Описана история развития трансформаторов, начиная с открытия электромагнитной индукции, и заканчивая созданием трехфазного трансформатора.
Восьмидесятые годы XIX века вошли в историю техники под названием периода "трансформаторных битв". Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачей её на большие расстояния.
Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.
Открытие электромагнитной индукции Майклом Фарадеем
Итак, явление, лежащее в основе действия электрического трансформатора, было открыто английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году при проведении им основополагающих исследований в области электричества. Это событие стало настоящей революцией в молодой тогда области электротехники, связанной с созданием цепей электрического освещения.
В своих экспериментах Фарадей опирался на результаты датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, который в 1820 году установил, что ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Открытие Эрстеда было воспринято с большим интересом, поскольку электричество и магнетизм считались до этого проявлениями совершенно различных и независимых друг от друга сил. И уж если электрический ток мог порождать магнитное поле, то казалось вполне вероятным, что магнитное поле в свою очередь могло порождать электрический ток.
В 1831 году Фарадей показал, что для порождения магнитным полем тока в проводнике необходимо, чтобы поле было переменным. Фарадей изменял напряженность магнитного поля, замыкая и размыкая электрическую цепь, порождающую поле. Тот же эффект достигается, если воспользоваться переменным током, т. е. током, направление которого меняется со временем. Это явление взаимодействия между электрическими и магнитными силами получило название электромагнитной индукции.
Эксперименты с индукторами
После своего открытия Фарадей не стал детально исследовать открытое явление, полагая, что его работу продолжат другие. Однако в действительности оказалось, что в течение нескольких последующих десятилетий устройства, подобные трансформаторам, не нашли широкого практического применения.
Особый интерес представляли первые эксперименты с "индукторами", состоящими из провода, намотанного на железный сердечник, в частности, изучение способности этих устройств порождать искры, когда ток в обмотке прерывался.
Среди известных ученых, занимавшихся этим явлением, был американец Джозеф Генри, первый секретарь и директор Смитсоновского института (Smithsonian Institution).
В этих экспериментах выяснилось, что токи, циркулирующие в сплошных металлических сердечниках, рассеивали энергию. Чтобы свести к минимуму эти так называемые вихревые токи, сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Теперь сердечники представляли собой "связку" изолированных железных проводов.
Первый трансформатор и электрическое освещение
Заслуга в разработке первого в мире прообраза трансформатора, принадлежит нашему соотечественнику, русскому инженеру-электротехнику Павлу Николаевичу Яблочкову.
В годы пребывания во Франции Павел Николаевич работал не только над изобретением и усовершенствованием электрической свечи, известной под названием "свеча Яблочкова", но и над решением других практических задач.
Во-первых, Яблочков сконструировал первый генератор переменного тока, который, в отличие от постоянного тока, обеспечивал равномерное выгорание угольных стержней в отсутствие регулятора, первым применил переменный ток для промышленных целей.
Видео 1. Свеча Яблочкова
Во-вторых, Яблочков отчетливо понял роль индукционной катушки как средства электрического разделения цепей переменного тока. Даже самим фактом патентования системы "дробления света" во многих странах он так подчеркивал важность нового предложения. Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки.
30 ноября 1876 года, дата получения Яблочковым патента на системы "дробления света", считается датой рождения первого трансформатора.
 |
| Рисунок 1. Трансформатор Яблочкова (первоначальный вид) с присоединением к нему каолиновой лампой Яблочкова |
Свечи Яблочкова, работавшие по такой схеме, зажглись в Москве и Подмосковье, Ораниенбауме, Киеве, Нижнем Новгороде, Гельсингфорсе (Хельсинки), Одессе, Харькове, Николаеве, Брянске, Архангельске, Полтаве, Красноводске, Саратове и других городах России.
С наибольшим интересом изобретение Павла Николаевича Яблочкова было встречено в учреждениях военно-морского флота. К середине 1880 года в России было установлено около 500 фонарей со свечами Яблочкова. Из них больше половины было установлено на военных судах и на заводах военного и военно-морского ведомств. Например, на Кронштадтском пароходном заводе было установлено 112 фонарей, на царской яхте "Ливадия" – 48 фонарей, на других судах флота – 60 фонарей, при этом установки для освещения улиц, площадей, вокзалов и садов имели каждая не более 10-15 фонарей.
Становилось все яснее, что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжение питания свечей равное 110 В. Из-за этого, радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров. Нужно было решать вопрос эффективного распределения электроэнергии, который не требовал бы больших затрат на прокладку проводов большого сечения.
Рисунок 2. Схема распределения переменного тока с трансформаторами Яблочкова (из русской привилегии 1877 года)
Изобретение Голара и Гиббса
Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения электроэнергии явилась "система распределения электричества для производства света и двигательной силы", запатентованная во Франции в 1882 году Голаром и Гиббсом. Запатентованное ими устройство они назвали – "вторичный генератор".
Видео 2. Вторичный генератор Голарда и Гиббса
Французский изобретатель Люсьен Голар и английский промышленник Джон Гиббс воспользовались трансформаторами для подсоединения ламп накаливания к осветительной системе на дуговых лампах. Поскольку дуговые лампы соединялись последовательно, первичные обмотки трансформаторов находились в последовательном соединении с дуговыми лампами.
То есть трансформаторы Голара и Гиббса предназначались уже для преобразования напряжения, и имели коэффициент трансформации отличный от единицы. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 году устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а 1884 году – в Турине (Италия).
Вторичный генератор не нашел широкого применения, однако он стимулировал создание других устройств.
Среди тех, кто заинтересовался работой Голара и Гиббса, были три венгерских инженера Микша Дери, Отто Титус Блажи и Карой Циперновский, из будапештской фирмы Ganz and Company. Они присутствовали при демонстрации действия вторичного генератора в Италии и пришли к выводу, что последовательное соединение имеет серьезные недостатки.
По возвращении в Будапешт Дери, Блажи и Циперновский сконструировали и изготовили несколько трансформаторов для систем параллельного соединения с генератором.
Их трансформаторы (с замкнутыми железными сердечниками, которые значительно лучше подходили для параллельного соединения, чем "связки" железных проводов с открытыми концами) были двух типов. В первом типе провод наматывался на тороидальный сердечник, во втором, наоборот, железные провода сердечника наматывались вокруг тороидальной "связки" проводников.
В мае 1885 г. Дери, Блажи и Циперновский продемонстрировали на национальной выставке в Будапеште свою систему, которую принято считать прототипом современных осветительных систем. Она состояла из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Трансформаторы имели тороидальные железные сердечники.
Нужно отметить, что впервые предложения о параллельном включении трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 году, но более всесторонне этот способ соединения был все же изучен Микшей Дери, который в 1885году получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения.
Независимо от него аналогичный патент в Англии получил Себастиан Циани Ферранти.
Система Голара и Гиббса произвела также впечатление на американца по имени Джордж Вестингауз. В 80-х годах Вестингауз был уже признанным изобретателем и промышленником. В то время он работал над системой распределения природного газа для освещения. После успехов, достигнутых Эдисоном, Вестингауз заинтересовался новым источником энергии, но сомневался в возможности ее широкого применения.
Его скептицизм был в достаточной степени оправданным. В параллельных системах увеличение нагрузки требовало увеличения силы тока, а нагрузка в масштабах целого города потребовала бы колоссальных токов. Однако передача электроэнергии при больших токах неэффективна. Нужно было либо передавать ток по очень толстым медным проводам, либо строить электростанции в непосредственной близости от потребителя, разбросав множество мелких генераторов по всей территории города.
Трансформаторы используются в системах передачи электроэнергии
Многие специалисты искали способы передачи электроэнергии при более высоком напряжении по сравнению с тем, которое требовалось в потребляющих устройствах.
В 1884 г. Вестингауз нанял молодого инженера Уильяма Стэнли, у которого возникла идея воспользоваться трансформатором для решения проблемы передачи электроэнергии. Узнав о работе Голара и Гиббса, он посоветовал Вестингаузу приобрести патенты на трансформатор.
Стэнли был убежден в преимуществах параллельных схем соединения, и к началу лета 1885 года им уже было создано несколько трансформаторов с сердечниками замкнутой формы.
Вскоре в связи с ухудшившимся состоянием здоровья Стэнли вынужден был уехать вместе со своей лабораторией из промышленного задымленного Питтсбурга. С одобрения Вестингауза он переселился в Грейт-Бэррингтон, штат Массачусетс, где продолжал работать над трансформаторами.
Тем временем Вестингауз, еще не до конца убежденный в эффективности параллельного соединения, экспериментировал с различными комбинациями вторичных генераторов Голара и Гиббса вместе с другим пионером в области электротехники Оливером Блэкберном Шелленбергером.
Трансформаторы Стенли - Вестингауза
К декабрю 1885 года успехи, достигнутые Стэнли, наконец, убедили Вестингауза и он вместе с Шелленбергером и еще одним блестящим инженером Альбертом Шмидом приступил к усовершенствованию трансформатора Стэнли, с тем, чтобы он (в отличие от венгерского тороидального устройства) стал простым и дешевым в производстве.
Сначала сердечник изготавливался из тонких железных пластин в форме буквы Н. Обмотки из изолированной медной проволоки наматывались на горизонтальную часть сердечника, свободные концы которого замыкались дополнительными слоями железных полосок.
Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Эта конструкция трансформатора применяется и в наши дни.
Сердечники первых трансформаторов Стэнли - Вестингауза состояли из тонких пластин листовой стали и характеризовались значительными потерями на гистерезис – так называется эффект "запоминания" в магнитных материалах, уменьшающий коэффициент полезного действия трансформатора. Эти потери постепенно стали снижаться за счет тщательного подбора сортов стали.
Создание трехфазного трансформатора
Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой.
Русский инженер Доливо-Добровольский выступил с предложением применять для целей передачи и эксплуатации электроэнергии разработанную им систему трехфазного переменного тока. Доливо-Добровольский показал, что в отношении передачи электроэнергии система трехфазного тока, по сравнению с системой двухфазного тока, является более экономичной, но решающее преимущество трехфазной системы он видел "в превосходных качествах" разработанных им трехфазных асинхронных двигателей. В этом направлении он провел огромную творческую работу: доказал, что при помощи трехфазного тока можно создать в машине такое же вращающееся магнитное поле, как и при помощи двухфазного тока, разработал основные модификации трехфазного асинхронного двигателя. Параллельно с этим Доливо-Добровольский разработал конструкцию трехфазного трансформатора сначала, в 1890 году, с расположением сердечников по кругу и кольцевыми ярмами, а затем с обычным в настоящее время расположением стержней в одной плоскости. А так как, кроме этого, Доливо-Добровольский много работал в области теории, расчета и конструирования электрических машин, то можно сказать, что он разработал собственно все элементы трехфазной системы. Предложенная Доливо-Добровольским система трехфазного тока вызвала живейший интерес и привлекла к себе повсеместное внимание. Несмотря на ряд возражений, ее технические достоинства были настолько велики и очевидны, что уже в ближайшее время она заняла ведущее место в ряду других систем.
Видео 3. Трансформаторы и их применение