Трансформатор: устройство и назначение

Доводилось ли вам слышать, как гудит трансформатор? Этот монотонный 50-герцевый (50 колебаний в секунду) гул кого угодно выведет из себя. Однако монотонный он лишь для нашего невооруженного слуха. Точный прибор без труда покажет, что несущая частота переменного тока в розетке постоянно гуляет. К примеру, российский ГОСТ допускает колебания частоты в сети в пределах ±0,2 Гц.
Сергей Апресов
12
30564

В то же время современные энергетические системы устроены таким образом, что все их компоненты работают синхронно. Все трансформаторы города одновременно поют одну и ту же ноту. И иногда их песня может рассказать о совершенном преступлении. Так, в частности, случилось в громком деле лондонской полиции против криминального трио Хьюма Бента, Карлоса Мокриэффе и Кристофера Маккензи, обвиненных в незаконной торговле оружием. Главным доказательством стала диктофонная запись сделки, сделанная полицейским под прикрытием.

Защита усомнилась в подлинности улики, заявив, что фонограмма была смонтирована. Доказать аутентичность записи, а также подтвердить, в какой день и час она была сделана, удалось доктору Алану Куперу, заведующему лабораторией криминалистических исследований полиции Метрополитан. Благодаря тому, что в течение последних восьми лет доктор Купер непрерывно записывал сигнал из электрической розетки (ту самую «песню трансформаторов»), а затем опознал знакомую «мелодию» в едва заметных электромагнитных наводках на оперативной записи, преступники отправились за решетку на 33 года.

В эфире — радио ТЭС

Электрические провода, окружающие нас повсюду, невольно представляют собой гигантские антенны. Ток, проходящий по ним с частотой порядка 50 Гц, порождает магнитное поле, также известное как электромагнитные наводки. Высоковольтные линии, крупные электродвигатели, дроссели люминесцентных ламп, крупные электрические приборы — все они транслируют в эфир «трансформаторную арию».

Электрические компоненты аналоговых аудиоприборов также охотно принимают эти наводки. В этом вы можете легко убедиться, прислушавшись к радиоприемнику в паузах между музыкальными фрагментами или включив мощный усилитель на полную громкость.

Практически на любой записи, сделанной с помощью аналогового оборудования (например, кассетного диктофона), можно обнаружить наводки. Их фиксирует и цифровой диктофон, ведь его микрофон преобразует звук в аналоговый электрический сигнал, который затем оцифровывается.

Чтобы сохранить отпечаток несущей частоты сети, диктофону не обязательно даже обладать характеристиками, позволяющими ему записывать 50-герцевый сигнал. Во-первых, наводки — это не звук, а электромагнитные волны, и ограниченный частотный диапазон микрофона для них не помеха. А во-вторых, взаимодействуя с полезным сигналом, наводки образуют кратные гармоники в районе 100, 150, 200 Гц и т. д. Так что их след можно найти даже в диапазоне человеческой речи.

Разумеется, наводки и их гармоники намного слабее полезного сигнала, ведь производители аудиозаписывающего оборудования всеми силами борются за снижение паразитных шумов и улучшение качества звука. Однако профессиональные аудиоинтерфейсы и современный софт, которым пользуются эксперты, позволяют оцифровать и подвергнуть компьютерному анализу даже самые слабые составляющие сигнала.

Специалисты Университета Мэриленда разработали алгоритм, с помощью которого наводки можно не только «услышать» на фонограмме, но и «увидеть» на видеозаписи. Мерцание находящихся в кадре люминесцентных ламп, соответствующее частоте тока в сети, приводит к колебаниям яркости кадра, незаметным невооруженному глазу, но пригодным для компьютерного анализа.

Роль личности в истории

Чуть более десяти лет назад румынский специалист Каталин Григораш предположил, что характер колебаний частоты тока в сети так же уникален для определенной единицы времени, как отпечаток пальца для человека. Логика доктора Григораша вполне понятна: частота в единой энергетической сети (речь идет о колебаниях в тысячные доли герца) определяется нагрузкой, то есть действиями миллионов потребителей, которые невозможно предсказать. Если нагрузка растет, частота падает, и наоборот.

Конечно, если лично вы выключите ночник на полчаса раньше, на частоте тока это не отразится. Однако если в вашем городе сегодня вечером проходит футбольный матч на многотысячном стадионе, в соседнем поселке днем запустился новый завод, а все телевизоры страны показывают телемост с президентом, то доктор Григораш получит желанные колебания в своей электрической летописи. Чем больше городов, предприятий и электростанций объединяет в себе сеть, чем сложнее ее структура, тем ярче каждый день ее жизни отпечатывается в истории.

На помощь рассуждениям приходит статистика. По данным Института криминалистики Нидерландов, для точного определения, в какой день и час была сделана запись, нужно иметь фонограмму с длительностью чуть более десяти минут.

Танец генераторов

Метод установления даты и времени аудиозаписи по анализу наводок впервые был использован в английском суде, и это вовсе не случайность. На территории Великобритании действует единая энергетическая сеть, и для работы с записями со всех уголков страны достаточно всего одной базы данных частоты тока в национальной сети.

Как это возможно, что в электрических артериях каждого прибора по всей стране бьется одинаковый пульс? Ведь потребности сети в электричестве обеспечиваются с помощью множества электростанций разного типа, размера и мощности. Тысячи генераторов разных моделей приводятся паровыми и гидротурбинами. Неужели их валы вращаются с абсолютно одинаковой скоростью и абсолютно одинаково реагируют на изменение нагрузки в сети, с точностью до тысячных долей герца?

Как это ни парадоксально, ответ на этот вопрос — «да», и поблагодарить за это мы должны Николу Теслу и Михаила Доливо-Добровольского, создавших трехфазный синхронный электродвигатель, он же генератор. Принцип работы синхронной машины более подробно объясняется во врезке. Важнейшее ее свойство заключается в стремлении привести частоту вращения вала в точное соответствие с частотой электрического тока в сети.

Если синхронный генератор на электростанции отстает от частоты сети, в нем возникает крутящий момент, заставляющий машину наверстать упущенное. Генератор превращается в электродвигатель, и чем сильнее его отставание, тем больший момент он развивает. При опережении частоты сети в генераторе возникает тормозной момент, при этом машина отдает энергию в сеть. Этот эффект называется синхронизмом, и он очень силен.

Синхронная работа генераторов крайне важна для здоровья сети. Небольшая рассинхронизация приводит к повышенному износу и даже разрушению силовых машин за счет того самого реактивного момента. Значительная рассинхронизация приводит к опаснейшим скачкам напряжения в сети, чреватым выходом из строя бытовых электроприборов и целых электростанций. Каскадная авария московской энергосистемы 2005 года наглядно продемонстрировала, как отказ одной крупной электростанции и следующее за ним падение напряжения и частоты тока приводит к последовательному вынужденному отключению других станций и краху всей сети.

Частота тока — один из главных показателей качества электроэнергии. Именно на нее ориентируются системы автоматической регулировки мощности на электростанциях, в частности клапаны на паровых турбинах. Каждая станция своими силами пытается вернуться к эталонным 50 Гц, однако синхронизм настолько силен, что все генераторы разгоняются и тормозят в едином ритме, как слаженный оркестр.

Единая энергетическая сеть России покрывает восемь часовых поясов. Система состоит из 69 региональных энергосистем, и все они соединены друг с другом в синхронном режиме. Столь крупная сеть требует протяженных и дорогостоящих высоковольтных линий, однако предоставляет ряд неоспоримых преимуществ. Это и строительство крупных и более эффективных электростанций, и способность перебрасывать энергию туда, где она требуется в данный момент, и, конечно же, возможность вести базу данных частот для целых регионов.

Конечно, Россия несколько больше Англии, и если вы позвоните по телефону из Петербурга во Владивосток, то на записи разговора обнаружите несколько наводок с разными частотами. Именно эта разница в частотах позволяет перебрасывать мощность из одних регионов в другие. Однако 69 синхронных региональных энергосистем достаточно стабильны, чтобы в каждой из них метод работал надежно.

Время заметает след

Приятно сознавать, что перспективная криминалистическая технология имеет российские корни. Главный эксперт компании «Центр речевых технологий» Сергей Коваль рассказал нам о том, что анализ наводок сети переменного тока с начала 1990-х применялся им для установления аутентичности фонограмм. С вышеупомянутыми допущениями такой сигнал представляет собой синусоиду, и если запись смонтирована, можно заметить, как эта синусоида разрывается в месте склейки. Если разные части фонограммы были записаны в разных условиях, заметно изменение не только по фазе, но и по амплитуде, и по частоте.

С докладом об этом Сергей Львович выступал на московской конференции Европейского общества судебной акустики в 2004 году. На конференции присутствовал и Каталин Григораш.

К сожалению, время накладывает на перспективный метод экспертизы все больше ограничений. В частности, записанный разговор по мобильному телефону нельзя анализировать таким способом. Стандарт GSM предусматривает крайне плотное сжатие звукового сигнала, в котором сохраняется лишь приблизительная информация о тембральной окраске голоса, а слабые гармоники полностью уничтожаются. Чтобы почувствовать эту «приблизительность», достаточно попробовать послушать музыку по мобильному телефону.

Кроме того, если беседа записывается программными средствами телефона (встроенным диктофоном), сигнал не проходит через аналоговые цепи и, следовательно, не может включить в себя электромагнитные наводки.

Наконец, алгоритмы сжатия совершенствуются и все лучше отличают полезный сигнал, который нужно сберечь, от вредных шумов, которые нужно удалить. Формат МP3 с переменным разрешением уже не позволяет полностью восстановить картину изменений частоты в сети.

К счастью, специально для правоохранительных органов производятся диктофоны с функцией цифровой подписи и «водяных знаков»: в фонограмму специально добавляется неразличимый на слух кодирующий сигнал, позволяющий с высочайшей точностью подтвердить время записи и отсутствие склеек.

Диктофон

Главный эксперт «Центра речевых технологий» Сергей Коваль рассказал «Популярной механике» о следах, которые оставляют на фонограмме разные средства звукозаписи.

Кассетный диктофон

Лентопротяжный механизм — богатый источник всевозможных циклических сигналов. Его двигатель вращается неравномерно, и при разных позициях щеток скорость вращения слегка возрастает или убывает. Ролики могут быть не совсем круглыми, прижим ленты - не совсем равномерным, сама лента — неодинаково плотной, толстой и скользкой. По мере наматывания ленты на ролик фактически изменяется его диаметр, и скорость движения ленты равномерно растет. Нарушение цикличности или равномерности в соответствующих процессах при воспроизведении — повод заподозрить монтаж.

Цифровой диктофон

Цифровые данные записываются на флеш-память порциями. Данные сначала накапливаются в кэше (как правило, 512 байт), а затем передаются на флешку. Процесс передачи весьма энергоемкий, и в этот момент напряжение в аналоговых цепях диктофона падает. В результате на записи наблюдаются периодические понижения уровня сигнала. Если данная периодичность нарушается, нужно держать ухо востро.

Электроликбез

— В энергетических артериях страны течет трехфазный электрический ток. В наших домах мы привыкли видеть розетки с двумя контактами, потому что для питания бытовых электрических приборов одной фазы вполне достаточно. На промышленные предприятия подаются все три фазы. Принято говорить, что смещение между ними — 120 градусов.

— Статор синхронного электродвигателя (генератора) содержит три обмотки, установленные под углом 120 градусов друг к другу. На каждую из них подается переменный электрический ток в одной из трех фаз. Обмотки статора создают вращающееся электромагнитное поле. Частота вращения соответствует частоте тока — 50 Гц.

— Ротор двигателя представляет собой обмотку, концы которой замкнуты накоротко. Наиболее естественный режим работы двигателя — холостой ход, при котором ротор вращается с точно такой же скоростью, как и магнитное поле. Если пренебречь силами сопротивления, то в этом режиме в роторе отсутствует наведенная электродвижущая сила (ЭДС), двигатель не потребляет энергию и больше напоминает трансформатор.

— Если ротор отстанет от вращающегося поля, в нем возникнет ЭДС, и величина ее будет тем больше, чем больше угол отклонения. При этом машина становится двигателем и потребляет энергию из сети.

— Если ротор обгонит вращающееся поле, в нем возникнет ЭДС противоположного направления, замедляющая вращение. При этом машина становится генератором и отдает энергию в сеть.

— Таким образом синхронная машина всегда стремится привести свой ход в соответствие с частотой тока в сети, и стремление это тем сильнее, чем больше отклонение.

Статья «О чем гудит трансформатор» опубликована в журнале «Популярная механика» (№128, июнь 2013).

Комментарии

12 комментариев