءة ، أو دفع النواة في النيتروجين مع اللفات ، وخلق مرجل كبير للنيتروجين ، لأن فقدان المحول الخامل للقيام بذلك. قررنا أن نسير في الطريق الأول ، صنع جهاز تبريد في شكل أسطوانة مجوفة. لماذا اختاروا هذا كإطار للملف الثانوي (الأقرب إلى القلب):


أنابيب البولي بروبلين وورق التغليف بجواره

أنبوب بقطر داخلي 100 مم. مصنوع من مادة البولي بروبيلين وهو عامل مانع لتسرب المياه مثالي ، ولكنه ليس عازلًا حراريًا جيدًا جدًا. علاوة على ذلك ، تميل بعض أنواع البلاستيك إلى الانكماش عند درجات حرارة منخفضة ، مما يؤدي إلى تشوه الجرح المتعرج مباشرة على هذا الأنبوب مع الأنبوب. لذلك ، تقرر أيضًا تعزيز هذا الأنبوب عن طريق لفه على ورق مشرب براتنج الإيبوكسي. لم تكن هناك مشاكل مع الورق ، يمكنك الحصول على واحد بكثرة عند الخروج من متاجر البناء (الكبيرة) المختلفة (ala Leroy) ، حيث تكون مجانية. مركب أصعب. لم تكن لدينا خبرة في العمل مع المنسوجات الورقية المصنوعة في المنزل ، ولم نكن نعرف كيف سيتصرف الإطار المشبع بالورق عند -196 درجة مئوية. استشرنا وقررنا أخذ أول إيبوكسي ED-20 الذي ظهر. عند شراء الراتينج ، تم تحذيرنا من أن المقوى (المكون الثاني الذي يخلط الراتينج به ، وبعد ذلك يتجمد أثناء التفاعل الكيميائي) يعمل في 20 دقيقة. لماذا أصبح من الواضح على الفور أنه سيكون من المستحيل التسويف وأن الورقة ستحتاج إلى النقع بسرعة. لهذا ، ظهر الرفاق المخلصون في صورة ناقل بشري.


ناقل إشباع راتنجات الايبوكسي المرتجل

كانت الرائحة بصراحة ليست شديدة. واهتم بيديك عند العمل مع المركبات!


عملية تشريب الورق

تم صنع الإطار الثاني (للملف الخارجي) بالفعل في صورة وشكل الإطار الأول وفوقه مباشرة. لمنع الإطارات من الالتصاق ببعضها البعض ، قاموا بوضع القليل من المواد العشوائية التي يمكن تمزيقها لاحقًا. والنتيجة هي:


إطارات سلكية منتهية

لتلخيص هذا الجزء ، سأقول أنه ربما لا توجد طريقة أرخص لإنشاء إطارين غير مغنطيسيين ، وغير معدنيين ، وقابليتين للتبريد وقويتين بما فيه الكفاية. كان العنصر الأكثر تكلفة في إنشاء الإطار ، بطبيعة الحال ، مركبًا ~ 500 ص / كغ ، يليه أنبوب PP ، ثم الفرش والقفازات - هذا اختياري.

متعرج

ربما يكون العنصر المركزي والأغلى في هذه القصة هو ملفات HTSC نفسها. السبب وراء ظهور كلمة "تقريبًا" في عنوان المقالة هو السعر. تم شراء 40 مترًا من شريط فائق التوصيل عالي الحرارة بعرض 4 مم وسمك 0.1 مم ، بتيار حرج يبلغ 80 أمبير ، بسعر 2500 روبل / متر. إنه جسدي واضح. من غير المرجح أن يدفع الشخص ثمن هذا الشيء. دعونا نلقي نظرة على عظمتها الباهظة الثمن.


الجزء باهظ الثمن من هذا المشروع

بالإضافة إلى التكلفة العالية لـ HTSC ، يعد الشريط أيضًا مادة غريبة للغاية. إنها لا تحب ارتفاع درجة الحرارة بشدة (أكثر من 500 درجة) ، ولديها نصف قطر انحناء محدد كبير (حوالي 20 مم ، يبدأ تشوه الموصل الفائق) ، كما أنها لا يمكن أن تكون ملتوية ، وتجاعيد ، وضرب. كل هذا يحول العمل مع أسلاك HTSC إلى نوع من فن المجوهرات. كيف سنقوم بالبكرة؟

بصراحة ، ربما تكون طريقة لف الشريط على الإطار هي الأكثر بدائية. يتم تغطية الشريط على طول جانب واحد بشريط Kapton ، ويتم لصق حواف الشريط البارزة خارج الشريط مع الشريط على الإطار. ونتيجة لذلك ، أثناء عملية اللف ، نحصل على عاملين يحملان اللفة على الإطار: الشريط اللاصق وسطح ثنائي الفينيل متعدد الكلور وقوة الاحتكاك للشريط على نفس السطح. ونتيجة لذلك ، من المدهش أنه تبين أنه موثوق للغاية.

لم يتم تحديد شريط Kapton بشكل عشوائي. والحقيقة هي أنه لا يمكن أن تكون كل مادة عازلة يمكن الاعتماد عليها في درجات حرارة منخفضة. على سبيل المثال ، يصبح الشريط اللاصق العادي زجاجًا تقريبًا ويتقلص. يتقلص الشريط العازل أيضًا. يتشقق الورنيش العازل الكهربائي (ولكن ليس كلها) ، يتقلص أيضًا عزل PVC. يتصرف شريط Kapton (أو بوليميد) بهدوء شديد في درجات الحرارة المنخفضة (وكذلك في درجات الحرارة المرتفعة) ، ويتم اختياره تقليديًا لأسلاك HTSC عندما تحتاج إلى القيام بشيء "سريع" ، على الرغم من أنه يجب أن يقال أنه ليس رخيصًا مقارنة بالعادي بشريط. عندما تحتاج إلى القيام بشيء صلب ، استخدم طلاءًا بالكامل على أساس البوليميد.


عملية لف اللفة الخارجية (الأولية)

في الواقع ، تم لف المحول بعدد دورات 50:25 ، في الواقع تبين أنه أقل قليلاً ، ولكن ليس النقطة. اللف الأساسي (الخارجي) كان ذو بداية واحدة (ملف واحد على طول الارتفاع بالكامل) ، وكان اللف الثانوي (الداخلي) ذو بدءين (حلقتان تدوران بالتناوب). وهذا يعطي بالفعل تيارًا حرجًا للأساسي = 80 أمبير وللمؤشر الثانوي 160 أمبير. إذا أخذنا في الاعتبار أن جهد التيار الكهربائي (الذي تم بموجبه صنع المحول) = 220 فولت ، ثم نحصل على حوالي 10 كيلو واط من الطاقة المرسلة مع عدم وجود خسارة تقريبًا ، بكمية صغيرة إلى حد ما. نتائج متعرجة:


اللفات الأساسية (اليسرى) والثانوية (اليمنى) HTSC

لحام

وصلنا إلى العملية العصبية للغاية لصنع محول. كما ذكر أعلاه ، فإن الموصل الفائق ليس من محبي درجات الحرارة المرتفعة. عندما نتحدث عن سلك نحاسي يمكن أن يحمل 60-80 أمبير لفترة طويلة دون ارتفاع درجة الحرارة حقًا ، نعني مقاطع عرضية 16 أو 25 مم ^ 2. هذه أسلاك ضخمة جدًا وشقية ، يصعب عليها إعطاء الشكل الأنيق المطلوب لسهولة اللحام باستخدام شريط HTSC 4 مم. إذا كنت تأخذ مكواة لحام قوية بما فيه الكفاية ولحام بسيط ، فيمكنك تسخين الشريط. لذلك ، من الأفضل أن تأخذ لحام Indium Tin بنقطة انصهار تبلغ ~ 103 درجة. أفضل من ذلك ، قم بإذابته في حمام اللحام ، قم بتغطية الشريط والأسلاك بحمض اللحيم واحصل على وهج رائع من العشق الذاتي من عمل جيد في صد المعدن الساخن.

فارق بسيط. من الأفضل لحام جهات الاتصال الحالية ، وليس تجنيب منطقة الشريط ، لإدخال تيار أفضل. أخذنا 3 سم .. شرائط على سطح التلامس مع التلامس الحالي ، ولكن يمكن أن يكون أكثر. لقد أزلنا اتصالات الجهد من التيار بمقدار بضعة سنتيمترات ، حتى لا نقيس انخفاض الجهد عند نقطة الاتصال ، ولكن مباشرة على اللف. لسوء الحظ ، تم الاحتفاظ فقط صورة خاتمة هذا الإجراء.


اللفات مع جهات الاتصال

البرد

الجزء الأخير والأكثر حرفية من إنتاجنا. صُنع البرد من الرغوة ومانع تسرب الأكريليك. هذا كل ما في الأمر. لسوء الحظ ، لن تفعل كل العلامات التجارية الرغوية. الرغوة ذات الحبيبات الكبيرة ، عندما يدخلها النيتروجين ، تدمر على الفور مع الانفجار والانفجار.


رغوة البوليسترين خاطئة (يسار) ورغوة البوليسترين الصحيحة (يمين)

أما بالنسبة للتسرب ، فبالإضافة إلى النكات ، أخذوا أرخص ما كان. لا أعرف ما هي الحيلة. الشيء الرئيسي هو أن المادة المانعة للتسرب يجب أن تكون أكريليك ، وليس سيليكون ، لأن الأخير (كما تم التأكد منه في المتجر) يمكن أن يؤدي إلى تآكل الرغوة.

تم تصنيع جهاز التبريد البارد مسبقًا ، وتم قطع المربعات ذات الثقوب المستديرة بحيث يتناسب الهيكل بأكمله في النهاية ، بينما يبرز أنبوب خارج جهاز التبريد ، حيث من المفترض أن يتم وضع الدائرة المغناطيسية في المستقبل. بعبارة أخرى:


برادات مسبقة الصنع

كما ترى في الصورة ، تم تشحيم مفاصل الهيكل بأكمله وغمره بمواد مانعة للتسرب. من جهة تتصلب المادة المانعة للتسرب بالنيتروجين وتشبه الجبن السميك جدًا عند اللمس ، وتقوم بوظائفها بشكل جيد للغاية. في المرحلة الأخيرة ، يتم قطع قاع خاص تحت أنبوب الإطار الذي تم تثبيته عليه ، وأخيرًا ، يتم تجميع هذا الهيكل بأكمله في محول HTSC واحد.


محول HTSC

نتيجة لذلك ، حصلنا على:

VTSPT-10000 ، 220/110 فولت ، 50/100 أمبير ، OHL


التجارب

أعتقد أن كل مجرب قد عانى مرة واحدة على الأقل من هذا المزيج من الخوف والقسوة الذي عذب به "وحشه المصنوع حديثًا". بالطبع ، تم إنشاء محول HTSC من أجل حرقه. ومع ذلك ، سنقوم بحرقها بعناية - علمياً.

هنا سأعرض التجربة الرئيسية التي صنع من أجلها المحول. قصر دائرة اللف الثانوية واستخدم المفتاح لتطبيق الجهد على اللفة الأولية من التيار الكهربائي (220 فولت). نظرًا لأن مقاومات اللفة الأولية والملف الثانوي المقترن مغناطيسيًا بها (عبر الهواء) صغيرة ، ستتدفق تيارات كبيرة إلى حد ما في الدوائر. ستتجاوز هذه التيارات المستوى الحرج البالغ 80 أمبير ، وبالتالي ، ستدمر الموصلية الفائقة ، والتي بسببها ستبدأ لف HTSC تدريجياً في اكتساب مقاومة كهربائية محدودة ، والتي بدورها ستتسبب في الحد الحالي. ما سنقوم بإصلاحه في شكل تيار جيبي مشوه. ومظهر الجهد الموجي لبعض القيم النهائية (بدلاً من الصفر في الوضع العادي). سيتم أخذ القياسات بمساعدة جهاز غير متوقع لتجربة معينة: محلل جودة الطاقة الكهربائية . إنه أمر غير متوقع لأن معدل أخذ العينات لهذا الجهاز في وضع الذبذبات يترك الكثير مما هو مرغوب فيه. ولكن ماذا تفعل. ومع ذلك ، دعونا نلقي نظرة على الصورة النوعية لما يحدث.


تذبذب تيارات (نقاط على الرسوم البيانية تتوافق مع البيانات الملتقطة الفعلية)

تظهر التذبذبات على اليسار (للمقارنة) وضع الدائرة القصيرة إذا لم يكن المحول مليئًا بالنيتروجين السائل: نرى جيبًا مشوهًا قليلاً ولكن هادئًا لتيار الدائرة القصيرة ، والذي يتم إيقافه بواسطة قاطع الدائرة بعد فترة (يظهر الشكل نصف الفترة). يتم عرض وضع الدائرة القصيرة على اليمين إذا تم ملء جهاز التبريد أولاً بالنيتروجين السائل: نرى زيادة أولية قوية في التيار ، والتي تنحني تدريجياً (بدءًا من 150 أمبير) تحت تأثير زيادة المقاومة. ومع ذلك ، نظرًا للقيمة الأكبر لتيار الدائرة القصيرة ، فإن قاطع الدائرة الكهربائية يسير بالفعل في النصف الأول من الدورة.

للأسف ، نحن راضون فقط عن هذه النتائج النوعية ، ولكن في المستقبل القريب سنقوم بالتأكيد بالعديد من النتائج الأخرى.

الخلاصة

بالطبع ، يترك محول HTSC الكثير من الجدل وراء نفسه. تتجلى هذه التناقضات حتى في الأسلوب الحرفي لتصنيع مثل هذا الجهاز المعقد. ماذا يمكننا أن نقول عن عينات التشغيل الحقيقية ، والتي يمكنك العثور عليها في [1،3]. لقد مضت صناعة الطاقة الكهربائية HTSC الحقيقية قدما في تطوير الكابلات والمحددات الحالية ، والتي تمر بصعوبات حتى في هذه الوحدات الأكثر تطورا. يمكنك التعرف عليهم بشعبية كبيرة دون مغادرة هذا الموقع ، على سبيل المثال هنا .

ومع ذلك ، بغض النظر عن مدى التناقض الذي قد يكون عليه هذا المجال من المعرفة الهندسية ، فإن أولئك الذين يستطيعون تبرير براءتهم سيظلون على حق في نهاية المطاف ، لذلك سنحاول.

وعلى أي حال ، إنه مثير للاهتمام بشكل رهيب!

شكرا لكم على اهتمامكم!
لك حقا دوك.

شكرًا أيضًا على:

Vysotsky Vitaly Sergeyevich وفريق VNIIKP لمساعدتهم ونصيحتهم بهذه الطريقة الصعبة.
Pavlyuchenko Dmitry Anatolyevich للدعم الكبير والرغبة في تطوير هذه المنطقة من الصفر!