Ян Шнейберг
У сучасній електроенергетиці, радіотехніці, електрозв'язку, системах автоматики найширше застосування отримав трансформатор, який по праву вважається одним з поширених видів електричного устаткування. Винахід трансформатора - одна з чудових сторінок в історії електротехніки. Минуло майже 120 років після створення першого промислового однофазного трансформатора, над винаходом якого трудилися починаючи з 30-х і до середини 80-х років XIX століття вчені, інженери різних країн.
У наш час відомі тисячі різноманітних конструкцій трансформаторів - від мініатюрних до гігантських, для транспортування яких потрібні спеціальні залізничні платформи або потужні плавучі засоби.
Як відомо, при передачі електроенергії на велику відстань застосовується напруга в сотні тисяч вольт. Але безпосередньо використовувати такі величезні напруги споживачі, як правило, не можуть. Тому електроенергія, що виробляється на ТЕС, ГЕС або АЕС, піддається трансформації, внаслідок чого загальна потужність трансформаторів в кілька разів перевищує встановлену потужність генераторів на електростанціях. Втрати енергії в трансформаторах повинні бути мінімальними, і ця проблема завжди була однією з головних при їх конструюванні.
Створення трансформатора стало можливим після відкриття явища електромагнітної індукції видатними вченими першої половини XIX ст. англійцем
М. Фарадеєм (1831) і американцем Д. Генрі (183). Широко відомий досвід Фарадея з залізним кільцем, на якому були намотані дві ізольовані один від одного обмотки, первинна, поєднана з батареєю, і вторинна - з гальванометром, стрілка якого відхилялася при розмиканні і замиканні первинної ланцюга. Можна вважати, що пристрій Фарадея являло собою прообраз сучасного трансформатора. Але ні Фарадей, ні Генрі не були винахідниками трансформатора. Вони не займалися дослідженням проблеми перетворення напруги, в їх дослідах прилади харчувалися постійним, а не змінним струмом і діяли не безперервно, а миттєво в моменти включення або виключення струму в первинній обмотці.
Першими електричними приладами, в яких використовувалося явище електромагнітної індукції, були індукційні котушки. У них при розмиканні первинної обмотки у вторинній наводилася значна за величиною ЕРС, що викликала між кінцями цієї обмотки великі іскри. Таких приладів протягом 1835-1844 років було запатентовано кілька десятків. Найбільш досконалою була індукційна котушка німецького фізика Г.Д. Румкорфа1.
Індукційна котушка захищає Кронштадт
Перше успішне застосування індукційної котушки було здійснено на початку 40-х років XIX століття російським академіком
Б.С. Якобі (1801-1874) для запалення порохових зарядів підводних електричних мін. Споруджені під його керівництвом мінні загородження у Фінській затоці перегородили шлях до Кронштадту двом англо-французьким ескадізвестно, що в ході цієї війни велике значення мала оборона Балтійського узбережжя. Величезна англо-французька ескадра, що складалася з 80 кораблів із загальним числом знарядь 3600, безуспішно намагалася прорватися до Кронштадту. Після того як флагманський корабель «Мерлін» зіткнувся з підводною міною електричної, ескадра була змушена покинути Балтійське море.
Ворожі адмірали з жалем визнали: «Союзний флот не може зробити нічого рішучого: боротьба з могутніми укріпленнями Кронштадта піддала б тільки марної ризику долю кораблів». Відома англійська газета «Геральд» посміювалась над віце-адміралом Непіра: «Прийшов, побачив і ... не переміг ... Росіяни сміються, і ми смішні, в самому справі ». Електричні міни, невідомі в Європі, змусили відступити прекрасний флот, який коли-небудь з'являвся в море, він, як писала інша газета, не тільки «не посунув вперед війни, але повернувся, не здобувши жодної перемоги».
Вперше індукційна котушка в якості трансформатора була застосована талановитим російським електротехніком-винахідником Павлом Миколайовичем Яблоковим (1847-1894).
У 1876 р. він винайшов наменітую «електричну свічку» - перше джерело електричного світла, що отримав широке застосування і відомий під назвою «російського світу». Завдяки своїй простоті «електрична свічка» протягом декількох місяців поширилася по всій Європі і навіть досягла покоїв перського шаха і короля Камбоджі.
Для одночасного включення в електричну мережу великої кількості свічок Яблочков винайшов систему «дроблення електричної енергії» за допомогою індукційних котушок (рис. 1). Патенти на «свічку» та схему їх включення він отримав в 1876 р. у Франції, куди змушений був виїхати з Росії, щоб не потрапити в «боргову» в'язницю. (Він володів невеликою електротехнічної майстерні і захоплювався експериментуванням з приладами, які брав для ремонту, не завжди вчасно розраховуючись з кредиторами.)
У розробленій Яблочковим системі «дроблення електричної енергії» первинні обмотки індукційних котушок включалися послідовно в мережу змінного струму, а у вторинні обмотки могло включатися різне число «свічок», режим роботи яких не залежав від режиму інших. Як зазначалося в патенті, така схема дозволяла «здійснювати роздільне харчування декількох освітлювальних приладів з різною силою світла від єдиного джерела електрики». Цілком очевидно, що в цій схемі індукційна котушка працювала в режимі трансформатора.
Якщо в первинну мережу включався генератор постійного струму, Яблочков передбачав встановлення спеціального переривника. Патенти на включення свічок за допомогою трансформаторів були отримані Яблочковим у Франції (1876), Німеччини та Англії (1877), в Росії (1878). І коли кілька років по тому почалася суперечка про те, кому належить пріоритет у винаході трансформатора, французьке суспільство «Електричне освітлення», яке видало 30 листопада 1876 г.ообщеніі підтверджувало пріоритет Яблочкова: в патенті «... був описаний принцип дії та способи включення трансформатора» . Повідомлялося також, що «пріоритет Яблочкова визнаний і в Англії».
Схема «дроблення електричної енергії» за допомогою трансформаторів демонструвалася на електричних виставках у Парижі та Москві. Ця установка була прообразом сучасної електричної мережі з основними елементами: первинний двигун - генератор - лінія передачі - трансформатор - приймач. Видатні заслуги Яблочкова у розвитку електротехніки були відзначені найвищою нагородою Франції - Орденом Почесного легіону.
У 1882 р. лаборант Московського університету І.Ф. Усагін демонстрував на Промисловій виставці в Москві схему «дроблення» Яблочкова, але у вторинні обмотки котушок включив різні приймачі: електродвигун, нагрівальну спіраль, дугове лампу, електричні свічки. Цим він вперше продемонстрував універсальність змінного струму і був нагороджений срібною медаллю.
Як вже зазначалося, в установці Яблочкова трансформатор не мав замкнутого магнітопровода, що цілком задовольняло технічним вимогам: при послідовному включенні первинних обмоток включення і виключення одних споживачів у вторинних обмотках не впливало на режим роботи інших.
Винаходи Яблочкова дали потужний поштовх застосуванню змінного струму. У різних країнах стали створюватися електротехнічні підприємства для виготовлення генераторів змінного струму і вдосконалення апаратів для його трансформації.
Коли виникла необхідність передачі електроенергії на великі відстані, використання для цих цілей постійного струму високої напруги виявився неефективним. Перша електропередача на змінному струмі була здійснена в 1883 р. для освітлення Лондонського метрополітену, довжина лінії становила близько 23 км. Напруга підвищувався до 1500 В за допомогою трансформаторів, створених в 1882 р. у Франції Л. Голяром і Д. Гіббсом. Ці трансформатори також були з розімкненим магнітопроводом, але призначалися вже для перетворення напруги і мали
коефіцієнт трансформації, відмінний від одиниці. На дерев'яній підставці зміцнювалося кілька індукційних котушок, первинні обмотки яких з'єднувалися послідовно (рис. 2). Вторинна обмотка була секціонованими, і кожна секція мала два висновки для підключення приймачів. Винахідники передбачили висунення сердечників для регулювання напруги на вторинних обмотках.
Сучасні трансформатори мають замкнутий магнітопровід та їх первинні обмотки включені паралельно. При паралельному включенні приймачів застосування розімкнутого магнітопроводу технічно не виправдано. Було встановлено, що трансформатор із замкнутим магнітопроводом володіє кращими робочими характеристиками, має менші втрати і більший ККД. Тому в міру збільшення дальності електропередачі і підвищення напруги в лініях стали конструювати трансформатор із замкнутим магні1884 р. в Англії братами Джоном і Едуардом Гопкінсонамі (рис. 3). Муздрамтеатр був набраний із сталевих ізольованих один від одного смуг, що знижувало втрати на вихрові струми. На муздрамтеатрі розташовувалися, чергуючись, котушки високого (2) і низького (3) напруги. На недоцільність експлуатації трансформатора із замкнутим магнітопроводом при послідовному з'єднанні первинних обмоток вперше вказав американський електротехнік Р. Кеннеді в 1883 р., підкресливши, що зміна навантаження під вторинної ланцюга одного трансформатора буде впливати на роботу інших споживачів. Це можливо усунути при паралельному включенні обмоток. Перший патент на такі трансформатори отримав М. Дері (у лютому 1885 р.). У наступних схемах електропередачі високої напруги первинні обмотки стали включатися паралельно.
Найбільш досконалі однофазні трансформатори із замкнутим магнітопроводом були розроблені в 1885 р. угорськими електротехніками: М. Дері (1854-1934), О. Блат (1860-1939) і К. Ціперновскім (1853-1942). Вони ж вперше застосували термін «трансформатор». У патентній заявці вони вказали на важливу роль замкнутого шіхтованного муздрамтеатру, особливо для потужних силових трансформаторів. Ними ж були запропоновані три модифікації трансформаторів, що застосовуються до теперішнього часу: кільцевої, броньовий та стрижневої (рис. 4). Такі трансформатори серійно випускалися електромашинобудівним заводом «Ганц і Ко» у Будапешті. Вони містили всі елементи сучасних трансформаторів.
Перший автотрансформатор був створений електриком американської фірми "Вестінгауз" В. Стенлеем в 1885 р., його успішне випробування відбулося у м. Пітсбурзі.
Велике значення для підвищення надійності трансформаторів мало запровадження масляного охолодження (кінець 1880-х років, Д. Свінберна). Перші трансформатори Свінберна поміщав в керамічні судини, наповнені маслом, що значно підвищувало надійність ізоляції обмоток. Все це сприяло широкому застосуванню однофазних трансформаторів з метою висвітлення. Найбільш потужна установка фірми «Ганц і Ко» була споруджена в Римі в 1886 р. (15000 кВА). Однією з перших електростанцій, побудованих фірмою в Росії, була станція в Одесі для освітлення нового оперного театру, широко відомого в Європі.
Тріумф змінного струму. Трифазні системи
80-ті роки XIX ст. увійшли в історію електротехніки під назвою «трансформаторних битв». Успішна експлуатація однофазних трансформаторів стала переконливим аргументом на користь застосування змінного струму. Але власники великих електротехнічних фірм, що випускали обладнання на постійному струмі, не бажали втрачати прибутки і всіляко перешкоджали впровадженню змінного струму, особливо для електропередачі на великі відстані.
Щедро оплачувані журналісти поширювали про змінний струм усілякі небилиці. Супротивником змінного струму виступив і знаменитий американський винахідник Т.А. Едісон (1847-1931). Після створення тн відмовився бути присутнім на його випробування. «Ні, ні, - вигукнув він, - змінний струм - це дурниця, не має майбутнього. Я не тільки не хочу оглядати двигун змінного струму, а й знати про нього! »Біографи Едісона стверджують, що, проживши довге життя, винахідник переконався у своїх помилкових поглядах і багато б віддав, щоб повернути свої слова назад.
Про гостроту трансформаторних битв образно писав відомий російський фізик А.Г. Столєтов в 1889 р. в журналі «Електрика»:
«Мимоволі згадується та цькування, який піддавалися трансформатори в нашій батьківщині з приводу недавнього проекту фірми« Ганц і Ко »висвітлити частина Москви. І в усних доповідях, і в газетних статтях система обличались як щось єретичне, ненаціональні і, безумовно, згубне: доводилося, що трансформатори начисто заборонялися у всіх порядних державах Заходу і терплять хіба в якій-небудь Італії, ласої на дешевизну ». Далеко не всім відомо, що введення страти на електричному стільці в штаті Нью-Йорк в 1889 р. з використанням змінного струму високої напруги бізнесмени від електротехніки також прагнули використовувати для компрометації змінного струму, небезпечного для життя людини.
Створення надійних однофазних трансформаторів відкрило дорогу будівництву електростанцій і лінії передач однофазного струму, який став широко використовуватися для електричного освітлення. Але у зв'язку з розвитком промисловості, будівництвом великих заводів і фабрик все більш гостро стала відчуватися потреба в простому економічному електродвигуні. Як відомо, однофазні двигуни змінного струму не мають початкової пускового моменту і не могли використовуватися для цілей електроприводу. Так у середині 80-х років XIX ст. виникла комплексна енергетична проблема: необхідно було створити установки для економічної передачі електроенергії високої напруги на великі відстані і розробити конструкцію простого і високоекономічною електродвигуна змінного струму, який відповідає вимогам промислового електропроводу.
Завдяки зусиллям вчених і інженерів різних країн ця проблема була успішно вирішена на базі багатофазних електричних систем. Експерименти показали, що найбільш доцільною з них є трифазна система. Найбільших успіхів у розробці трифазних систем домігся видатний російський електротехнік М.О. Доліво-Добровольський (1862-1919), змушений довгі роки жити і працювати в Німеччині. У 1881 р. він був відрахований з Ризького політехнічного інституту за участь у студентському революційному русі без права вступу до вищого навчального закладу Росії.
У 1889 р. він винайшов напрочуд простий трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором, конструкція якого в принципі збереглася і до наших днів. Але для передачі електроенергії при високій напрузі потрібно було три однофазних трансформатора, що значно здорожувало всю установку. У тому ж 1889 Доліво-Добровольський, проявивши незаурядниеретателя, створює трифазний трансформатор.
Але до тієї конструкції, яка подібно асинхронному двигуну в принципі збереглася до теперішнього часу, він прийшов не відразу. Спочатку це був апарат з радіальним розташуванням сердечників. Його конструкція ще нагадує електричну машину без повітряного зазору з виступаючими полюсами, а обмотки ротора перенесені на стрижні. Потім було декілька конструкцій «призматичного» типу. Нарешті, в 1891 р. вчений отримав патент на трифазний трансформатор з паралельним розташуванням сердечників в одній площині, подібний до сучасного (рис. 5: а, б, в).
Генеральним випробуванням трифазної системи з використанням трифазних трансформаторів стала знаменита Лауфен-Франкфуртська електропередача, споруджена в 1891 р. у Німеччині за активної участі Доліво-Добровольського, який розробив для неї необхідне обладнання. Поблизу містечка Лауфен біля водоспаду на річці Неккар була споруджена гідростанція, гідротурбіна якої могла розвивати корисну потужність близько 300 к.с. Обертання передавалося на вал трифазного синхронного генератора. За допомогою трифазного трансформатора потужністю 150 кВА (таких трансформаторів раніше ніхто не виготовляв), електроенергія при напрузі 15 кВ передавалася по трипровідному лінії передач на величезне для того часу відстань (170 км) у Франкфурт-на-Майні, де відкривалася міжнародна технічна виставка. ККД передачі перевищував 75%. У Франкфурті на виставковому майданчику був встановлений трифазний трансформатор, знижувати напругу до 65 В. Виставку висвітлювало 1000 електричних ламп. У залі встановили трифазний асинхронний двигун потужністю близько 75 кВт, що приводив у 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 чудовими здібностями електричної енергії.
Ця передача стала справжнім тріумфом трифазних систем, світовим визнанням видатного внеску в електротехніку, зробленого М.О. Доліво-Добровольським. З 1891 р. веде свій початок сучасна електрифікація.
Зі зростанням потужності трансформаторів починається будівництво електростанцій і енергетичних систем. Зароджується і стрімко розвивається електропривод, електротранспорт, електротехнології. Цікаво зауважити, що першою найпотужнішою у світі електростанцією з трифазними генераторами і трансформаторами була станція обслуговування першого в Росії промислового підприємства з трифазним електрообладнанням. Це був Новоросійський елеватор. Потужність синхронних генераторів електростанції становила 1200 кВА, трифазні асинхронні двигуни потужністю від 3,5 до 15 кВт приводили в дію різні механізми і машини, а частина електроенергії використовувалася для освітлення.
Поступово електрифікація зачіпала всі нові галузі птво, зв'язок, побут, медицину - цей процес поглиблювався і розширювався, електрифікація брала масовий характер.
Протягом XX ст. у зв'язку зі створенням потужних об'єднаних енергосистем, збільшенням дальності передачі електричної енергії, підвищенням напруги ЛЕП зростали вимоги до технічних, експлуатаційних характеристик трансформаторів. У другій половині XX ст. значний прогрес у виробництві потужних силових трансформаторів був пов'язаний із застосуванням для магнітопроводів холоднокатаної електротехнічної сталі, що дозволило збільшити індукцію і зменшити перетин і вага сердечників. Сумарні втрати в трансформаторах знижувалися до 20%. Виявилося можливим зменшити розміри охолоджуючої поверхні масляних баків, що призвело до зменшення кількості масла і зниження загальної ваги трансформаторів. Безперервно удосконалювалася технологія та автоматизація виробництва трансформаторів, впроваджувалися нові методи розрахунку міцності і стійкості обмоток, стійкості трансформаторів до впливу зусиль при коротких замиканнях. Одна з актуальних проблем сучасного трансформаторобудування - досягнення динамічної стійкості потужних трансформаторів.
Величезні перспективи на шляху збільшення потужності силових трансформаторів відкриваються при використанні надпровідникової технології. Застосування нового класу магнітних матеріалів - аморфних сплавів, за оцінками фахівців, може знизити втрати енергії в сердечниках до 70%.
Трансформатор на службі радіоелектроніки та електрозв'язку
Після відкриття Г. Герцем (1857-1894) в 1888 р. електромагнітних хвиль і створення в 1904-1907 роках перших електронних ламп з'явилися реальні передумови для здійснення бездротового зв'язку, необхідність у якій все зростала. Невід'ємним елементом схем для генерування електромагнітних хвиль високої напруги і частоти, а також для посилення електромагнітних коливань став трансформатор.
Одним з перших учених, які досліджували хвилі Герца, був талановитий сербський вчений Нікола Тесла (1856-1943), якому належить більше 800 винаходів в області електротехніки, радіотехніки та телемеханіки і якого американці називали «королем електрики». У своїй лекції, прочитаної у цьому перевороті університеті у Філадельфії в 1893 р., він цілком виразно висловився про можливість практичного застосування електромагнітних хвиль. «Я хотів би, - говорив учений, - сказати кілька слів про предмет, який весь час у мене на думці, який зачіпає добробут всіх нас. Я маю на увазі передачу осмислених сигналів, можливо, навіть енергії на будь-яку відстань зовсім без проводів. З кожним днем я все більше переконуюся в практичній здійсненності цієї схеми ».
Експериментуючи з коливаннями високої частоти і прагнучи здійснити ідею «бездротового зв'язку», Тесла в 1891 р. створив один із самих оригінальних приладів свого часу. Вченому прийшла щаслива думка - поєднати в одному приладі властивості трансформатора «резонанс-трансформатор», що зіграв величезну роль у розвитку багатьох галузей електротехніки, радіотехніки й широко відомий під назвою «трансформатора Тесли». Між іншим, з легкої руки французьких електриків і радистів цей трансформатор називався просто «Тесла».
У приладі Тесли первинна і вторинна обмотка були налаштовані в резонанс. Первинна обмотка (рис. 6) була включена через розрядник з індукційної котушкою і конденсаторами. При розряді зміна магнітного поля в первинному колі викликає у вторинній обмотці, що складається з великого числа витків, струм дуже великої напруги і частоти.
Сучасні виміри показали, що за допомогою резонансного трансформатора можна одержати високоякісні напруги з амплітудою до одного мільйона вольт. Тесла вказав, що, змінюючи ємність конденсатора, можна отримати електромагнітні коливання з різною довжиною хвилі.
Вчений пропонував використовувати резонанс-трансформатор для порушення «провідника-випромінювача», піднятого високо над землею й здатного передавати енергію високої частоти без дротів. Очевидно, що "випромінювач" Тесли був першою антеною, що знайшла широке застосування у радіозв'язку. Якби вчений створив чутливий приймач електромагнітних хвиль, він би прийшов до винаходу радіо.
Біографи Тесли вважають, що до А.С. Попова та Г. Марконі Тесла був найближче до цього відкриття.
У 1893 р., за рік до Рентгена, Тесла виявив «особливі промені», проникаючі через предмети, непрозорі для звичайного світла. Але він не довів ці дослідження до кінця, і між ним і Рентгеном надовго встановилися дружні відносини. У другій серії дослідів Рентген використовував резонанс-трансформатор Тесли.
У 1899 р. Теслі вдалося за допомогою друзів спорудити наукову лабораторію в Колорадо. Тут на висоті двох тисяч метрів він зайнявся вивченням грозових розрядів і встановленням наявності електричного заряду землі. Він придумав оригінальну конструкцію «підсилюючого передавача», нагадує трансформатор і дозволяє отримувати напруги до декількох мільйонів вольт при частоті до 150 тисяч періодів у секунду. До вторинної обмотці він приєднав щоглу висотою близько 60 м. При включенні передавача Теслі вдалося спостерігати величезні блискавки, розряд довжиною до 135 футів і навіть грім. Він знову повертався до думки про використання струмів високої частоти для «освітлювання, нагрівання, пересування електричного транспорту на землі і в повітрі», але, природно, реалізувати свої ідеї він у той час не міг. Резонанс-трансформатор Тесли знайшов своє застосування в радіоприймальної техніці початку XX ст. Його конструктивна модифікація виготовлялася фірмою «Марконі» під назвою «джіггера» (сортувальника) і використовувалася також для очищення сигналу від перешкод.
Проблеми дальності зв'язку вдалося вирішити з появою підсилювачів. Трансформатор отримав широке застосування в схемах підсилювачів, заснованих на використанні винайденої в 1907 р. американським радіотехніком.
На рис. 7 зображена схема тріода, використовуваного в якості підсилювача переданих сигналів. Електричні коливання, підводиться до тріода, значно збільшуються з допомогою керуючої сітки і через вихідний трансформатор надходять в лінію зв'язку. Якщо в лінії через певні проміжки встановлювати підсилювачі (тепер вони вже не лампові, а напівпровідникові), то дальність зв'язку значно зростає.
У XX ст. електроніка пройшла величезний шлях від громіздких лампових пристроїв до полупроводни техніки, мікроелектроніки та оптоелектроніки. І завжди незмінним елементом блоків живлення й різних перетворювальних схем залишався трансформатор. За багато десятиліть удосконалилася технологія виготовлення малопотужних (від частки вата до декількох ват) трансформаторів. Їх масове виробництво вимагало застосування спеціальних електротехнічних матеріалів, зокрема феритів, для виготовлення магнітопроводів, а також трансформаторів без сердечників для високочастотних установок. Тривають дослідження для вишукування більш ефективних конструкцій з використанням новітніх досягнень науки і техніки.
Електрифікація завжди була основою науково-технічного прогресу. На її базі безперервно вдосконалюються технології в промисловості, транспорті, сільському господарстві, зв'язку і будівництві. Небачених успіхів досягла механізація і автоматизація виробничих процесів. Досягнення світової енергетики були б неможливі без впровадження різноманітних і високоекономічних силових та спеціальних трансформаторів.
Але з об'єктивних законів розвитку науки і техніки слід, що які б досконалі конструкції не були створені сьогодні, вони є лише сходинкою на шляху створення ще більш потужних і унікальних трансформаторів.