Трансформація трансформатора

Трансформация трансформатора

Ян Шнейберг.

В сучасної електроенергетиці, радіотехніці, електрозв’язку, системах автоматики щонайширший застосування отримав трансформатор, котрий за правом вважається однією з поширених видів електричного устаткування. Винахід трансформатора — одне з чудових сторінок на історії електротехніки. Минуло майже 120 років після створення першого промислового однофазного трансформатора, над винаходом якого трудилися починаючи з 30-х і по середини1980;х років ХІХ століття вчені, інженери різних країн.

В час відомі тисячі різноманітних конструкцій трансформаторів — від мініатюрних до гігантських, транспортуванню яких потрібні спеціальні залізничні платформи чи потужні плавучі кошти.

Как відомо, під час передачі електроенергії на велику відстань застосовується напруження як у сотні тисяч вольт. Але безпосередньо вживати такі величезні напруги споживачі, зазвичай, що неспроможні. Тому електроенергія, вироблювана на ТЕС, ГЕС або АЕС, піддається трансформації, унаслідок чого загальна потужність трансформаторів у кілька разів перевищує встановлену потужність генераторів на електростанціях. Втрати енергії в трансформаторах мали бути зацікавленими мінімальними, і це проблема завжди було одним із головних за її конструюванні.

Создание трансформатора можна було після відкриття явища електромагнітної індукції видатними вченими у першій половині в XIX ст. англійцем.

М. Фарадеем (1831) і американцем Д. Генрі (183). Широко відомий досвід Фарадея з залізним кільцем, де були намотані дві ізольовані друг від друга обмотки, первинна, сполучена з батареєю, і вторинна — з гальванометром, стрілка якого відхилялася при размыкании і замиканні первинної ланцюга. Можна вважати, що пристрій Фарадея була прообраз сучасного трансформатора. Але Фарадей, ні Генрі були винахідниками трансформатора. Не займалися дослідженням проблеми перетворення напруги, у тому дослідах прилади харчувалися постійним, а чи не змінним струмом діяли не безупинно, а миттєво в моменти включення чи вимикання струму в первинної обмотці.

Первыми електричними приладами, у яких використовувалося явище електромагнітної індукції, були індукційні котушки. Вони при размыкании первинної обмотки у вторинної наводилася значна за величиною ЭДС, вызывавшая між кінцями цієї обмотки великі іскри. Таких приладів у протягом 1835−1844 років було запатентоване кілька десятків. Найдосконалішою була индукционная котушка німецького фізика Г. Д. Румкорфа1.

Индукционная котушка захищає Кронштадт

Первое успішне застосування індукційною котушки було профінансовано на початку 40-х років ХІХ століття російським академіком.

Б.С. Якобі (1801−1874) для запалення порохових зарядів підводних електричних хв. Споруджених під керівництвом мінні загородження в Фінській затоці закрили шлях до Кронштадту двом англо-французьким эскадизвестно, що під час цієї війни велике значення мала оборона узбережжя. Величезна англо-французька ескадра, що складалася з 80 кораблів із загальною кількістю знарядь 3600, безуспішно намагалася прорватися до Кронштадту. Коли флагманський корабель «Мерлін» зіштовхнувся з підводного електричної міною, ескадра була змушена залишити Балтійське море.

Вражеские адмірали з жалем визнали: «Союзний флот неспроможна зробити нічого рішучого: боротьби з могутніми укріпленнями Кронштадта піддала тільки б марному ризику долю кораблів». Відома англійська газета «Геральд» посміювалася над віце-адміралом Непиром: «Прийшов, побачив… не переміг… Росіяни сміються, і ми смішні, у самому справі». Електричні міни, невідомі у Європі, змусили відступити дивовижний флот, який коли-небудь з’являвся у морі, він, як писала інша газета, не лише «не підсунув вперед війни, але повернувся, не здобувши жодної перемоги».

Впервые индукционная котушка як трансформатора було застосовано талановитим російським электротехником-изобретателем Павлом Миколайовичем Яблоковым (1847−1894).

В 1876 р. він винайшов наменитую «електричну свічку» — перший джерело електричного світла, який одержав широке застосування і знаний під назвою «російського світла». Завдяки простотою «електрична свіча» в протягом кількамісячної поширилася усією Європою і навіть досягла покоїв перського шаха і короля Камбоджі.

Для одночасного включення до електричну мережу великого числа свічок Яблочков винайшов систему «роздрібнення електричної енергії» у вигляді індукційних котушок (рис. 1). Патенти на «свічку» і схему їхнього вмикання він отримав в 1876 р. мови у Франції, куди змушений був виїхати з Росії, аби в «боргову» в’язницю. (Він володів невеличкий електротехнічній майстерні і захоплювався експериментуванням з приладами, які на ремонт, який завжди вчасно розраховуючись з кредиторами.).

В розробленої Яблочковым системі «роздрібнення електричної енергії» первинні обмотки індукційних котушок включалися послідовний у мережу змінного струму, тоді як у вторинні обмотки могло включатися різне число «свічок», режим чиїх робіт не залежав від режиму інших. Як зазначалося в патенті, така схема дозволяла «здійснювати роздільне харчування кількох освітлювальних приладів з різною силою світла від єдиного джерела електрики». Очевидно, що у цій схемою индукционная котушка працювала як трансформатора.

Если в первинну мережу включався генератор постійного струму, Яблочков передбачав установку спеціального прерывателя. Патенти вмикання свічок у вигляді трансформаторів отримано Яблочковым мови у Франції (1876), Німеччини та Англії (1877), у Росії (1878). І коли кілька людей років почався суперечка у тому, кому належить пріоритет у винаході трансформатора, французьке суспільство «Електричне висвітлення», яке видало 30 листопада 1876 г. ообщении підтверджувало пріоритет Яблочкова: в патенті «…був описаний принцип дії і знаходять способи включення трансформатора». Повідомлялося також, що «пріоритет Яблочкова визнаний й у Англії».

Схема «роздрібнення електричної енергії» у вигляді трансформаторів демонструвалася на електричних виставках у Парижі й Москві. Ця установка була прообразом сучасної електричної мережі з основними елементами: первинний двигун — генератор — лінія передачі - трансформатор — приймач. Видатні заслуги Яблочкова у розвитку електротехніки було виявлено вищою нагородою Франції - Орденом Почесного легіону.

В 1882 р. лаборант Московського університету І.Ф. Усагин демонстрував на Промисловій виставці у Москві схему «роздрібнення» Яблочкова, але у вторинні обмотки котушок включив різні приймачі: електродвигун, нагрівальну спіраль, дугову лампу, електричні свічки. Тим самим він вперше продемонстрував універсальність змінного струму і він нагороджений срібну медаль.

Как зазначалось, встановленні Яблочкова трансформатор у відсутності замкнутого магнитопровода, що цілком задовольняло технічним вимогам: при послідовному включенні первинних обмоток включення і вимикання одних споживачів у вторинних обмотках не впливало на режим роботи інших.

Изобретения Яблочкова дали потужний поштовх застосуванню змінного струму. У різних країнах стали створюватися електротехнічні підприємства виготовлення генераторів змінного струму і удосконалення апаратів щодо його трансформації.

Когда виникла потреба передавання електроенергії на великі відстані, використання цих цілей постійного струму високої напруги виявилося неефективним. Перша електропередача на перемінному струмі було здійснено в 1883 р. висвітленню Лондонського метрополітену, довжина лінії становить близько 23 км. Напруга підвищувався до 1500 У з допомогою трансформаторів, створених у 1882 р. мови у Франції Л. Голяром і Д. Гиббсом. Ці трансформатори також був із розімкнутим магнитопроводом, але призначалися вже для перетворення напруження і мали.

коэффициент трансформації, відмінний від одиниці. На дерев’яної підставці зміцнювалося кілька індукційних котушок, первинні обмотки яких з'єднувалися послідовно (рис. 2). Вторинна обмотка була секционирована, й кожна секція мала два виведення для підключення приймачів. Винахідники передбачили висування сердечників для регулювання напруги на вторинних обмотках.

Современные трансформатори мають замкнутий магнитопровод та його первинні обмотки включені паралельно. При паралельному включенні приймачів застосування разомкнутого магнитопровода технічно не виправдано. Встановлено, що трансформатор з замкнутим магнитопроводом має найкращими робітниками характеристиками, має менші втрата часу та більший ККД. Тож за збільшення дальності електропередачі і підвищення напруги в лініях стали конструювати трансформатор з замкнутим магни1884 р. в Англії братами Джоном і Едуардом Гопкинсонами (рис. 3). Магнитопровод був набрано з сталевих ізольованих друг від друга смуг, що знижувало втрати на вихрові струми. На магнитопроводе розташовувалися, чергуючись, котушки високого (2) і низького (3) напруги. На недоцільність експлуатації трансформатора з замкнутим магнитопроводом при послідовному поєднанні первинних обмоток вперше зазначив американський електротехнік Р. Кеннеді 1883 р., підкресливши, зміна навантаження у вторинної ланцюга одного трансформатора впливатиме працювати інших споживачів. Це можна усунути при паралельному включенні обмоток. Перший патент таких трансформатори отримав М. Дери (у лютому 1885 р.). У наступних схемах електропередачі високої напруги первинні обмотки стали включатися паралельно.

Наиболее скоєні однофазные трансформатори з замкнутим магнитопроводом розробив 1885 р. угорськими електротехніками: М. Дери (1854−1934), Про. Блати (1860−1939) і Ко. Циперновским (1853−1942). І саме вперше застосували термін «трансформатор». У патентної заявці вони засвідчили її значної ролі замкнутого шихтованного магнитопровода, особливо потужних силових трансформаторів. Ними ж було запропоновано три модифікації трансформаторів, що застосовуються до справжнього часу: кільцевої, броньовим і стрижневою (рис. 4). Такі трансформатори серійно випускалися электромашиностроительным заводом «Ганца і Ко» у Будапешті. Вони містили все елементи сучасних трансформаторів.

Первый автотрансформатор створили електриком американської фірми «Вестінгауз» У. Стенлеем в 1885 р., його успішне випробування відбулося у р. Пітсбурзі.

Большое значення підвищення надійності трансформаторів мало запровадження олійного охолодження (кінець 1880-х років, Д. Свинберн). Перші трансформатори Свинберн поміщав в керамічні судини, наповнені олією, значно підвищувало надійність ізоляції обмоток. Усе це сприяло широкому застосуванню однофазних трансформаторів в цілях висвітлення. Найпотужніша установка фірми «Ганца і Ко» була споруджена у Римі в 1886 р. (15 000 кВА). Однією із перших електростанцій, побудованих фірмою у Росії, була станція Одеси висвітленню нового оперного театру, широко відомого в Європі.

Триумф змінного струму. Трифазні системи

80-е роки ХІХ ст. увійшли до історію електротехніки під назвою «трансформаторних битв». Успішна експлуатація однофазних трансформаторів стала переконливим аргументом на користь застосування змінного струму. Але володарі великих електротехнічних фірм, випускали устаткування постійному струмі, не бажали втрачати прибутків і всіляко перешкоджали впровадженню змінного струму, особливо електропередачі великі відстані.

Щедро оплачувані журналісти поширювали про перемінному струмі всілякі небилиці. Противником змінного струму виступив та знаменитий американський винахідник Т.А. Едісон (1847−1931). Після створення тн відмовився може бути з його випробуванні. «Ні, немає, — вигукнув він, — перемінний струм — це дурниця, яка має майбутнього. Не тільки хочу оглядати двигун змінного струму, а й знати про неї!» Біографи Едісона стверджують, що, проживши довге життя, винахідник переконався у хибних поглядах, і багато б віддав, аби повернути своє слово назад.

Об гостроті трансформаторних битв образно писав відомий російський фізик О.Г. Столєтов в 1889 р. у журналі «Електрика»:

«Невольно згадується та цькування, її піддавалися трансформатори у нашій вітчизні щодо недавнього проекту фірми „Ганца і Ко“ висвітлити частину Москви. І на усних доповідях, й у газетних статтях система обличалась чимось єретичне, ненациональное і консультації безумовно, згубне: доводилося, що трансформатори повністю заборонялися переважають у всіх порядних державах Заходу і терпятся хіба у який-небудь Італії, падка дешевиною». Не всім відомо, що страти на електричному стільці у штаті Нью-Йорк в 1889 р. з допомогою змінного струму високої напруги бізнесмени від електротехніки також прагнули використовуватиме компрометації змінного струму, небезпечної життя.

Создание надійних однофазних трансформаторів відкрило дорогу будівництва електростанцій і лінії передач однофазного струму, який став широко використовуватися для електричного висвітлення. Однак у з недостатнім розвитком промисловості, будівництвом великих заводів і фабрик дедалі більше гостро стала відчуватися потреба у простій дії економічному електродвигуні. Як відомо, однофазные двигуни змінного струму немає початкового пускового моменту і могли використовуватися з метою електропривода. Так було в середині 1980;х років в XIX ст. виникла комплексна енергетична проблема: необхідно було створити установки для економічною передавання електроенергії високої напруги великі відстані розробити і конструкцію простого і высокоэкономичного електродвигуна змінного струму, удовлетворявшего вимогам промислового електропроводи.

Благодаря зусиллям учених й інженерів різних країн цю проблему була успішно вирішена з урахуванням многофазных електричних систем. Експерименти показали, що найбільш доцільною є трифазна система. Найбільших успіхів з розробки трифазних систем домігся видатний російський електротехнік М.О. Доливо-Добровольский (1862−1919), змушений довгі роки жити і у Німеччини. У 1881 р. він був відрахований з Ризького політехнічного інституту за у студентському революційному русі без права надходження у вищий навчальний заклад Росії.

В 1889 р. він винайшов дивовижно простий трифазний асинхронний двигун з короткозамкнутым ротором, конструкція що його принципі збереглася і по нашого часу. Для передавання електроенергії за вищого напрузі потрібно було три однофазних трансформатора, значно здорожувало всю установку. У тому ж 1889 р. Доливо-Добровольский, проявивши незаурядныеретателя, створює трифазний трансформатор.

Но до тієї конструкції, яка подібно асинхронному двигуну у принципі збереглася до нашого часу, вона прийшла не відразу. Спочатку це був апарат з радиальным розташуванням сердечників. Його конструкція ще нагадує електричну машину без повітряного зазору з виступаючими полюсами, а обмотки ротора перенесені на стрижні. Потім було кілька конструкцій «призматичного» типу. Нарешті, в 1891 р. учений отримав патент на трифазний трансформатор з паралельним розташуванням сердечників одноплощинно, такий сучасному (рис. 5: а, б, в).

Генеральным випробуванням трехфазной системи з допомогою трифазних трансформаторів стала Лауфен-Франкфуртская електропередача, споруджена в 1891 р. у Німеччині з участю Доливо-Добровольского, який розробив нею необхідне устаткування. Поблизу містечка Лауфен у водоспаду річці Неккар була споруджена гідростанція, гидротурбина якої могла розвивати корисну потужність близько к.с. Обертання передавалося на вал трифазного синхронного генератора. З допомогою трифазного трансформатора потужністю 150 кВА (таких трансформаторів раніше хто б виготовляв), електроенергія при напрузі 15 кВ передавалася по трехпроводной лінії передач на величезне для на той час відстань (170 км) до Франкфурта-на-Майні, де відкривалася міжнародна технічна виставка. ККД передачі перевищував 75%. У Франкфурті на виставкової майданчику було встановлено трифазний трансформатор, понижавший напруга до 65 У. Виставку висвітлювало 1000 електричних ламп. У залі встановили трифазний асинхронний двигун потужністю близько 75 кВт, приводивший на дію гідравлічний насос, який подавав воду для яскраво освітленого декоративного водоспаду. Існувала своєрідна енергетична ланцюг: штучний водоспад створювався енергією природного водоспаду, віддаленого від першого на 170 км. Вразливі відвідувачі виставки були вражені чудесними здібностями електричної енергії.

Эта передача стала справжнім тріумфом трифазних систем, світовим визнанням видатного внеску до електротехніку, зробленого М.О. Доливо-Добровольским. З 1891 р. веде своє керівництво сучасна електрифікація.

С зростанням потужності трансформаторів розпочинається будівництво електростанцій і енергетичних систем. Зароджується і продовжує стрімко розвивається електропривод, електротранспорт, электротехнология. Цікаво помітити, що першою найпотужнішої у світі електростанцією з трехфазными генераторами і трансформаторами була станція обслуговування першого Росії промислового підприємства з трифазним електроустаткуванням. То справді був Новоросійський елеватор. Потужність синхронних генераторів електростанції становила 1200 кВА, трифазні асинхронні двигуни потужністю від 3,5 до 15 кВт наводили на дію використовувала різні механізми і машини, а частина електроенергії використовувалася висвітленню.

Постепенно електрифікація торкалася всі галузі птво, зв’язок, побут, медицину — той процес заглиблювався і розширювався, електрифікація приймала масового характеру.

В протягом XX в. у зв’язку з створенням потужних об'єднаних енергосистем, збільшенням дальності передачі електричної енергії, підвищенням напруги ЛЕП зростали вимоги до технічним, експлуатаційним характеристикам трансформаторів. У другій половині XX в. значний прогрес у виробництві потужних силових трансформаторів був із застосуванням для магнитопроводов холоднокатаної електротехнічній стали, що дозволило збільшити індукцію і применшити перетин і ваги сердечників. Сумарні втрати у трансформаторах знижувалися до 20%. Виявилося можливим зменшити розміри охолоджувальної поверхні олійних баків, що призвело до зменшення кількості олії та зниження загальної ваги трансформаторів. Постійно удосконалювалася технологія і автоматизація виробництва трансформаторів, впроваджувалися нові методи розрахунку міцності і стійкості обмоток, стійкості трансформаторів до впливу зусиль при коротких замиканнях. Один із актуальних проблем сучасного трансформаторобудування — досягнення динамічної стійкості потужних трансформаторів.

Огромные перспектив щодо шляху збільшення потужностей силових трансформаторів відкриваються під час використання надпровідникової технології. Застосування нового класу магнітних матеріалів — аморфних сплавів, за оцінками фахівців, може знизити втрати енергії в осердях до70%.

Трансформатор на службі радіоелектроніки і електрозв’язку

После відкриття Р. Герцем (1857−1894) в 1888 р. електромагнітних хвиль і шляхом створення в 1904—1907 роках перших електронних ламп з’явилися реальні передумови реалізації бездротового зв’язку, потреба у якій усе зростала. Невід'ємним елементом схем для генерування електромагнітних хвиль високої напруги і частоти, і навіть посилення електромагнітних коливань став трансформатор.

Одним із перших учених, які досліджували хвилі Герца, був талановитий сербський учений Нікола Тесла (1856−1943), якому тут понад 800 винаходів у сфері електротехніки, радіотехніки і телемеханіки і був американці називали «королем електрики». У своїй лекції, прочитаної у Франклінівському університеті у Філадельфії в 1893 р., вона цілком точно висловився про можливість практичного застосування електромагнітних хвиль. «Я б, — говорив учений, — сказати кілька слів про об'єкт, який постійно в мене замислили, який зачіпає добробут усім нам. Я маю у вигляді передачу осмислених сигналів, можливо, навіть енергії будь-яку відстань цілком дротів. Щодня тим більше переконуюся в практичної здійсненності цієї схеми».

Экспериментируя з коливаннями високої частоти і прагнучи здійснити ідею «бездротового зв’язку», Тесла в 1891 р. створює одне із найбільш оригінальних приладів свого часу. Вченому прийшла щаслива думка — з'єднати щодо одного приладі властивості трансформаторй «резонанс-трансформатор», котрий зіграв величезну роль розвитку багатьох галузей електротехніки, радіотехніки і дуже відомий під назвою «трансформатора Теслы». Між іншим, з легкої руки французьких електриків і радистів цей трансформатор називався просто «Тесла».

В приладі Теслы первинна і вторинна обмотка були налаштовані в резонанс. Первинна обмотка (рис. 6) було включено через розрядник з індукційною котушками і конденсаторами. При розряді зміна магнітного поля була в первинної ланцюга викликає у вторинної обмотці, що з значної частини витків, струм дуже великого напруження і частоти.

Современные виміру показали, що з допомогою резонансного трансформатора можна було одержати високоякісні напруженості із амплітудою до одного мільйона вольт. Тесла зазначив, що, змінюючи ємність конденсатора, можна було одержати електромагнітні коливання з різноманітною довжиною хвиль.

Ученый пропонував використовувати резонанс-трансформатор для порушення «проводника-излучателя», піднятого високо над землею і здатна передавати енергію високої частоти без дротів. Вочевидь, що «випромінювач» Теслы був першою антеною, знайшла щонайширший використання у радіозв'язку. Якби учений створив чутливий приймач електромагнітних хвиль, він дійшов винаходу радіо.

Биографы Теслы вважають, щодо О. С. Попова і Р. Марконі Тесла був найближче до цього відкриття.

В 1893 р., протягом року до Рентгена, Тесла виявив «особливі промені», проникаючі через предмети, непрозорі для звичайного світла. Але не довів дослідження остаточно, й між них і Рентгеном надовго встановилися дружні відносини. У другій серії дослідів Рентген використовував резонанс-трансформатор Теслы.

В 1899 р. Тесле удалося за допомогою друзів спорудити наукову лабораторію в Колорадо. Тут в розквіті двох метрів він зайнявся вивченням грозових розрядів і встановленням наявності електричного заряду землі. Он оригінальну конструкцію «посилюючого передавача», нагадує трансформатор і що дозволяє отримувати напруги за кілька мільйонів вольт за частоти до 150 тисяч періодів в секунду. До вторинної обмотці він приєднав щоглу заввишки близько 60 м. При включенні передавача Тесле вдалося спостерігати величезні блискавки, розряд довжиною до 135 футів і навіть грім. Він знову повертався до думки про використання струмів високої частоти для «висвітлення, нагріву, пересування електричного транспорту землі й у повітрі», але, природно, реалізувати свої ідеї він у той час було. Резонанс-трансформатор Теслы знайшов застосування в радіоприймальної техніці початку XX в. Його конструктивна модифікація виготовлялася фірмою «Марконі» під назвою «джиггера» (сортувальника) і використовувалася також і очищення сигналу від перешкод.

Проблемы дальності зв’язку вдалося розв’язати з приходом підсилювачів. Трансформатор набув широкого використання у схемах підсилювачів, заснованих на виключно використанні винайденою в 1907 р. американським радиотехником.

На рис. 7 зображено схема тріода, що у якості підсилювача переданих сигналів. Електричні коливання, подводимые до триоду, значно збільшуються з допомогою керуючої сітки і крізь вихідний трансформатор надходять в лінію зв’язку. Якщо лінії через певні проміжки встановлювати підсилювачі (тепер вони не лампові, а напівпровідникові), то дальність зв’язку значно зростає.

В XX в. електроніка пройшла величезний шлях від громіздких лампових пристроїв до полупроводной техніки, мікроелектроніки і оптоелектроніки в. І чи завжди незмінним елементом блоків харчування і різноманітних преосвітніх схем залишався трансформатор. За багато десятиліття удосконалилася технологію виготовлення малопотужних (від частки вата за кілька ватів) трансформаторів. Їх масове виробництво зажадало застосування спеціальних електротехнічних матеріалів, в частковості феритів, виготовлення магнитопроводов, і навіть трансформаторів без сердечників для високочастотних установок. Тривають дослідження для пошуки ефективніших конструкцій з допомогою новітніх досягнень науку й техніки.

Электрификация завжди була основою науково-технічного прогресу. Для її базі безупинно вдосконалюються технології у промисловості, транспорті, сільське господарство, зв’язку й будівництві. Небачених успіхів досягла механізація і автоматизація виробничих процесів. Досягнення світової енергетики було б неможливі без впровадження різноманітних і высокоэкономичных силових і спеціальних трансформаторів.

Но з об'єктивних законів розвитку науку й техніки слід, що які б скоєні конструкції не були створено сьогодні, є лише щаблем по дорозі створення ще більше потужних і унікальних трансформаторів.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.