Трансформаторна трансформация

В съвременната електроенергийна индустрия широко се използват радиотехниката, телекомуникациите, системите за автоматизация, трансформаторът, който с право се счита за един от често срещаните видове електрическо оборудване. Изобретението на трансформатора е една от големите страници в историята на електротехниката. Почти 120 години са изминали от създаването на първия индустриален еднофазен трансформатор, чието изобретение е работило от 30-те до средата на 80-те години на XIX век, учени, инженери от различни страни.

В наши дни са известни хиляди различни дизайни на трансформатори - от миниатюрни до гигантски, за транспортирането на които са необходими специални железопътни платформи или мощно плаващо оборудване.

Както знаете, при предаване на електричество на голямо разстояние се прилага напрежение от стотици хиляди волта. Но потребителите по правило не могат да използват директно такова огромно напрежение. Следователно електроенергията, генерирана в топлоелектрически централи, водноелектрически централи или атомни електроцентрали, претърпява преобразуване, в резултат на което общата мощност на трансформаторите е няколко пъти по-висока от инсталираната мощност на генераторите в електроцентралите. Загубите на енергия в трансформаторите трябва да бъдат минимални и този проблем винаги е бил един от основните в проектирането им.

Създаването на трансформатор стана възможно след откриването на феномена електромагнитна индукция от изключителни учени от първата половина на XIX век. Англичанинът М. Фарадей и американецът Д. Хенри. Широко известен е опитът на Фарадей с железен пръстен, върху който са навити две намотки, изолирани една от друга, първичната свързана с акумулатора, а вторичната с галванометър, стрелката на която се отклонява при отваряне и затваряне на първи контур. Можем да предположим, че устройството Faraday е било прототип на модерен трансформатор. Но нито Фарадей, нито Хенри са изобретатели на трансформатора. Те не изучаваха проблема с преобразуването на напрежението, в техните експерименти устройствата се захранваха с постоянен, а не с променлив ток и действаха непрекъснато, но моментално в момента, в който токът беше включен или изключен в първичната намотка.

Първите електрически устройства, използвали явлението електромагнитна индукция, бяха индукционни намотки. Когато първичната намотка беше отворена в тях, във вторичната се предизвика значителна ЕМП, което предизвика големи искри между краищата на тази намотка. През годините 1835–1844 г. са патентовани няколко десетки такива устройства. Най-съвършената беше индукционната намотка на немския физик G.D. Ruhmkorff.

Индукционна бобина защитава Кронщад

Първата успешна употреба на индукционна намотка е извършена в началото на 40-те години на XIX век от руския академик Б.С. Якоби (1801–1874) за запалване на прахови заряди на подводни електрически мини. Минните полета във Финския залив, изградени под негово ръководство, блокираха пътя към Кронщад от две англо-френски ескадрили, известно е, че по време на тази война отбраната на балтийския бряг е била от голямо значение. Огромна англо-френска ескадра, състояща се от 80 кораба с общ брой 3600 оръдия, се опита неуспешно да пробие до Кронщат. След като флагманският Мерлин се сблъска с подводна електрическа мина, ескадрилата беше принудена да напусне Балтийско море.

Враговите адмирали със съжаление признаха: "Съюзният флот не може да направи нищо решаващо: борбата срещу могъщите укрепления на Кронщад само би застрашила съдбата на корабите." Известният английски вестник „Хералд“ се засмя на вицеадмирал Непир: „Той дойде, видя и… не спечели… Руснаците се смеят, а ние сме наистина смешни“.Електрическите мини, непознати в Европа, принудиха най-великолепния флот, който някога се е появявал в морето, да се оттегли; той, както писа още един вестник, не само „не натисна войната напред, но се завърна, без да спечели нито една победа“.

Индукционната намотка е използвана за първи път като трансформатор от талантливия руски електроинженер и изобретател Павел Николаевич Яблоков (1847–1894).

През 1876 г. той изобретява известната "електрическа свещ" - първият източник на електрическа светлина, който се използва широко и е известен като "руската светлина". Поради своята простота „електрическата свещ“ се разпространи в цяла Европа в продължение на няколко месеца и дори достигна до покоите на персийския шах и крал на Камбоджа.

За едновременното включване на голям брой свещи в електрическата мрежа Яблочков изобретява система за „смачкване на електрическа енергия“ с помощта на индукционни намотки. Той получава патенти за „свещта“ и схемата за включването им през 1876 г. във Франция, където е принуден да напусне Русия, за да не се озове в затвора „дълг“. (Той притежаваше малка електротехническа работилница и обичаше да експериментира с устройства, които взема за ремонт, като не винаги плаща на кредиторите навреме.)

В разработената от Яблочков система на "смазване на електрическата енергия" първичните намотки на индукционните бобини се свързват последователно към мрежата с променлив ток и във вторичните намотки може да бъде включен различен брой "свещи", чийто режим на работа не зависи от режима на други. Както е посочено в патента, такава схема дава възможност „да се осигури отделна мощност на няколко осветителни устройства с различна интензивност на светлината от един източник на електричество“. Очевидно е, че в тази схема индукционната намотка работи в режим на трансформатори.

Ако генератор на постоянен ток беше включен в първичната мрежа, Яблочков предвиди инсталирането на специален прекъсвач. Патентите за включване на свещи чрез трансформатори са получени от Яблочков във Франция (1876), Германия и Англия (1877), в Русия (1878). И когато няколко години по-късно започна спор кой принадлежи към приоритета в изобретението на трансформатора, френското общество "Електрическо осветление", което издаде съобщение на 30 ноември 1876 г., потвърди приоритета на Яблочков: в патента "... бяха описани принципа на работа и методите за включване на трансформатора" , Съобщава се също, че „приоритетът на Яблочков е признат в Англия“.

Схемата на "смазване на електрическата енергия" с помощта на трансформатори беше демонстрирана на електрически изложения в Париж и Москва. Тази инсталация беше прототип на модерна електрическа мрежа с основните елементи: първичен двигател - генератор - електропровод - трансформатор - приемник. Изключителните постижения на Яблочков в развитието на електротехниката бяха белязани от най-високата награда на Франция - орден на Почетния легион.

През 1882 г. I.F. Усагин демонстрира на Индустриалното изложение в Москва схемата на "смачкване" на Яблочков, но той включва различни приемници във вторичните намотки на бобините: електрически двигател, нагревателна намотка, дъгова лампа и електрически свещи. По този начин той за пръв път демонстрира универсалността на AC и е награден със сребърен медал.

Както вече беше отбелязано, в инсталацията Yablochkov трансформаторът нямаше затворена магнитна верига, която напълно отговаряше на техническите изисквания: когато първичните намотки бяха включени последователно, включването и изключването на някои консуматори във вторичните намотки не влияеше на режима на работа на други.

Изобретенията на Яблочков дадоха мощен тласък на използването на променлив ток. В различни страни започват да се създават електротехнически предприятия за производство на алтернатори и подобряване на апаратите за трансформацията му.

Когато стана необходимо да се предава електричество на дълги разстояния, използването на постоянен ток с високо напрежение за тези цели беше неефективно. Първото предаване на мощност с променлив ток е осъществено през 1883 г. за осветяване на лондонското метро, ​​линията е дълга около 23 км. Напрежението е повишено до 1500 V с помощта на трансформатори, създадени през 1882 г. във Франция от Л. Голиард и Д. Гибс. Тези трансформатори също бяха с отворена магнитна верига, но те вече бяха предназначени за преобразуване на напрежението и имаха коефициент на трансформация, различен от единството. Няколко индукционни намотки бяха монтирани на дървена стойка, чиито първични намотки бяха свързани последователно. Вторичната намотка беше разделена и всяка секция имаше два извода за свързване на приемници. Изобретателите са предвидили удължаването на сърцевините за регулиране на напрежението върху вторичните намотки.

Съвременните трансформатори имат затворена магнитна верига и техните първични намотки са свързани паралелно. Когато приемниците са свързани паралелно, използването на отворена магнитна верига не е технически оправдано. Установено е, че трансформатор със затворена магнитна верига има по-добри показатели, има по-малко загуби и по-голяма ефективност. Следователно, тъй като разстоянието на предаване се увеличава и напрежението се увеличава в линиите, те започват да проектират трансформатор със затворен кръг през 1884 г. в Англия от братята Джон и Едуард Хопкинсън. Магнитното ядро ​​се черпи от стоманени ленти, изолирани една от друга, което намалява загубите от вихрови токове. Намотки с високо и ниско напрежение бяха подредени последователно в магнитната верига. Нецелесъобразността на работа на трансформатор със затворена магнитна верига със серийно свързване на първичните намотки е посочена за първи път от американския електроинженер Р. Кенеди през 1883 г., като подчертава, че промяна в натоварването във вторичната верига на един трансформатор ще повлияе на работата на други потребители. Това може да се елиминира чрез паралелно свързване на намотките. Първият патент за такива трансформатори е получен от М. Дери (през февруари 1885 г.). В последващи схеми за предаване на мощност с високо напрежение първичните намотки започнаха да се свързват паралелно.

Най-модерните еднофазни трансформатори със затворена магнитна верига са разработени през 1885 г. от унгарските електроинженери: М. Дери (1854–1934), О. Блати (1860–1939) и К. Циперновски (1853–1942). Първо използваха термина "трансформатор". В заявката за патент посочиха важната роля на затворена зареждаща се магнитна верига, особено за мощни силови трансформатори. Те също така предложиха три модификации на трансформатори, които се използват досега: пръстен, броня и пръчка. Такива трансформатори серийно се произвеждат от Електро машиностроителния завод Ganz & Co. в Будапеща. Те съдържаха всички елементи на съвременните трансформатори.

Първият автотрансформатор е създаден от У. Стенли, електротехник на американската компания Westinghouse, през 1885 г. и той е успешно изпитан в Питсбърг.

От голямо значение за подобряване на надеждността на трансформаторите беше въвеждането на маслено охлаждане (края на 1880 г., Д. Суинбърн). Swinburn постави първите трансформатори в керамични съдове, пълни с масло, което значително увеличи надеждността на изолацията на намотките. Всичко това допринесе за широкото използване на еднофазни трансформатори за осветление. Най-мощната инсталация на компанията Ganz & Co. е построена в Рим през 1886 г. (15 000 kVA). Една от първите електроцентрали, построена от компанията в Русия, беше станцията в Одеса за осветяване на нова оперна къща, широко известна в Европа.

AC триумф. Трифазни системи

80-те години на XIX век влезе в историята на електротехниката под името „битки за трансформатори“.Успешната работа на еднофазни трансформатори се превърна в убедителен аргумент в полза на използването на променлив ток. Но собствениците на големи електрически компании, произвеждащи оборудване за постоянен ток, не искаха да губят печалба и по всякакъв начин предотвратяваха въвеждането на променлив ток, особено за предаване на електроенергия на дълги разстояния.

Щедро платените журналисти разпространяват всякакви басни за променлив ток. Известният американски изобретател Т. А. също се противопостави на AC. Едисон (1847–1931). След създаването на трансформатора той отказа да присъства на теста си. "Не, не", възкликна той, "променливият ток е глупост без бъдеще." "Не само не искам да проверявам двигателя на променлив ток, но и знам за него!" Биографите на Едисън твърдят, че живял дълъг живот, изобретателят е бил убеден в грешните си възгледи и би дал много, за да си върне думите.

Остротата на битките с трансформатори беше образно написана от известния руски физик А.Г. Столетов през 1889 г. в сп. „Електричество“: „Неволно си спомням преследването, претърпено от трансформатори в нашата страна, заради неотдавнашния проект на Ganz & Co. за осветяване на част от Москва. Както в устните доклади, така и във вестникарските статии, системата беше денонсирана като нещо еретично, ирационално и, разбира се, фатално: доказано е, че трансформаторите са напълно забранени във всички прилични западни страни и могат да търпят евтиност само в някои Италия. " Не всички знаят, че при въвеждането на ток в щата Ню Йорк през 1889 г. с помощта на променлив ток с високо напрежение, бизнесмените от електротехниката също се стремят да използват променлив ток, за да компрометират животозастрашаващ човек.

Създаването на надеждни еднофазни трансформатори проправи пътя за изграждането на електроцентрали и еднофазна електропреносна линия, която стана широко използвана за електрическо осветление. Но във връзка с развитието на индустрията, изграждането на големи фабрики и фабрики, необходимостта от обикновен икономичен електромотор става все по-остра. Както знаете, еднофазните двигатели с променлив ток нямат първоначален стартов въртящ момент и не биха могли да се използват за електрически задвижвания. Така в средата на 80-те години на XIX век. възникна сложен енергиен проблем: беше необходимо да се създадат инсталации за икономично предаване на електрическо захранване с високо напрежение на дълги разстояния и да се разработи дизайн на прост и изключително икономичен електрически двигател с променлив ток, отговарящ на изискванията на индустриален електрически проводник.

Благодарение на усилията на учени и инженери от различни страни, този проблем беше успешно решен на базата на многофазни електрически системи. Експериментите показаха, че най-подходящата от тях е трифазна система. Най-големият успех в разработването на трифазни системи постигна изключителният руски електроинженер M.O. Доливо-Доброволски (1862-1919), принуден да живее и работи в Германия дълги години. През 1881 г. е изключен от Рижския политехнически институт за участие в студентското революционно движение без право да влиза във висше учебно заведение в Русия.

През 1889 г. той изобретява изненадващо прост трифазен индукционен двигател с клетка-клетка, чиято конструкция по принцип е оцеляла и до днес. Но за предаването на електроенергия при високо напрежение бяха необходими три еднофазни трансформатори, което значително увеличи цената на цялата инсталация. През същата 1889 г. Доливо-Доброволски, проявявайки изключителен катер, създава трифазен трансформатор.

Но той не стигна веднага до онзи дизайн, който като индукционен двигател по принцип е оцелял до наши дни. В началото това беше устройство с радиално разположение на сърцевините.Дизайнът му все още прилича на електрическа машина без въздушна междина с изпъкнали полюси, а намотките на ротора се прехвърлят върху прътите. Тогава имаше няколко конструкции от типа "призматичен". И накрая, през 1891 г. ученият получава патент за трифазен трансформатор с успоредно подреждане на ядра в една равнина, подобно на съвременния.

Общият тест на трифазна система, използваща трифазни трансформатори, е известният предавател на електроенергия Лауфен-Франкфурт, построен през 1891 г. в Германия с активното участие на Доливо-Доброволски, който разработва необходимото оборудване за него. В близост до град Лауфен, близо до водопада на река Некар, е построена водноелектрическа станция, чиято хидротурбина може да развие полезна мощност от около 300 к.с. Въртенето се предава на вала на трифазен синхронен генератор. Чрез трифазен трансформатор с капацитет 150 kVA (никой преди не е правил такива трансформатори), електричество с напрежение 15 kV се предава по трипроводна електропровода на огромно за онова време разстояние (170 км) във Франкфурт, където се откри международното техническо изложение. Ефективността на предаване надвишава 75%. Във Франкфурт на мястото на изложението е инсталиран трифазен трансформатор, който намалява напрежението до 65 V. Изложбата беше осветена от 1000 електрически лампи. В залата беше инсталиран трифазен асинхронен двигател с мощност около 75 kW, който задействаше хидравлична помпа, която доставяше вода за ярко осветен декоративен водопад. Имаше един вид енергийна верига: изкуствен водопад беше създаден от енергията на естествен водопад, на 170 км от първия. Впечатляващите посетители на изложбата бяха шокирани от чудните способности на електрическата енергия.

Този трансфер беше истински триумф на трифазни системи, световно признание за изключителния принос в електротехниката, направен от M.O. Dolivo-Dobrovolsky. От 1891 г. започва модерна електрификация.

С нарастването на трансформаторния капацитет започва изграждането на електроцентрали и енергийни системи. Електрическото задвижване, електрическият транспорт, електрическата технология се появяват и бързо се развиват. Интересно е да се отбележи, че първата най-мощна електроцентрала в света с трифазни генератори и трансформатори беше бензиностанцията на първото промишлено предприятие в Русия с трифазно електрическо оборудване. Това беше асансьор в Новоросийск. Мощността на синхронните генератори на електроцентралата беше 1200 kVA, трифазни асинхронни двигатели с мощност от 3,5 до 15 kW, захранвани различни механизми и машини, а част от електричеството се използва за осветление.

Постепенно електрификацията засегна всички нови клонове на ПОО, комуникацията, живота, медицината - този процес се задълбочи и разшири, електрификацията придоби масови мащаби.

През XX век. Във връзка със създаването на мощни интегрирани енергийни системи, увеличаване на обхвата на пренос на електрическа енергия и увеличаване на електропреносната линия се увеличиха изискванията за техническите и експлоатационни характеристики на трансформаторите. През втората половина на XX век. Значителен напредък в производството на мощни силови трансформатори беше свързан с използването на студено валцована електрическа стомана за магнитни вериги, което направи възможно увеличаването на индукцията и намаляването на напречното сечение и теглото на сърцевините. Общите загуби в трансформаторите бяха намалени до 20%. Възможно е да се намали размерът на охлаждащата повърхност на резервоарите за масло, което доведе до намаляване на количеството масло и намаляване на общото тегло на трансформаторите. Технологията и автоматизацията на производството на трансформатори непрекъснато се подобряват, въвеждат се нови методи за изчисляване на силата и стабилността на намотките, устойчивостта на трансформаторите срещу въздействието на силите при къси съединения.Един от належащите проблеми на съвременната конструкция на трансформатори е постигането на динамичната стабилност на мощните трансформатори.

Големите перспективи за увеличаване на мощността на силовите трансформатори се откриват чрез използване на свръхпроводяща технология. Използването на нов клас магнитни материали - аморфни сплави, според експерти, може да намали загубата на енергия в сърцевините с до 70%.

Трансформатор в услугата на радиоелектрониката и телекомуникациите

След откриването на електромагнитните вълни от Г. Херц (1857–1894) през 1888 г. и създаването на първите електронни тръби през 1904–1907 г. се появяват реални предпоставки за безжична комуникация, нуждата от която нараства. Неразделен елемент от схеми за генериране на електромагнитни вълни с високо напрежение и честота, както и за усилване на електромагнитните трептения, се е превърнал в трансформатор.

Един от първите учени, които изучават херцианските вълни, е талантливият сръбски учен Никола Тесла (1856–1943), който притежава повече от 800 изобретения в областта на електротехниката, радиотехниката и телемеханиката и които американците наричат ​​„цар на електричеството“. В лекцията си, изнесена във Франклинския университет във Филаделфия през 1893 г., той определено говори за възможността за практическото приложение на електромагнитните вълни. "Бих искал", казва ученият, "да кажа няколко думи по темата, която постоянно ми е на ум, което се отразява на благосъстоянието на всички нас. Имам предвид предаването на смислени сигнали, може би дори енергия до всяко разстояние, без никакви проводници. Всеки ден се убеждавам все повече и повече в практическата осъществимост на тази схема. "

Експериментирайки с високочестотни трептения и опитвайки се да реализира идеята за „безжична комуникация“, Тесла през 1891 г. създава едно от най-оригиналните устройства на своето време. Ученият дойде с една щастлива мисъл - да комбинира в едно устройство свойствата на резонансно-трансформаторен трансформатор, който изигра огромна роля в развитието на много отрасли на електротехниката, радиотехниката и е широко известен като трансформатор на Tesla. Между другото, с леката ръка на френски електротехници и радиооператори, този трансформатор просто беше наречен "Tesla".

В устройството на Tesla първичната и вторичната намотки бяха настроени на резонанс. Първичната намотка беше включена чрез искрова пропаст с индукционна бобина и кондензатори. По време на разреждане промяна в магнитното поле в първи контур причинява ток с много голямо напрежение и честота във вторичната намотка, който се състои от голям брой завои.

Съвременните измервания показват, че с помощта на резонансен трансформатор могат да се получат висококачествени напрежения с амплитуда до един милион волта. Тесла посочи, че чрез промяна на капацитета на кондензатора е възможно да се получат електромагнитни вълни с различна дължина на вълната.

Ученият предложи да се използва резонансен трансформатор за възбуждане на "проводник-излъчвател", издигнат високо над земята и способен да предава високочестотна енергия без проводници. Очевидно „излъчвателят“ на Tesla беше първата антена, намерила най-широко приложение в радиокомуникациите. Ако един учен беше създал чувствителен приемник на електромагнитни вълни, той би стигнал до изобретяването на радиото.

Биографите на Tesla смятат, че преди A.S. Попов и Г. Маркони Тесла са най-близки до това откритие.

През 1893 г., година преди рентгена, Тесла открива „специални лъчи“, които проникват в обекти, които са непрозрачни за обикновената светлина. Но той не завърши тези изследвания докрай и между него и Рентген бяха установени приятелски отношения за дълго време. Във втората серия от експерименти е използван рентген Резонансен трансформатор на Tesla.

През 1899 г. Тесла успява с помощта на приятели да построи научна лаборатория в Колорадо. Тук, на надморска височина от две хиляди метра, той започна да изучава разряди на мълнии и да установи наличието на електрически заряд на земята.Той излезе с оригиналния дизайн на „усилващ предавател“, който наподобява трансформатор и ви позволява да получавате напрежение до няколко милиона волта с честота до 150 хиляди периода в секунда. Той прикрепи мачта с височина около 60 м към вторичната намотка.Когато предавателят беше включен, Тесла успя да наблюдава огромни удари от мълния, разряд до 135 фута и дори гръм. Той отново се върна към идеята да използва високочестотни токове за „осветление, отопление, движение на електрически превозни средства по земята и във въздуха“, но, естествено, той не можеше да реализира идеите си по това време. Резонансният трансформатор на Tesla намери приложение в радиотехниката от началото на 20 век. Структурната му модификация е направена от компания Marconi под името „jigger“ (сортер) и също така е използвана за изчистване на сигнала от смущения.

Проблемите с обсега на комуникация бяха решени с появата на усилватели. Трансформаторът е широко използван в схемите на усилвателя, базирани на използването на радиоинженера Ldion, изобретен през 1907 г. от американския радиоинженер. "

През XX век. Електрониката измина дълъг път от обемни тръбни устройства до полупроводникови технологии, микроелектроника и оптоелектроника. И винаги трансформаторът остава неизменен елемент от захранвания и различни вериги за преобразуване. През много десетилетия технологията на производство на трансформатори с ниска мощност (от част от ват до няколко вата) се подобрява. Масовото им производство изисква използването на специални електрически материали, по-специално ферити, за производството на магнитни ядра, както и безядрени трансформатори за високочестотни инсталации. Изследванията продължават, за да намерят по-ефективни дизайни, използвайки най-новите науки и технологии.

Електрификацията винаги е била основата на научния и технологичния прогрес. На негова основа технологиите в промишлеността, транспорта, селското стопанство, комуникациите и строителството непрекъснато се усъвършенстват. Безпрецедентен успех беше постигнат чрез механизация и автоматизация на производствените процеси. Постигането на световна енергия не би било възможно без въвеждането на различни високоефективни силови и специални трансформатори.

Но от обективните закони на развитието на науката и технологиите следва, че колкото и съвременни дизайни да се създават днес, те са само крачка по пътя към създаването на още по-мощни и уникални трансформатори.

Ян Шнайберг