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.