- Відкриття електромагнітної індукції Майклом Фарадеєм
- Експерименти з індукторами
- Перший трансформатор і електричне освітлення
- Винахід Голара і Гіббса
- Трансформатори використовуються в системах передачі електроенергії
- Трансформатори Стенлі - Вестінгауз
- Створення трифазного трансформатора
Описана історія розвитку трансформаторів, починаючи з відкриття електромагнітної індукції , І закінчуючи створенням трифазного трансформатора.
Вісімдесяті роки XIX століття ввійшли в історію техніки під назвою періоду "Трансформаторних битв". Таке незвичайне назва вони одержали тому, що винахід трансформатора стало одним з найсильніших аргументів на користь змінного струму . А справжня битва йшла між прихильниками постійного і змінного струмів і відображала пошуки шляхів виходу з назрілого енергетичної кризи, пов'язаного з проблемою централізованого виробництва електроенергії і передачею її на великі відстані.
Схематичне зображення майбутнього трансформатора вперше з'явилося в 1831 році в роботах Фарадея і Генрі. Однак ні той, ні інший не відзначали в своєму приладі такої властивості трансформатора, як зміна напруг і струмів, тобто трансформація змінного струму.
Відкриття електромагнітної індукції Майклом Фарадеєм
Отже, явище, що лежить в основі дії електричного трансформатора, було відкрито англійським фізиком Майклом Фарадеєм в 1831 році при проведенні їм основоположних досліджень в області електрики. Ця подія стала справжньою революцією в молодий тоді області електротехніки, пов'язаної зі створенням ланцюгів електричного освітлення.
У своїх експериментах Фарадей спирався на результати датського фізика Ганса Крістіана Ерстеда, який в 1820 році встановив, що струм, що проходить по провіднику, створює навколо нього магнітне поле . Відкриття Ерстеда було сприйнято з великим інтересом, оскільки електрику і магнетизм вважалися до цього проявами абсолютно різних і незалежних один від одного сил. І вже якщо електричний струм міг породжувати магнітне поле, то здавалося цілком імовірним, що магнітне поле в свою чергу могло породжувати електричний струм.
У 1831 році Фарадей показав, що для породження магнітним полем струму в провіднику необхідно, щоб поле було змінним. Фарадей зраджував напруженість магнітного поля , Замикаючи і розмикаючи електричний ланцюг, яка породжує поле. Той же ефект досягається, якщо скористатися змінним струмом, т. Е. Струмом, напрямок якого змінюється з часом. Це явище взаємодії між електричними і магнітними силами отримало назву електромагнітної індукції.
Експерименти з індукторами
Після свого відкриття Фарадей не став детально дослідити відкрите явище, вважаючи, що його роботу продовжать інші. Однак насправді виявилося, що протягом кількох наступних десятиліть пристрої, подібні трансформаторів, не знайшли широкого практичного застосування.
Особливий інтерес представляли перші експерименти з "індукторами", що складаються з дроту, намотаного на залізний сердечник, зокрема, вивчення здатності цих пристроїв породжувати іскри, коли струм в обмотці переривався.
Серед відомих вчених, що займалися цим явищем, був американець Джозеф Генрі, перший секретар і директор Смітсонівського інституту (Smithsonian Institution).
У цих експериментах з'ясувалося, що струми, що циркулюють в суцільних металевих сердечниках, розсіювали енергію. Щоб звести до мінімуму ці так звані вихрові струми , сердечники стали робити непроводящими в напрямку, перпендикулярному магнітним силовим лініям трансформатора. Тепер сердечники представляли собою "зв'язку" ізольованих залізних дротів.
Перший трансформатор і електричне освітлення
Заслуга в розробці першого в світі прообразу трансформатора, належить нашому співвітчизнику, російському інженеру-електротехніку Павлу Миколайовичу Яблочкова.
У роки перебування у Франції Павло Миколайович працював не тільки над винаходом і удосконаленням електричної свічки, відомої під назвою "свічка Яблочкова", але і над вирішенням інших практичних завдань.
По-перше, Яблочков сконструював перший генератор змінного струму, який, на відміну від постійного струму , Забезпечував рівномірне вигорання вугільних стрижнів за відсутності регулятора, першим застосував змінний струм для промислових цілей.
Відео 1. Свічка Яблочкова
По-друге, Яблочков чітко зрозумів роль індукційної котушки як засобу електричного поділу кіл змінного струму. Навіть самим фактом патентування системи "дроблення світла" у багатьох країнах він так підкреслював важливість нової пропозиції. Бобіни, як їх тоді називали, мали однакове число витків в первинній та вторинній обмотках, сталевий сердечник був розімкненим і представляв собою стрижень, на який намотувалися обмотки.
30 листопада 1876 року, дата отримання Яблочкова патенту на системи "дроблення світла", вважається датою народження першого трансформатора.
Свічки Яблочкова, що працювали за такою схемою, запалилися в Москві і Підмосков'ї, Ораниенбауме, Києві, Нижньому Новгороді, Гельсингфорсе (Гельсінкі), Одесі, Харкові, Миколаєві, Брянську, Архангельську, Полтаві, Красноводську, Саратові та інших містах Росії.
З найбільшим інтересом винахід Павла Миколайовича Яблочкова була зустрінута в установах військово-морського флоту. До середини 1880 року в Росії було встановлено близько 500 ліхтарів зі свічками Яблочкова. З них більше половини було встановлено на військових судах і на заводах військового і військово-морського відомств. Наприклад, на Кронштадтському пароплавної заводі було встановлено 112 ліхтарів, на царській яхті "Лівадія" - 48 ліхтарів, на інших судах флоту - 60 ліхтарів, при цьому установки для освітлення вулиць, площ, вокзалів і садів мали кожна не більше 10-15 ліхтарів.
Ставало дедалі ясніше, що система електропостачання на постійному струмі не має перспектив. З досвіду експлуатації дугових джерел світла було встановлено оптимальне напруга живлення свічок рівне 110 В. Через це, радіус електропостачання не перевищував декількох сотень метрів. Потрібно було вирішувати питання ефективного розподілу електроенергії, який не вимагав би великих витрат на прокладку проводів великого перерізу.
Малюнок 2. Схема розподілу змінного струму з трансформаторами Яблочкова (з російської привілеї 1877 року)
Винахід Голара і Гіббса
Новим кроком у використанні трансформаторів з розімкненим сердечником для розподілу електроенергії стала "система розподілу електрики для виробництва світла і рухової сили", запатентована у Франції в 1882 році Голара і Гиббсом. Запатентований ними пристрій вони назвали - "вторинний генератор".
Відео 2. Вторинний генератор Голарда і Гіббса
Французький винахідник Люсьєн Голара і англійський промисловець Джон Гіббс скористалися трансформаторами для під'єднання ламп розжарювання до освітлювальної системі на дугових лампах. Оскільки дугові лампи з'єднувалися послідовно, первинні обмотки трансформаторів знаходилися в послідовному з'єднанні з дуговими лампами.
Тобто трансформатори Голара і Гіббса призначалися вже для перетворення напруги, і мали коефіцієнт трансформації відмінний від одиниці. Трансформатори з розімкненим сердечником в 1883 році встановлюються на підстанціях Лондонського метрополітену, а 1884 році - в Турині (Італія).
Вторинний генератор не знайшов широкого застосування, однак він стимулював створення інших пристроїв.
Серед тих, хто зацікавився роботою Голара і Гіббса, були три угорських інженера Микша Дері, Отто Тітус Блаженний і Карой Циперновський, з будапештського фірми Ganz and Company. Вони були присутні при демонстрації дії вторинного генератора в Італії і прийшли до висновку, що послідовне з'єднання має серйозні недоліки.
Після повернення в Будапешт Дері, Блаженний і Циперновський сконструювали і виготовили кілька трансформаторів для систем паралельного з'єднання з генератором.
Їх трансформатори (із замкнутими залізними сердечниками, які значно краще підходили для паралельного з'єднання, ніж "зв'язки" залізних дротів з відкритими кінцями) були двох типів. У першому типі провід намотувався на тороидальний сердечник, в другому, навпаки, залізні дроти сердечника намотувалися навколо тороидальной "зв'язки" провідників.
У травні 1885 р Дері, Блаженний і Циперновський продемонстрували на національній виставці в Будапешті свою систему, яку прийнято вважати прототипом сучасних освітлювальних систем. Вона складалася з 75 паралельно з'єднаних трансформаторів, підводили харчування до 1067 лампам розжарювання Едісона від генератора змінного струму з напругою 1350 В. Трансформатори мали тороїдальні залізні сердечники.
Потрібно відзначити, що вперше пропозиції про паралельному включенні трансформаторів висловив Р. Кеннеді в 1883 році, але більш всебічно цей спосіб з'єднання був все ж вивчений Мікш Дері, який в 1885году отримав патент на паралельне включення первинних і вторинних обмоток трансформаторів і показав перевагу такого включення.
Незалежно від нього аналогічний патент в Англії отримав Себастіан Ціан Ферранті.
Система Голара і Гіббса справила також враження на американця на ім'я Джордж Вестінгауз. У 80-х роках Вестінгауз був уже визнаним винахідником і промисловцем. У той час він працював над системою розподілу природного газу для освітлення. Після успіхів, досягнутих Едісоном, Вестінгауз зацікавився новим джерелом енергії, але сумнівався в можливості її широкого застосування.
Його скептицизм був в достатній мірі виправданим. У паралельних системах збільшення навантаження вимагало збільшення сили струму, а навантаження в масштабах цілого міста зажадала б колосальних струмів. Однак передача електроенергії при великих токах неефективна. Потрібно було або передавати струм по дуже товстим мідним проводам, або будувати електростанції в безпосередній близькості від споживача, розкидавши безліч дрібних генераторів по всій території міста.
Трансформатори використовуються в системах передачі електроенергії
Багато фахівців шукали способи передачі електроенергії при більш високій напрузі в порівнянні з тим, що було потрібно в споживаючих пристроях.
У 1884 р Вестінгауз найняв молодого інженера Вільяма Стенлі, у якого виникла ідея скористатися трансформатором для вирішення проблеми передачі електроенергії. Дізнавшись про роботу Голара і Гіббса, він порадив Вестінгауз придбати патенти на трансформатор.
Стенлі був переконаний у перевагах паралельних схем з'єднання, і до початку літа 1885 року ним уже було створено кілька трансформаторів з сердечниками замкнутої форми.
Незабаром в зв'язку з погіршенням стану здоров'я Стенлі змушений був виїхати разом зі своєю лабораторією з промислового задимленого Піттсбурга. З схвалення Вестінгауз він переселився в Грейт-Беррінгтон, штат Массачусетс, де продовжував працювати над трансформаторами.
Тим часом Вестінгауз, ще не до кінця переконаний в ефективності паралельного з'єднання, експериментував з різними комбінаціями вторинних генераторів Голара і Гіббса разом з іншим піонером в області електротехніки Олівером Блекберном Шелленбергера.
Трансформатори Стенлі - Вестінгауз
До грудня 1885 успіхи, досягнуті Стенлі, нарешті, переконали Вестінгауз і він разом з Шелленбергера і ще одним блискучим інженером Альбертом Шмідом приступив до вдосконалення трансформатора Стенлі, з тим, щоб він (на відміну від угорського тороїдального пристрою) став простим і дешевим у виробництві .
Спочатку сердечник виготовлявся з тонких залізних пластин у формі літери М. Обмотки з ізольованого мідного дроту намотувалися на горизонтальну частину сердечника, вільні кінці якого замикалися додатковими шарами залізних смужок.
Стенлі запропонував виготовляти залізні пластини у формі літери Ш, щоб центральний стрижень можна було легко вставляти в заздалегідь намотану котушку. Ш-образні пластини вкладалися в чергуються протилежних напрямках, а на кінці пластин вкладалися прямі залізні смужки для замикання магнітного ланцюга. Ця конструкція трансформатора застосовується і в наші дні.
Сердечники перших трансформаторів Стенлі - Вестінгауз складалися з тонких пластин листової сталі і характеризувалися значними втратами на гистерезис - так називається ефект "запам'ятовування" в магнітних матеріалах, що зменшує коефіцієнт корисної дії трансформатора. Ці втрати поступово стали знижуватися за рахунок ретельного підбору сортів стали.
Створення трифазного трансформатора
Передача електричної енергії змінним струмом високої напруги виявилася можливою після створення однофазного трансформатора з замкнутої магнітної системою.
російський інженер Доливо-Добровольський виступив з пропозицією застосовувати для цілей передачі і експлуатації електроенергії розроблену ним систему трифазного змінного струму. Доливо-Добровольський показав, що стосовно передачі електроенергії система трифазного струму, в порівнянні з системою двухфазного струму, є більш економічною, але вирішальну перевагу трифазної системи він бачив "в чудових якостях" розроблених ним трифазних асинхронних двигунів. У цьому напрямку він провів величезну творчу роботу: довів, що за допомогою трифазного струму можна створити в машині таке ж обертове магнітне поле, як і за допомогою двофазного струму, розробив основні модифікації трифазного асинхронного двигуна. Паралельно з цим Доливо-Добровольський розробив конструкцію трифазного трансформатора спочатку, в 1890 році, з розташуванням сердечників по колу і кільцевими ярмамі, а потім зі звичайним в даний час розташуванням стрижнів в одній площині. А так як, окрім цього, Доливо-Добровольський багато працював в області теорії, розрахунку і конструювання електричних машин, то можна сказати, що він розробив власне все елементи трифазної системи. Запропонована Доливо-Добровольським система трифазного струму викликала жвавий інтерес і привернула до себе повсюдне увагу. Незважаючи на ряд заперечень, її технічні переваги були настільки великі і очевидні, що вже найближчим часом вона зайняла провідне місце в ряду інших систем.
Відео 3. Трансформатори та їх застосування