Трансформация трансформатора

Ян Шнейберг

В современной электроэнергетике, радиотехнике, электросвязи, системах автоматики широчайшее применение получил трансформатор, который по праву считается одним из распространенных видов электрического оборудования. Изобретение трансформатора – одна из замечательных страниц в истории электротехники. Прошло почти 120 лет после создания первого промышленного однофазного трансформатора, над изобретением которого трудились начиная с 30-х и до середины 80-х годов XIX века ученые, инженеры разных стран.

В наше время известны тысячи разнообразных конструкций трансформаторов – от миниатюрных до гигантских, для транспортировки которых требуются специальные железнодорожные платформы или мощные плавучие средства.

Как известно, при передаче электроэнергии на большое расстояние применяется напряжение в сотни тысяч вольт. Но непосредственно использовать такие огромные напряжения потребители, как правило, не могут. Поэтому электроэнергия, вырабатываемая на ТЭС, ГЭС или АЭС, подвергается трансформации, вследствие чего общая мощность трансформаторов в несколько раз превышает установленную мощность генераторов на электростанциях. Потери энергии в трансформаторах должны быть минимальными, и эта проблема всегда была одной из главных при их конструировании.

Создание трансформатора стало возможным после открытия явления электромагнитной индукции выдающимися учеными первой половины XIX в. англичанином

М. Фарадеем (1831) и американцем Д. Генри (183). Широко известен опыт Фарадея с железным кольцом, на котором были намотаны две изолированные друг от друга обмотки, первичная, соединенная с батареей, и вторичная – с гальванометром, стрелка которого отклонялась при размыкании и замыкании первичной цепи. Можно считать, что устройство Фарадея представляло собой прообраз современного трансформатора. Но ни Фарадей, ни Генри не были изобретателями трансформатора. Они не занимались исследованием проблемы преобразования напряжения, в их опытах приборы питались постоянным, а не переменным током и действовали не непрерывно, а мгновенно в моменты включения или выключения тока в первичной обмотке.

Первыми электрическими приборами, в которых использовалось явление электромагнитной индукции, были индукционные катушки. В них при размыкании первичной обмотки во вторичной наводилась значительная по величине ЭДС, вызывавшая между концами этой обмотки большие искры. Таких приборов в течение 1835–1844 годов было запатентовано несколько десятков. Наиболее совершенной была индукционная катушка немецкого физика Г.Д. Румкорфа1.

Индукционная катушка защищает Кронштадт

Первое успешное применение индукционной катушки было осуществлено в начале 40-х годов XIX века российским академиком

Б.С. Якоби (1801–1874) для воспламенения пороховых зарядов подводных электрических мин. Сооруженные под его руководством минные заграждения в Финском заливе преградили путь к Кронштадту двум англо-французским эскадизвестно, что в ходе этой войны большое значение имела оборона Балтийского побережья. Огромная англо-французская эскадра, состоявшая из 80 кораблей с общим числом орудий 3600, безуспешно пыталась прорваться к Кронштадту. После того как флагманский корабль «Мерлин» столкнулся с подводной электрической миной, эскадра была вынуждена покинуть Балтийское море.

Вражеские адмиралы с сожалением признали: «Союзный флот не может предпринять ничего решительного: борьба с могучими укреплениями Кронштадта подвергла бы только бесполезному риску судьбу кораблей». Известная английская газета «Геральд»  посмеивалась над вице-адмиралом Непиром: «Пришел, увидел и... не победил... Русские смеются, и мы смешны, в самом деле». Электрические мины, неизвестные в Европе, заставили отступить великолепнейший флот, какой когда-либо появлялся в море, он, как писала другая газета, не только «не подвинул вперед войны, но возвратился, не одержав ни одной победы».

Впервые индукционная катушка в качестве трансформатора была применена талантливым русским электротехником-изобретателем Павлом Николаевичем Яблоковым (1847–1894).

В 1876 г. он изобрел наменитую «электрическую свечу» – первый источник электрического света, получивший широкое применение и известный под названием «русского света». Благодаря своей простоте «электрическая свеча» в течение нескольких месяцев распространилась по всей Европе и даже достигла покоев персидского шаха и короля Камбоджи.

Для одновременного включения в электрическую сеть большого числа свечей Яблочков изобрел систему «дробления электрической энергии» посредством индукционных катушек (рис. 1). Патенты на «свечу» и схему их включения он получил в 1876 г. во Франции, куда вынужден был уехать из России, чтобы не попасть в «долговую» тюрьму. (Он владел небольшой электротехнической мастерской и увлекался экспериментированием с приборами, которые брал для ремонта, не всегда вовремя расплачиваясь с кредиторами.)

В разработанной Яблочковым системе «дробления электрической энергии» первичные обмотки индукционных катушек включались последовательно в сеть переменного тока, а во вторичные  обмотки могло включаться различное число «свечей», режим работы которых не зависел от режима других. Как указывалось в патенте, такая схема позволяла «осуществлять раздельное питание нескольких осветительных приборов с разной силой света от единого источника электричества». Совершенно очевидно, что в этой схеме индукционная катушка работала в режиме трансформатора.

Если в первичную сеть включался генератор постоянного тока, Яблочков предусматривал установку специального прерывателя. Патенты на включение свечей посредством трансформаторов были получены Яблочковым во Франции (1876), Германии и Англии (1877), в России (1878). И когда несколько лет спустя начался спор о том, кому принадлежит приоритет в изобретении трансформатора, французское общество «Электрическое освещение», выдавшее 30 ноября 1876 г.ообщении подтверждало приоритет Яблочкова: в патенте «...был описан принцип действия и способы включения трансформатора». Сообщалось также, что «приоритет Яблочкова признан и в Англии».

Схема «дробления электрической энергии» посредством трансформаторов демонстрировалась на электрических выставках в Париже и Москве. Эта установка была прообразом современной электрической сети с основными элементами: первичный двигатель – генератор – линия передачи – трансформатор – приемник. Выдающиеся заслуги Яблочкова в развитии электротехники были отмечены высшей наградой Франции – Орденом Почетного легиона.

В 1882 г. лаборант Московского университета И.Ф. Усагин демонстрировал на Промышленной выставке в Москве схему «дробления» Яблочкова, но во вторичные обмотки катушек включил различные приемники: электродвигатель, нагревательную спираль, дуговую лампу, электрические свечи. Этим он впервые продемонстрировал универсальность переменного тока и был награжден серебряной медалью.

Как уже отмечалось, в установке Яблочкова трансформатор не имел замкнутого магнитопровода, что вполне удовлетворяло техническим требованиям: при последовательном включении первичных обмоток включение и выключение одних потребителей во вторичных обмотках не влияло на режим работы других.

Изобретения Яблочкова дали мощный толчок применению переменного тока. В разных странах стали создаваться электротехнические предприятия для изготовления генераторов переменного тока и совершенствования аппаратов для его трансформации.

Когда возникла необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния, использование для этих целей постоянного тока высокого напряжения оказалось неэффективным. Первая электропередача на переменном токе была осуществлена в 1883 г. для освещения Лондонского метрополитена, длина линии составляла около  23 км. Напряжение повышалось до 1500 В с помощью трансформаторов, созданных в 1882 г. во Франции Л. Голяром и Д. Гиббсом. Эти трансформаторы также были с разомкнутым магнитопроводом, но предназначались уже для преобразования напряжения и имели

коэффициент трансформации, отличный от единицы. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно (рис. 2). Вторичная обмотка была секционирована, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Изобретатели предусмотрели выдвижение сердечников для регулирования напряжения на вторичных обмотках.

Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод и их первичные обмотки включены параллельно. При параллельном включении приемников применение разомкнутого магнитопровода технически не оправданно. Было установлено, что трансформатор с замкнутым магнитопроводом обладает лучшими рабочими характеристиками, имеет меньшие потери и больший КПД. Поэтому по мере увеличения дальности электропередачи и повышения напряжения в линиях стали конструировать трансформатор с замкнутым магни1884 г. в Англии братьями Джоном и Эдуардом  Гопкинсонами (рис. 3). Магнитопровод был набран из стальных изолированных друг от друга полос, что снижало потери на вихревые токи. На магнитопроводе располагались, чередуясь, катушки высокого (2) и низкого (3) напряжения. На нецелесообразность эксплуатации трансформатора с замкнутым магнитопроводом при последовательном соединении первичных обмоток впервые указал американский электротехник Р. Кеннеди в 1883 г., подчеркнув, что изменение нагрузки во вторичной цепи одного трансформатора будет влиять на работу других потребителей. Это возможно устранить при параллельном включении обмоток. Первый патент на такие трансформаторы получил М. Дери (в феврале 1885 г.). В последующих схемах электропередачи высокого напряжения первичные обмотки стали включаться параллельно.

Наиболее совершенные однофазные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом были разработаны в 1885 г. венгерскими электротехниками: М. Дери (1854–1934), О. Блати (1860–1939) и К. Циперновским (1853–1942). Они же впервые применили термин «трансформатор». В патентной заявке они указали на важную роль замкнутого шихтованного магнитопровода, в особенности для мощных силовых трансформаторов. Ими же были предложены три модификации трансформаторов, применяющихся до настоящего времени: кольцевой, броневой и стержневой (рис. 4). Такие трансформаторы серийно выпускались электромашиностроительным заводом «Ганц и Ко» в Будапеште. Они содержали все элементы современных трансформаторов.

Первый автотрансформатор был создан электриком американской фирмы «Вестингауз» В. Стенлеем в 1885 г., его успешное испытание состоялось в г. Питсбурге.

Большое значение для повышения надежности трансформаторов имело введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов,  Д. Свинберн). Первые трансформаторы Свинберн помещал в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток. Все это способствовало широкому применению однофазных трансформаторов в целях освещения. Наиболее мощная установка фирмы «Ганц и Ко» была сооружена в Риме в 1886 г. (15000 кВА). Одной из первых электростанций, построенных фирмой в России, была станция в Одессе для освещения нового оперного театра, широко известного в Европе.

Триумф переменного тока. Трехфазные системы

80-е годы XIX в. вошли в историю электротехники под названием «трансформаторных битв». Успешная эксплуатация однофазных трансформаторов стала убедительным аргументом в пользу применения переменного тока. Но владельцы крупных электротехнических фирм, выпускавших оборудование на постоянном токе, не желали терять прибыли и всячески препятствовали внедрению переменного тока, особенно для электропередачи на большие расстояния.

Щедро оплачиваемые журналисты распространяли о переменном токе всяческие небылицы. Противником переменного тока выступил и знаменитый американский изобретатель Т.А. Эдисон (1847–1931). После создания тн отказался присутствовать на его испытании. «Нет, нет, – воскликнул он, – переменный ток – это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем!» Биографы Эдисона утверждают, что, прожив долгую жизнь, изобретатель убедился в своих ошибочных взглядах и много бы отдал, чтобы вернуть свои слова обратно.

Об остроте трансформаторных битв образно писал известный русский физик А.Г. Столетов в 1889 г. в журнале «Электричество»:

«Невольно вспоминается та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве по поводу недавнего проекта фирмы «Ганц и Ко» осветить часть Москвы. И в устных докладах, и в газетных статьях система обличалась как нечто еретическое, ненациональное и, безусловно, гибельное: доказывалось, что трансформаторы начисто запрещались во всех порядочных государствах Запада и терпятся разве в какой-нибудь Италии, падкой на дешевизну». Далеко не всем известно, что введение казни на электрическом стуле в штате Нью-Йорк в 1889 г. с использованием переменного тока высокого напряжения бизнесмены от электротехники также стремились использовать для компрометации переменного тока, опасного для жизни человека.

Создание надежных однофазных трансформаторов открыло дорогу строительству электростанций и линии передач однофазного тока, который стал широко использоваться для электрического освещения. Но в связи с развитием промышленности, строительством крупных заводов и фабрик все более остро стала ощущаться потребность в простом экономичном электродвигателе. Как известно, однофазные двигатели переменного тока не имеют начального пускового момента и не могли использоваться для целей электропривода. Так в середине 80-х годов XIX в. возникла комплексная энергетическая проблема: необходимо было создать установки для экономичной передачи электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния и разработать конструкцию простого и высокоэкономичного электродвигателя переменного тока, удовлетворявшего требованиям промышленного электропровода.

Благодаря усилиям ученых и инженеров разных стран эта проблема была успешно решена на базе многофазных электрических систем. Эксперименты показали, что наиболее целесообразной из них является трехфазная система. Наибольших успехов в разработке трехфазных систем добился выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский (1862–1919), вынужденный долгие годы жить и работать в Германии. В 1881 г. он был отчислен из Рижского политехнического института за участие в студенческом революционном движении без права поступления в высшее учебное заведение России.

В 1889 г. он изобрел удивительно простой трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, конструкция которого в принципе сохранилась и до наших дней. Но для передачи электроэнергии при высоком напряжении нужно было три однофазных трансформатора, что значительно удорожало всю установку. В том же 1889 г. Доливо-Добровольский, проявив незаурядныеретателя, создает трехфазный трансформатор.

Но к той конструкции, которая подобно асинхронному двигателю в принципе сохранилась до настоящего времени, он пришел не сразу. Вначале это был аппарат с радиальным расположением сердечников. Его конструкция еще напоминает электрическую машину без воздушного зазора с выступающими полюсами, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было несколько конструкций «призматического» типа. Наконец, в 1891 г. ученый получил патент на трехфазный трансформатор с параллельным расположением сердечников в одной плоскости, подобный современному (рис. 5: а, б, в).

Генеральным испытанием трехфазной системы с использованием трехфазных трансформаторов стала знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача, сооруженная в 1891 г. в Германии при активном участии Доливо-Добровольского, разработавшего для нее необходимое оборудование. Близ местечка Лауфен у водопада на реке Неккар была сооружена гидростанция, гидротурбина которой могла развивать полезную мощность около 300 л.с. Вращение передавалось на вал трехфазного синхронного генератора. Посредством трехфазного трансформатора мощностью 150 кВА (таких трансформаторов ранее никто не изготавливал), электроэнергия при напряжении 15 кВ передавалась по трехпроводной линии  передач на огромное для того времени расстояние (170 км) во Франкфурт-на-Майне, где открывалась международная техническая выставка. КПД передачи превышал 75%. Во Франкфурте на выставочной площадке был установлен трехфазный трансформатор, понижавший напряжение до 65 В. Выставку освещало 1000 электрических ламп. В зале установили трехфазный асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт, приводивший в действие гидравлический насос, который подавал воду для ярко освещенного декоративного водопада. Налицо была своеобразная энергетическая цепь: искусственный водопад создавался энергией естественного водопада, удаленного от первого на 170 км. Впечатлительные посетители выставки были потрясены чудесными способностями электрической энергии.

Эта передача явилась подлинным триумфом трехфазных систем, мировым признанием выдающегося вклада в электротехнику, сделанного М.О. Доливо-Добровольским. С 1891 г. ведет свое начало современная электрификация.

С ростом мощности трансформаторов начинается строительство электростанций и энергетических систем. Зарождается и стремительно развивается электропривод, электротранспорт, электротехнология. Небезынтересно заметить, что первой самой мощной в мире электростанцией с трехфазными генераторами и трансформаторами была станция обслуживания первого в России промышленного предприятия с трехфазным электрооборудованием. Это был Новороссийский элеватор. Мощность синхронных генераторов электростанции составляла 1200 кВА, трехфазные асинхронные двигатели мощностью от 3,5 до 15 кВт приводили в действие различные механизмы и машины, а часть электроэнергии использовалась для освещения.

Постепенно электрификация затрагивала все новые отрасли птво, связь, быт, медицину – этот процесс углублялся и расширялся, электрификация принимала массовый характер.

В течение XX в. в связи с созданием мощных объединенных энергосистем, увеличением дальности передачи электрической энергии, повышением напряжения ЛЭП возрастали требования к техническим, эксплуатационным характеристикам трансформаторов. Во второй половине XX в. значительный прогресс в производстве мощных силовых трансформаторов был связан с применением для магнитопроводов холоднокатаной электротехнической стали, что позволило увеличить индукцию и уменьшить сечение и вес сердечников. Суммарные потери в трансформаторах снижались до 20%. Оказалось возможным уменьшить размеры охлаждающей поверхности масляных баков, что привело к уменьшению количества масла и снижению общего веса трансформаторов. Непрерывно совершенствовалась технология и автоматизация производства трансформаторов, внедрялись новые методы расчета прочности и устойчивости обмоток, стойкости трансформаторов к воздействию усилий при коротких замыканиях. Одна из актуальных проблем современного трансформаторостроения – достижение динамической стойкости мощных трансформаторов.

Огромные перспективы на пути увеличения мощности силовых трансформаторов открываются при использовании сверхпроводниковой технологии. Применение нового класса магнитных материалов – аморфных сплавов, по оценкам специалистов, может снизить потери энергии в сердечниках до 70%.

Трансформатор на службе радиоэлектроники и электросвязи

После открытия Г. Герцем (1857–1894) в 1888 г. электромагнитных волн и создания в 1904–1907 годах первых электронных ламп появились реальные предпосылки для осуществления беспроводной связи, необходимость в которой все возрастала. Неотъемлемым элементом схем для генерирования электромагнитных волн высокого напряжения и частоты, а также для усиления электромагнитных колебаний стал трансформатор.

Одним из первых ученых, исследовавших волны Герца, был талантливый сербский ученый Никола Тесла (1856–1943), которому принадлежит более 800 изобретений в области электротехники, радиотехники и телемеханики и которого американцы называли «королем электричества». В своей лекции, прочитанной во Франклиновском университете в Филадельфии в 1893 г., он вполне определенно высказался о возможности практического применения электромагнитных волн. «Я хотел бы, – говорил ученый, – сказать несколько слов о предмете, который все время у меня на уме, который затрагивает благосостояние всех нас. Я имею в виду передачу осмысленных сигналов, быть может, даже энергии на любое расстояние вовсе без проводов. С каждым днем я все больше убеждаюсь в практической осуществимости этой схемы».

Экспериментируя с колебаниями высокой частоты и стремясь осуществить идею «беспроводной связи», Тесла в 1891 г. создает один из самых оригинальных приборов своего времени. Ученому пришла счастливая мысль – соединить в одном приборе свойства трансформаторй «резонанс-трансформатор», сыгравший огромную роль в развитии многих отраслей электротехники, радиотехники и широко известный под названием «трансформатора Теслы». Между прочим, с легкой руки французских электриков и радистов этот трансформатор назывался просто «Тесла».

В приборе Теслы первичная и вторичная обмотка были настроены в резонанс. Первичная обмотка (рис. 6) была включена через разрядник с индукционной катушкой и конденсаторами. При разряде изменение магнитного поля в первичной цепи вызывает во вторичной обмотке, состоящей из большого числа витков, ток весьма большого напряжения и частоты.

Современные измерения показали, что с помощью резонансного трансформатора можно получить высококачественные напряжения с амплитудой до одного миллиона вольт. Тесла указал, что, изменяя емкость конденсатора, можно получить электромагнитные колебания с различной длиной волны.

Ученый предлагал использовать резонанс-трансформатор для возбуждения «проводника-излучателя», поднятого высоко над землей и способного передавать энергию высокой частоты без проводов. Очевидно, что «излучатель» Теслы был первой антенной, нашедшей широчайшее применение в радиосвязи. Если бы ученый создал чувствительный приемник электромагнитных волн, он бы пришел к изобретению радио.

Биографы Теслы считают, что до А.С. Попова и Г. Маркони Тесла был ближе всех к этому открытию.

В 1893 г., за год до Рентгена, Тесла обнаружил «особые лучи», проникающие через предметы, непрозрачные для обычного света. Но он не довел эти исследования до конца, и между ним и Рентгеном надолго установились дружеские отношения. Во второй серии опытов Рентген использовал резонанс-трансформатор Теслы.

В 1899 г. Тесле удалось с помощью друзей соорудить научную лабораторию в Колорадо. Здесь на высоте двух тысяч метров он занялся изучением грозовых разрядов и установлением наличия электрического заряда земли. Он придумал оригинальную конструкцию «усиливающего передатчика», напоминающего трансформатор и позволяющего получать напряжения до нескольких миллионов вольт при частоте до 150 тысяч периодов в секунду. К вторичной обмотке он присоединил мачту высотой около 60 м. При включении передатчика Тесле удалось наблюдать огромные молнии, разряд длиной до 135 футов и даже гром. Он снова возвращался к мысли об использовании токов высокой частоты для «освещения, нагрева, передвижения электрического транспорта на земле и в воздухе», но, естественно, реализовать свои идеи он в то время не мог. Резонанс-трансформатор Теслы нашел свое применение в радиоприемной технике начала XX в. Его конструктивная модификация изготовлялась фирмой «Маркони» под названием «джиггера» (сортировщика) и использовалась также для очищения сигнала от помех.

Проблемы дальности связи удалось решить с появлением усилителей. Трансформатор получил широкое применение в схемах усилителей, основанных на использовании изобретенной в 1907 г. американским радиотехником.

На рис. 7 изображена схема триода, используемого в качества усилителя передаваемых сигналов. Электрические колебания, подводимые к триоду, значительно увеличиваются с помощью управляющей сетки и через выходной трансформатор поступают в линию связи. Если в линии через определенные промежутки устанавливать усилители (теперь они уже не ламповые, а полупроводниковые), то дальность связи значительно возрастает.

В XX в. электроника прошла огромный путь от громоздких ламповых устройств до полупроводной техники, микроэлектроники и  оптоэлектроники. И всегда неизменным элементом блоков питания и разных преобразовательных схем оставался трансформатор. За многие десятилетия усовершенствовалась технология изготовления маломощных (от доли ватта до  нескольких ватт) трансформаторов. Их массовое производство потребовало применения специальных электротехнических материалов, в частности ферритов, для изготовления магнитопроводов, а также трансформаторов без сердечников для высокочастотных установок. Продолжаются исследования для изыскания более эффективных конструкций с использованием новейших достижений науки и техники.

Электрификация всегда являлась основой научно-технического прогресса. На ее базе непрерывно совершенствуются технологии в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, связи и строительстве. Невиданных успехов достигла механизация и автоматизация производственных процессов. Достижения мировой энергетики были бы невозможны без внедрения разнообразных и высокоэкономичных силовых и специальных трансформаторов.

Но из объективных законов развития науки и техники следует, что какие бы совершенные конструкции ни были созданы сегодня, они являются лишь ступенью на пути создания еще более мощных и уникальных трансформаторов.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.connect.ru/