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%.