Развитие однофазных трансформаторов

В развитии трансформаторов также можно выделить несколько характерных периодов.

Первый период (1830 - 1870 гг.) характеризуется развитием принципов трансформации; созданием индукционных приборов, преобразующих импульсы постоянного тока одного напряжения в импульсы тока другого напряжения.

Схематическое изображение будущего трансформатора впер­вые появилось в 1831 г. в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансфор­матора, как изменение напряжений и токов, т. е. трансформи­рования переменного тока. Они демонстрировали электромагнитную индукцию при замыкании и размыкании цепи постоянного тока.

Суть опытов Фарадея (рис.) состоит в следующем: обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2при замыкании или размыкании первичной 1, Фарадей поставил эксперимент для выяснения свойств индуктированного тока: внутрь спирали 6, включенной во вторичную цепь,

помещалась стальная игла 8, которая намагничивалась индуктированным током. Результат гово­рил о том, что индуктированный ток подобен току, получаемому не­посредственно от гальванической батареи 3.

Заменяя деревянный или картонный барабан 4,на который на­матывались первичная и вторичная обмотки стальным кольцом, Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение стрелки гальванометра 5.Данный опыт указывал на существен­ную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь Фарадей впервые применяет устройство, которое можно назвать прототи­пом трансформатора.

В конце 40-х г. и позже большое распространение получили индукционные катушки. Наибольшую известность получили индукционные катушки немецкого механика Генриха Румкорфа (1848 г.). Его катушки предназначались для полу­чения искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Катушку Румкорфа приме­нил для дистанционного взрывания мин Б. С. Якоби.

Второй период (середина 70 - х – середина 80 - х гг.) характеризуется применением в сетях переменного тока индукционных катушек, которые представляли собой однофазный трансформатор с разомкнутым сердечником (магнитопроводом). Первыми такими трансформаторами были индукционные катушки Яблочкова, используемые им в системе «дробления электрической энергии» для питания нескольких дуговых ламп. По существу он в 1889 г. создал первый силовой трансформатор.

В дальнейшем подобное применение трансформаторов с разомкнутым сердечником получило развитие в работах И.Ф. Усагина и Э.Д. Гиббса.

В 1882 г. Усагин продемонстрировал устройство, показавшее, что предложенный П.Н. Яблочковым способ распределения электрической энергии с помощью индукционных катушек можно целиком применять для одновременного питания любого типа электрических приемников.

Усагин воспользовался индукционными катушками с разомкнутым сердечником. В зависимости от потребителя катушки имели разные размеры, но коэффициент трансформации был равен 1. В схеме Усагина первичные обмотки семи катушек включались последовательно в цепь однофазного тока, а во вторичные обмотки включались приемники: электродвигатель, нагревательная спираль, дуговые лампы с регулятором, электрические свечи Яблочкова. Все приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу.

Заслуга Усагина заключается в том, что он убедительно показал универсальность переменного тока и безопасность его использования.

Изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в поль­зу переменною тока. И между сторонниками систем постоянного и переменного токов в 80 – е годы шла настоящая битва, отражающая поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с про­блемой централизованного производства электроэнергии и пере­дачи ее на большие расстояния.

В начале 80 - х годов становилось все яснее, что система электро­снабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено опти­мальное напряжение 110 кВ. Радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров. Попытки расширить границы района электроснабжения привели к рождению так называемой трехпроводной системы постоянного тока. Но ос­новным направлением развития электроэнергетики уже в 80-х го­дах становится система переменного тока.

Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкну­тым сердечником для 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 уже не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения, т.е. имели коэффициент трансфор­мации, отличный от единицы. Общий вид «вторичного генерато­ра» (как его называли) изображен на рис. 5.9. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек 1, пер­вичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки катушек былисекционированы и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Заслуживают внимания выдвижные сердечники 2катушек, с помощью которых регулировалось напряжение на вторичных обмотках.

В системах дугового освещения, как правило, регулировалась величина тока в цепи последовательно включенных потребителей. Но после изобретения лампы накаливания и других приемников, для которых важно поддерживать постоянную величину напряжения, более целесообразным стало их параллельное включение. Таким образом, при параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутым сердечником становилось технически не оправданным. Трансформаторы с замкнутой магнитной системой имеют значительно меньший намагничивающий ток и, следовательно, меньшие потери электроэнергии и больший к. п. д.

В течение третьего периода (середина 80 - х – 90 - е гг.) был разработан промышленный тип трансформатора с замкнутой магнитной системой, а также предложено параллельное включение трансформаторов.

Первая конструкция трансформатора с замкнутым сердечником была создана в 1884 г. в Англии братьями Д. и Э. Гопкинсон. Сердечник 1 был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, обмотки высшего 2 и низшего 3 напряжений.

Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформатора высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но более всесторонне этот способ был обоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885г. получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов.

Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания промышленного типа однофазного 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. Блатти, М. Дери и К.Циперновским, впервые предложившими и сам термин «трансформатор». Такой трансформатор содержал все основные элементы современных однофазных конструкций.

В 1885 г. фирмой «Вестингауз» был построен первый автотрансформатор, который предложил У. Стенли.

Важное значение для расширения области применения трансформаторов и улучшения надежности их работы стало введение в конце 80-х г. масляного охлаждения (Д. Свинберн). Первые такие трансформаторы помещались в керамический сосуд, наполненный керосином или маслом.