100 знаменитых изобретений - Владислав Пристинский

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, открытое английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году. Суть этого явления заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводящем контуре, который находится в переменном магнитном поле или движется в постоянном магнитном поле. Электрический ток, вызванный этим полем, называется индукционным. Фарадей открыл это явление, пропуская ток от батареи через обмотки катушки. При этом наблюдалось возникновение тока в обмотках другой катушки, никак не связанной с первой.

В течение полувека, начиная с 30-х годов XIX в., когда было открыто явление электромагнитной индукции, и до середины 80-х годов XIX в., когда началось широкое применение электричества, трансформатор прошел путь от простейшей индукционной катушки до промышленного типа трансформатора однофазного тока, в начале 90-х годов XIX в. – трансформатора трехфазного тока.

В 30–70-е годы XIX в. происходило зарождение и развитие принципов трансформации, создание индукционных приборов, преобразующих импульсы постоянного тока одного напряжения в импульсы тока другого напряжения. В конце 40-х годов XIX в. большое распространение получили индукционные катушки Б. С. Якоби, Г. Д. Румкорфа и других изобретателей. Позднее эти катушки сыграли существенную роль в качестве аппаратов системы зажигания двигателей внутреннего сгорания. Подобные устройства нельзя назвать трансформаторами в современном смысле этого слова.

По мере расширения области применения электричества и роста числа потребителей электрической энергии возникла необходимость в совершенствовании методов трансформации, без которых невозможно было осуществлять распределение электрической энергии.

Изобретателем трансформатора был русский электротехник П. Н. Яблочков. В 1876 г. он применил трансформатор однофазного тока с разомкнутой магнитной системой для дробления электрической энергии в цепях электрического освещения.

Трансформатор состоит из первичной обмотки и одной или нескольких вторичных обмоток. Они намотаны на каркас изолированным проводом и размещены на сердечнике. Сердечник состоит из тонких пластин, изготовленных из специальной стали. В первом трансформаторе Яблочкова сердечник был разомкнут.

Переменный ток, текущий по первичной обмотке, создает вокруг нее и в сердечнике переменное магнитное поле, пересекающее витки вторичной обмотки. Тем самым во вторичной обмотке возбуждается переменная ЭДС. При подключении к выводам вторичной обмотки какого-либо устройства, потребляющего электрический ток, в замкнутой цепи появится электрический ток.

Если в первичной и вторичной катушках число витков одинаково, то во вторичной катушке наведется напряжение, равное тому, которое подведено к первичной. В трансформаторе, повышающем напряжение, количество витков во вторичной обмотке выше, чем в первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная. Отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке называется коэффициентом трансформации данного трансформатора.

В 1882 г. во время Московской промышленной выставки лаборант Московского университета И. Ф. Усагин продемонстрировал устройство, показавшее, что предложенный П. Н. Яблочковым способ распределения энергии при помощи индукционных катушек может быть вполне успешно применен для одновременного питания любого типа приемников электрического тока. Усагин воспользовался индукционными катушками с одинаковыми первичной и вторичной обмотками. Первичные обмотки семи катушек включались последовательно в цепь однофазного переменного тока, а в каждую вторичную обмотку включались разные приемники тока: электродвигатель, проволочная нагревательная спираль, дуговая лампа с регулятором, электрические свечи Яблочкова. Все эти приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу.

Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутой магнитной системой для целей распределения электроэнергии явилась «система распределения электричества для производства света и двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 г. Голяром и Гиббсом. Трансформаторы Голяра и Гиббса предназначались не только для дробления энергии, но и для преобразования напряжения, т. е. имели коэффициент трансформации, отличный от 1. На деревянной подставке укреплялось некоторое число вертикальных индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки каждой катушки были секционированы, и каждая секция имела пару выводов для присоединения приемников тока, которые действовали независимо.

Последовательно соединенные индукционные катушки создавали определенное индуктивное сопротивление, величина которого могла регулироваться путем перемещения сердечников катушек.

Трансформаторы Голяра и Гиббса впервые демонстрировались в апреле 1883 г. на осветительной установке в Вестминстерском аквариуме (Лондон). Первичные обмотки двух трансформаторов были соединены последовательно. Вторичная обмотка одного трансформатора питала 26 ламп накаливания (ток 40 ампер), а три вторичные обмотки другого – соответственно пять ламп накаливания, свечу Яблочкова и электродвигатель.

Схема последовательного включения обмоток трансформаторов возникла исторически в связи с применением дуговых ламп. В системах дугового освещения, как правило, регулировалась величина тока в цепи последовательно включенных потребителей. В случае применения ламп накаливания и других видов приемников тока, для которых важным является поддержание постоянной величины напряжения, более целесообразным стало их параллельное включение. Но если для последовательного соединения элементов электрической цепи весьма подходящими были трансформаторы с разомкнутой магнитной цепью, которые представляли собой умеренное индуктивное сопротивление, то при параллельном включении приемников становилось технически не оправданным применение трансформаторов с разомкнутыми сердечниками. Поэтому в 80-е годы XIX в. появились конструкции трансформаторов с замкнутой магнитной системой, обладавших значительно лучшими характеристиками (меньшая величина намагничивающего тока, а следовательно, меньшие потери и более высокий коэффициент мощности). При последовательном соединении элементов электрической цепи было нецелесообразно применять трансформаторы с замкнутой магнитной системой, обладающие очень большой индуктивностью.

В 80–90-х годах XIX в. был разработан промышленный тип трансформаторов с замкнутой магнитной системой, а также предложено параллельное включение трансформаторов в питающую сеть. Первая конструкция трансформатора с замкнутой магнитной системой была создана в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжений.

Параллельное включение трансформаторов было впервые предложено и обосновано венгерским электротехником М. Дери, который получил патент на этот способ соединений в 1885 г. (независимо от него такое же предложение было сделано в Англии С. Ц. Ферранти и в Америке Кеннеди). Только после этого трансформаторы с замкнутыми сердечниками получили распространение.

Практическая реализация прогрессивных идей о передаче электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания промышленного типа трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 г. венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперновским. В заявке они отметили важное значение замкнутого шихтованного магнитного сердечника, в особенности для мощных силовых трансформаторов.

Важное значение для расширения практического применения трансформаторов и улучшения надежности их работы имело введение в конце 80-х годов XIX в. (Д. Свинберн) масляного охлаждения трансформаторов большой мощности. Первые такие трансформаторы помещались в керамический сосуд, заполненный керосином или маслом для уменьшения нагрева сердечников и обмоток.

Система трехфазного тока в первые годы своего существования требовала решения проблемы передачи энергии на большие расстояния. Но электропередача выгодна при высоком напряжении, для получения которого в случае переменного тока необходим трансформатор. В трехфазной системе не было принципиальных затруднений для трансформирования энергии, но были нужны три однофазных трансформатора вместо одного при однофазной системе. Чтобы избежать увеличения количества дорогих машин, нужно было найти принципиально новое решение.