Ювелирное обозрение

Изобретение, благодаря которому мы получаем доступ к электроэнергии неприметно, оно не движется, работает практически бесшумно и, как правило, скрыто от наших глаз в отдельных помещениях или за экранирующими перегородками.

Трансформатор – важный элемент многих электрических приборов и механизмов. Зарядные устройства и игрушечные железные дороги, радиоприемники и телевизоры – всюду трудятся трансформаторы, которые понижают или повышают напряжение. Среди них встречаются как совсем крошечные, размером в несколько миллиметров, так и гиганты массой более 500 тонн.

Создание в конце XIX века трансформатора было революционным для молодой тогда электротехники, занимавшейся в основном вопросами электрического освещения. На рубеже веков электроэнергетические системы переменного тока стали уже общепринятыми, и трансформатор получил ключевую роль в передаче и распределении электроэнергии.

Явление, лежащее в основе действия электрического трансформатора, было открыто английским физиком Майклом Фарадеем.

В своих экспериментах Фарадей опирался на опыты датского физика Х. К. Эрстеда, который в 1820 году установил, что ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. До этого электричество и магнетизм считались проявлениями совершенно различных и независимых друг от друга сил. И уж если электрический ток мог порождать магнитное поле, то казалось вероятным, что и магнитное поле, в свою очередь, могло порождать электрический ток.

В 1831 году Фарадей доказал, что для порождения магнитным полем тока в проводнике необходимо, чтобы поле было переменным. Он изменял напряженность магнитного поля, замыкая и прерывая электрическую цепь, порождающую поле. Тот же эффект достигается, если воспользоваться переменным током, то есть током, направление которого меняется со временем. Это явление взаимодействия между электрическими и магнитными силами получило название электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора

В трансформаторе обмотка из витков провода, подключенная к источнику питания и порождающая магнитное поле, называется первичной. Другая обмотка, в которой под действием этого поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), называется вторичной.

Индукция между первичной и вторичной обмотками взаимна, то есть ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует ЭДС в первичной точно так же, как первичная обмотка индуцирует ЭДС во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает ЭДС. Это явление, называемое самоиндукцией, наблюдается также и во вторичной обмотке.

На явлении взаимной индукции и самоиндукции основано действие трансформатора. Для эффективной работы этого устройства необходимо, чтобы между его обмотками существовала связь и каждая из них обладала высокой самоиндукцией. Этим условиям можно удовлетворить, намотав первичную и вторичную обмотки на железный сердечник так, как это сделал Фарадей в своих первых экспериментах.

Железо увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз (о материалах, обладающих таким свойством, говорят, что они имеют высокую магнитную проницаемость). Кроме того, железный сердечник локализует поток магнитной индукции, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же остаются индуктивно связанными.

Фарадей не стал детально исследовать открытое явление. Поэтому в течение нескольких десятилетий оно не нашло 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 (его именем была названа единица индуктивности).

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.

Первые трансформаторы и электрическое освещение

После того как в 1860‑х была изобретена динамо-машина – генератор электроэнергии, также основанный на открытиях Фарадея, – появилась возможность использовать переменный ток.

Первый, кто подсоединил трансформатор к источнику переменного тока, был Уильям Гроув, которому для его лабораторных опытов понадобился источник высокого напряжения. Но этот опыт оставался незамеченным до тех пор, пока Томас Альва Эдисон не начал работать над осуществлением идеи электрического освещения в 1880‑х.

К этому времени уже существовали электрические лампы с платиновыми нитями накала и лампы на основе электрической дуги, или дугового разряда между двумя электродами. Лампы обоих типов работали неплохо, однако их электрические характеристики накладывали некоторые ограничения на способы их включения в электрическую цепь. В частности, все лампы подключались последовательно, подобно елочным гирляндам, поэтому они загорались и гасли одновременно.

Хотя такой способ был приемлем, например, для уличного освещения, невозможность включать и выключать отдельные лампы в произвольные моменты времени, а также высокое напряжение, необходимое при последовательном соединении большого числа осветительных приборов, препятствовали его применению в жилых домах и на небольших предприятиях.

Способ же параллельного соединения, в котором каждая лампа работает в своей собственной цепи, требовал слишком толстых медных проводов для подведения достаточно сильного тока к лампам, имевшим в то время относительно низкое сопротивление.

Приблизительно в то же время трансформаторы были впервые применены в системах электрического освещения в Англии. Французский изобретатель Люсьен Х. Голар и английский промышленник Джон Д. 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.

В 1882 году Голар и Гиббс получили патент на свое устройство, названное ими вторичным генератором. Его работу они продемонстрировали в 1883 году в Англии, а в 1884 году – в Италии. Вторичный генератор не нашел широкого применения, однако он стимулировал создание других устройств.

Среди тех, кто заинтересовался работой Голара и Гиббса, были три венгерских инженера 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 Макс Дери, Отто Т. Блажи и Карл Циперовски 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 системах передачи электроэнергии

Многие специалисты искали способы передачи электроэнергии при более высоком напряжении по сравнению с тем, которое требовалось в потребляющих устройствах.

В 1884 году 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, шт. 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 Б. Шелленбергером.

Трансформаторы Стэнли – Вестингауза

К декабрю 1885 года успехи, достигнутые Стэнли, наконец убедили Вестингауза, и он, вместе с Шелленбергом и еще одним блестящим инженером – Альбертом Шмидом, приступил к усовершенствованию трансформатора Стэнли, с тем чтобы он (в отличие от венгерского торроидального устройства) стал простым и дешевым в производстве.

Сначала сердечник изготовлялся 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.

Путь к современным трансформаторам

В начале 1900‑х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провел серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния.

А следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 1930‑х, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 процентов, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала пятикратно.

Усовершенствование трансформаторов и схем электропитания радиоэлектронных устройств, основанных на их применении, продолжается и по сей день.

Но об этом – в следующий раз.

Тарифы на электроэнергию, Лампа , Напряжение , Трансформаторы, Электричество , Электроэнергия , Энергия , Кабельная арматура, Провод, Электротехника, Энергетические системы

3.2. ИЗОБРЕТЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА

Восьмидесятые годы XIX в. вошли в историю электротехники 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 систем постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния.

Первым простейшим трансформатором с разомкнутым магнитопроводом была индукционная катушка. Ее изобретение в 30–40-х годах XIX в. связано с именами ряда ученых и изобретателей, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803–1877 гг.), создавший в 1848 г. более совершенную конструкцию, и его именем впоследствии стали называть индукционную катушку. Такие катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Впервые катушку Г. Румкорфа применил для дистанционного взрывания мин Б.С. Якоби. В последней трети XIX в. индукционные катушки получили широкое применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Роль индукционной катушки, превратившейся в аппарат, названный позднее трансформатором, как средства электрического разделения цепей переменного тока, отчетливо осознал П.Н. Яблочков [1.6; 2.15; 3.1].

Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во многих странах он как бы подчеркивал важность нового предложения. Во французском патенте № 115793 от 30 ноября 1876 г. он писал: «Предметом этого изобретения является распределение токов в целях производства электрического света, позволяющее получить, пользуясь цепью, питаемой одним единственным источником электричества, неопределенное число источников света…». И как бы отмежевываясь от привычных схем индукционных катушек, он указывает: «Если я применяю … электрический источник переменного тока, общее расположение остается неизменным, но прерыватель становится ненужным …».

Система «дробления света» Яблочкова широко демонстрировалась два раза: на Парижской Международной электротехнической выставке в 1881 г. и на Второй Петербургской электротехнической выставке в 1882 г.[3] (где всю систему смонтировал и экспонировал препаратор Московского университета Иван Филиппович Усагин (1855–1919 гг.). Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, а стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки. На этой же выставке И.Ф. Усагин впервые демонстрировал схему включения во вторичные обмотки индукционных катушек кроме свечей и других приемников: электродвигателя, проволочной нагревательной спирали, дуговой лампы с регулятором. Все эти приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу. Этим экспериментом И.Ф. Усагин убедительно доказал универсальность применения переменного тока.

В начале 80-х годов становилось все яснее, что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжение 110 В. Радиус электроснабжения не превышал несколько сотен метров. Попытки расширить границы района электроснабжения привели к рождению так называемой трехпроводной системы постоянного тока. Но основным направлением развития электроэнергетики уже в 80-х годах становится система переменного тока.

Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения электроэнергии явилась система распределения электричества для производства света и так называемой двигательной силы, запатентованная во Франции в 1882 г. английским электротехником Дж.Д. Голяром (1850–1888 гг.) и французским электротехником Люстеном Гиббсом (умер в 1912 г.). Эти трансформаторы предназначались уже не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения, т.е. имели коэффициент трансформации, отличный от единицы. Общий вид «вторичного генератора» (как его называли) изображен на рис. 3.5. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки катушек были секционированы, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Заслуживают внимания выдвижные сердечники 2 катушек, с помощью которых регулировалось напряжение на вторичных обмотках. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 г. устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а в 1884 г. — на выставке в Турине (Италия).

Рис. 3.5. Трансформатор Голяра и Гиббса

Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитный сердечник, их первичные обмотки включаются параллельно. Но для схемы «дробления» энергии, предложенной П.Н. Яблочковым, трансформаторы с разомкнутым сердечником вполне удовлетворяли техническим требованиям. При последовательном соединении первичных обмоток включение и выключение одних потребителей не оказывало существенного влияния на режим работы других. При параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутыми сердечниками становилось технически неоправданным. Поэтому понятно стремление сконструировать трансформаторы с замкнутой магнитной системой, которые обладают значительно лучшими характеристиками (меньший намагничивающий ток, а следовательно, меньшие потери и больший КПД).

Первые трансформаторы с замкнутым сердечником были созданы в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдвардом Гопкинсонами. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжений.

Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но всесторонне этот способ соединения обосновал венгерский электротехник Миклош Дери (1854–1934 гг.), который в 1885 г. получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения. Независимо от него аналогичный патент в Англии получил С. Ц. Ферранти.

Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) разработали в 1884–1885 гг. венгерские электротехники Миклош Дери, Отто Блати (1860–1938 гг.) и Карой Циперновский (1853–1942 гг.), впервые предложившие и сам термин «трансформатор». В патентной заявке (февраль 1885 г.) они отмечали важное значение замкнутого шихтованного сердечника, в особенности для мощных силовых трансформаторов. На рис. 3.6 изображены первые образцы кольцевого и броневого трансформаторов, а также общий вид серийного трансформатора системы Блати, Дери и Циперновского, выпускавшегося электромашиностроительным заводом фирмы «Ганц и К?» в Будапеште. Эти трансформаторы содержали все основные элементы современных конструкций однофазных трансформаторов.

Рис. 3.6. Первые трансформаторы будапештского завода фирмы «Ганц и К?»

а — кольцевой; б — броневой; в — серийный стержневой

Венгерские инженеры нашли оптимальные соотношения между расходом меди и стали в трансформаторах и обеспечили своей продукции широкий сбыт на мировом электротехническом рынке. В частности, эта фирма осуществила в 1887 г. одну из первых в России установок переменного тока для освещения оперного театра в г. Одессе.

На территории завода «Ганц и К?», где 100 с небольшим лет назад создавали первый трансформатор, в наши дни разместились корпуса завода «Ганц Моваг», выпускающего электропоезда и сложное электрооборудование для энергетики. На заводе есть музей, в котором главное место отведено истории создания трансформатора.

В 1885 г. Фирмой «Вестингауз» был построен первый автотрансформатор, который предложил американский электрик Уильям Стенли. В конце 80-х годов английский электрик Д. Свинберн предложил масляное охлаждение трансформаторов.

Сегодня попросту нельзя представить себе работу любого оборудования, потребляющего электроэнергию без трансформатора. Главная его задача состоит в том, что он способствует преобразованию переменного тока в другое напряжение. Именно благодаря трансформатору осуществляется стабильная подача тока, если в электросети возникают его скачки. Кто изобрел непосредственно трансформатор, и кто считается первым создателем обозначенного устройства, и что послужило основанием для его изобретения, следует рассмотреть более подробно.

Предпосылки к созданию изобретения

Предпосылками создания трансформатора считается изучение действия электромагнитной индукции, которую в 1831 году придумал Фарадей. На основании этого, французский механик Генрих Даниель Румкорф в 1848 году начал работу над созданием индукционной катушки. Предпосылкой стало необходимость преобразования постоянного тока в переменный. Г.Д. Румкорф один из первых, кто обратил внимание, что благодаря изобретению Фарадея можно создавать токи с достаточно высоким напряжением.

Конструкция и принцип действия первого трансформатора

Изначально хочется отметить, что идея преобразования постоянного тока была начата в 1848 году, но изобретатель Румкорф только спустя несколько лет смог представить своим коллегам работающую модель. Главная сложность в процессе работы заключалась в намотке тончайшей проволоки непосредственно для вторичную обмотку. Кроме этого, ему пришлось произвести изолирование тонкой, как волос проволоки, а потом ее намотать на катушку. Конструкция первого трансформатора, а вернее индукционной катушки была простейшей. Состояла она из:

1. Сердечника, который представлял собой стержень, изготовленный из нарезанных кусков стальной проволоки.
2. На сердечник наматывалось небольшое количество витков из толстой проволоки предварительно обмотанной изолирующим материалом. Это была первичная обмотка.
3. На вторичной обмотке была применена тончайшая проволока, которая изначально изолировалась. В данном случае количество витков могло быть от 16 000 до 1 000 000.

Что касается принципа действия, то оно заключалось в том, Генрих Румкорф применил специальный прерыватель, который способствовал включению последовательности работы катушки. При использовании обозначенного переключателя происходило переменное замыкание, которое увеличивало напряжение во вторичной обмотке. Величина зависела от количества витков непосредственно на вторичной обмотке. То есть, например, если на первичной обмотке было 28 витков, то на вторичной их было в 20 раз больше.

Соответственно напряжение увеличивалось в 2 и больше раза. Для того чтобы происходило необходимое прерывание, использовалась специальная пружинная пластина, которая в последствии размыкала цепь постоянного тока. Но для этого требовалось наличие магнитного поля. С этой целью был применен сердечник изготовленный из материала, который удерживал магнитное поле.

Подключалась индукционная катушка к батарее элементов, благодаря специальному переключателю, ток батареи проходя по первичной обмотке катушки намагничивает сердечник. Далее процесс заключался в том, что:

1. Намагнитившийся сердечник притягивал к себе переключатель, тем самым разрывая цепь первичной обмотки.
2. Притянутый переключатель способствовал размагничиванию сердечника, который в последующем возвращался в исходное положение.

Благодаря происходящему в процессе замыкания получался прерывистый ток. Кроме этого, в результате изменения магнитного поля в первичной обмотке, пересекая витки вторичной обмотки индуктирует в ней электродвижущую силу (ЭДС).

Важно! Патент на трансформатор был вручен непосредственно П.Н. Яблочкову 30 ноября 1876 года. Именно эта дата считается днем рождения трансформатора.

Как развивались технологии дальше

Открытие французского механика относительно устройства переменного тока получило широкое применение только в 70-х года ХХ века. Все дело в том, что он только изобрел первый трансформатор, хотя изобретение требовало совершенствование. На основании созданного прототипа другие ученые занимались его дальнейшей разработкой. В 1876 году П.Н. Яблочков представил усовершенствованную модель трансформатора. Хотя нужно сказать, что были внесены немного изменений и дополнений. К примеру:

1. В качестве сердечника ученый использовал специальный стержень, на который непосредственно осуществлялась намотка обмотки.
2. Вместо, ранее используемой пружинной пластины за основу он взял индукционную катушку.

Благодаря внесенным изменениям работа первичной обмотки осуществлялась согласно обусловленной последовательности, тем самым предоставляя напряжение, которое требовалось для работы электроприборов.

Но следует сказать, что совершенствование первого трансформатора осуществлялось и другими учеными. Непременно необходимо упомянуть, что Яблочков сделал преобразующее ток устройство с разомкнутыми сердечниками, что в свою очередь предусматривало большие затраты электроэнергии. Спустя некоторое время братья Гопкинсоны в 1882 году сделали трансформатор с замкнутыми сердечниками и это послужило стартом для экономии потребления электричества в будущем.

Сутью совершенствования стало то, что они поставили на сердцевину катушки, имеющие высокое и низкое напряжение. А вот сам стержень состоял из проволоки и стальных полосок, которые разделялись между собой материалом с изоляционными характеристиками.

В дальнейшем работы по усовершенствованию трансформаторов продолжались. Основанием этого являлось уменьшение потребления электроэнергии, поскольку предыдущие устройства ее расходовали достаточно много. Немаловажным открытием считается изобретение трехфазного трансформатора русским инженером Доливо-Добровольским в 1890 году. На основании произведенных ним расчетов он доказал, что благодаря трехфазному трансформатору можно экономить потребляемую электроэнергию.

Современная история развития кратко

Сегодня в быту и в производстве применяется огромное количество оборудования, которое работает благодаря электроэнергии. Чтобы снизить ее расходование используются современные технологии, а также осуществляется:

• сокращение расхода изоляционных материалов;
• использование специального трансформаторного масла;
• применяется другой металл и масса обмоток.

Следует сказать, что современные трансформаторы имеют непосредственно замкнутый сердечник, а их первичные обмотки включаются только параллельно. Сегодня оборудование также продолжают совершенствовать, но только сердечники. То есть цель состоит в том, чтобы создать материал, который поможет снизить потери энергии, а также увеличить эффективность преобразовательного устройства.

Преимущества современных трансформаторов

В современном мире все со временем только совершенствуется. Хотя за основу берутся открытия, которые имеют многовековую историю. Это же касается и современных трансформаторов. Чтобы понять, в чем состоят главные преимущества обозначенного устройства, следует отметить несколько значимых фактов:

1. Первые трансформаторы были достаточно увесистые, а сейчас они могут весить меньше 100 граммов.
2. Раньше обозначенные устройства имели значительные габариты. Современные трансформаторы некоторых типов могут свободно поместиться в ладошке.
3. Изначально происходила большая потеря электроэнергии, сейчас же можно ее экономить.
4. На текущее время преобразовательное устройство тока может использоваться в различных бытовых и промышленных оборудованиях.
5. Совершенствование технологий позволяет экономить на материалах для изготовления трансформаторов.
6. Долговечность современных устройств.
7. В силу увеличения потребляемой энергии из-за развития разного рода производства можно сделать преобразовательные устройства различных размеров, даже самых огромных

Одним из немаловажных показателей считается то, что современные трансформаторы отличаются от своих предшественников малым количеством выбросов парниковых газов.

В завершение непременно нужно сказать, что благодаря изобретению трансформатора можно быть уверенным, что оборудование, которое потребляет электроэнергию, будет работать, согласно требуемого ему напряжению. Все дело в том, что подаваемое исходное напряжение превышает, то, которое требуется разным электроприборам.

С помощью преобразования тока исключается риск порчи приобретенного оборудования из-за замыкания и не допускает его возгорания.