Трансформаторска трансформација

У модерној електроенергетској индустрији широко се користи радиоинжењерство, телекомуникације, системи аутоматизације, што се с правом сматра једном од уобичајених врста електричне опреме. Изум трансформатора једна је од сјајних страница у историји електротехнике. Скоро 120 година је прошло од стварања првог индустријског једнофазног трансформатора, чијим су проналаском радили од 30-их до средине 80-их година КСИКС века научници, инжињери из различитих земаља.

Данас је познато на хиљаде различитих дизајна трансформатора - од минијатурних до гигантских, за превоз за које су потребне посебне железничке пероне или моћна плутајућа опрема.

Као што знате, приликом преноса електричне енергије на велике удаљености примењује се напон од стотина хиљада волти. Али, по правилу, потрошачи не могу директно да користе такав огроман напон. Због тога се електрична енергија произведена у термоелектранама, хидроелектранама или нуклеарним електранама претвара, услед чега је укупна снага трансформатора неколико пута већа од инсталиране снаге генератора у електранама. Губици енергије у трансформаторима требају бити минимални, а овај проблем увијек је био један од главних у њиховом дизајну.

Стварање трансформатора постало је могуће након што су изванредни научници прве половине КСИКС века открили феномен електромагнетне индукције. Енглез М. Фарадаи и Американац Д. Хенри. Опште је познато искуство Фарадаиа са гвозденим прстеном, на које су намотана два намотаја међусобно изолована, примарни спојени на батерију, а секундарни са галванометром, чија је стрелица одступила када се примарни круг отворио и затворио. Можемо претпоставити да је уређај Фарадаи био прототип модерног трансформатора. Али ни Фарадаи ни Хенри нису били изумитељи трансформатора. Они нису проучавали проблем претварања напона, у својим експериментима су се уређаји напајали једносмерном, а не изменичном струјом и деловали не континуирано, већ тренутно у тренутку кад се струја укључила или искључила у примарном намоту.

Први електрични уређаји који су користили феномен електромагнетне индукције били су индукциони калемови. Када се отворио примарни намотај у њима, у секундарном се створио значајан ЕМФ, изазивајући велике искре између крајева овог намотаја. Током 1835-1844. Године патентирано је неколико десетина таквих уређаја. Најсавршенија је била индукциона завојница немачког физичара Г.Д. Румкорф.

Индукциона завојница штити Кронстадт

Прву успешну употребу индукционог намотаја извршио је раних 40-тих година КСИКС века руски академик Б.С. Јацоби (1801–1874) за паљење прашкастих набоја подводних електричних мина. Минска поља у Финском заљеву, саграђена под његовим вођством, блокирала су пут до Кронштата помоћу две англо-француске ескадриле, познато је да је током овог рата одбрана балтичке обале била од великог значаја. Огромна англо-француска ескадрила, која се састојала од 80 бродова са укупним бројем 3600 пушака, неуспешно је покушала да се пробије до Кронстадта. Након што се парадни Мерлин сударио с подводном рудником електричне енергије, ескадрила је била присиљена напустити Балтичко море.

Непријатељски адмирали са жаљењем су признали: "Савезничка флота не може учинити ништа пресудно: борба против моћних утврђења из Кронштата само би угрозила судбину бродова." Чувени енглески лист Хералд смејао се вицеадмиралу Непиру: "Дошао је, видео и ... није победио ... Руси се смеју, а ми смо заиста смешни."Електричне мине, непознате у Европи, присилиле су највећу флоту која се икада појавила у мору да се повуче, он, како су писале друге новине, не само да „није гурнуо рат напријед, већ се вратио без иједне победе“.

Индукциони намотај први је употребио као трансформатор талентованог руског инжењера електротехнике и проналазача Павла Николајевича Јаблокова (1847–1894).

1876. изумио је чувену "електричну свећу" - први извор електричне светлости, који се широко користио и познат као "руска светлост". Због своје једноставности, „електрична свећа“ се ширила широм Европе неколико месеци, па је чак доспела и до комора перзијског шеха и краља Камбоџе.

За истовремено укључивање великог броја свећа у електричну мрежу, Иаблоцхков је изумио систем „дробљења електричне енергије“ помоћу индукционих намотаја. Добио је патенте за „свећу“ и шему за њихово укључивање 1876. године у Француској, где је био присиљен да напусти Русију како не би завршио у затвору „дуга“. (Поседовао је малу електричну радионицу и волео је да експериментише са уређајима које је узео за поправке, не плаћајући повериоце увек на време.)

У систему „дробљења електричне енергије“ који је развио Иаблоцхков, примарни намоти индукционих намотаја били су серијски повезани у мрежу наизменичних струја, а различит број „свећа“ могао је да се укључи у секундарне намоте, чији режим рада није зависио од начина рада других. Као што је наведено у патенту, такав склоп омогућио је "обезбеђивање одвојене снаге за неколико расветних уређаја различитих интензитета светлости из једног извора електричне енергије". Очигледно је да је у овом кругу индукциона завојница радила у режиму трансформатора.

Ако је генератор директне струје укључен у примарну мрежу, Иаблоцхков је обезбедио постављање посебног прекидача. Патенте за укључивање свећа преко трансформатора Иаблоцхков је добио у Француској (1876), Немачкој и Енглеској (1877), у Русији (1878). И када се неколико година касније покренуо спор око тога ко припада приоритету у проналаску трансформатора, француско друштво "Електрична расвета", које је 30. новембра 1876. издало поруку, потврдило је Иаблоцхков приоритет: у патенту "... описани су принцип рада и методе укључивања трансформатора" . Такође је објављено да је „Иаблоцхков приоритет препознат у Енглеској“.

Шема "дробљења електричне енергије" помоћу трансформатора демонстрирана је на изложбама електричних аутомобила у Паризу и Москви. Ова инсталација била је прототип модерне електричне мреже са главним елементима: примарни мотор - генератор - далековод - трансформатор - пријемник. Изузетна достигнућа Иаблоцхкова у развоју електротехнике обележена су највишом наградом Француске - Орденом часног легиона.

Године 1882. И.Ф. Усагин је на Индустријској изложби у Москви демонстрирао шему Иаблоцхкова „дробљења“, али је у секундарне намоте завојница укључио разне пријемнике: електромотор, грејни свитак, лучну лампу и електричне свеће. Радећи то, први је показао свестраност АЦ-а и добио је сребрну медаљу.

Као што је већ напоменуто, у инсталацији Иаблоцхков трансформатор није имао затворени магнетни круг, који је у потпуности испуњавао техничке захтеве: када су примарни намоти били укључени узастопно, укључивање и искључивање неких потрошача у секундарним намотима није утицало на режим рада других.

Изуми Иаблоцхков-а дали су снажан подстицај коришћењу наизменичних струја. Почела су се стварати електротехничка предузећа у различитим земљама за производњу алтернатора и побољшање уређаја за његову трансформацију.

Када је постало неопходно за пренос електричне енергије на велике удаљености, употреба истосмерног напона високог напона за ове сврхе била је неефикасна. Први пренос електричне енергије наизменичном струјом извршен је 1883. ради осветљења лондонског подземља; линија је била дугачка око 23 км. Напон је повећан на 1500 В уз помоћ трансформатора које су 1882. године у Француској створили Л. Голиард и Д. Гиббс. Ови трансформатори су такође били са отвореним магнетним кругом, али већ су били намењени претворби напона и имали су коефицијент трансформације различит од јединства. На дрвеном постољу постављено је неколико индукцијских намотаја чији су примарни намотаји повезани серијски. Секундарни намот је био подељен и сваки одсек је имао два водича за повезивање пријемника. Изумитељи су предвидјели продужење језгара за регулисање напона на секундарним намотима.

Модерни трансформатори имају затворени магнетни круг и примарни намоти су спојени паралелно. Када су пријемници спојени паралелно, употреба отвореног магнетног кола технички није оправдана. Утврђено је да трансформатор са затвореним магнетним кругом има боље перформансе, има мање губитке и већу ефикасност. Стога, како се преносни размак повећавао и напон повећавао у водовима, почели су да дизајнирају трансформатор затвореног круга 1884. године у Енглеској, браћа Јохн и Едвард Хопкинсон. Магнетно језгро је црпљено из челичних трака изолираних једна од друге, што је смањило губитке вртложне струје. Завојнице високог и ниског напона распоређене су наизменично на магнетном кругу. Неприкладност рада трансформатора са затвореним магнетним кругом са серијским спајањем примарних намотаја први је указао амерички инжењер електротехнике Р. Кеннеди 1883. године, наглашавајући да ће промена оптерећења у секундарном кругу једног трансформатора утицати на рад осталих потрошача. То се може елиминисати паралелним спајањем намотаја. Први патент за такве трансформаторе добио је М. Дери (у фебруару 1885.). У каснијим шемама преноса снаге високог напона, примарни намоти су почели паралелно да се повезују.

Најнапредније једнофазне трансформаторе са затвореним магнетним кругом развили су 1885. мађарски инжењери електротехнике: М. Дери (1854–1934), О. Блати (1860–1939) и К. Ципперновски (1853–1942). Прво су користили термин "трансформатор". У пријави патента истакнули су важну улогу затвореног пуњивог магнетног круга, посебно за снажне енергетске трансформаторе. Они су такође предложили три модификације трансформатора које се користе до данас: прстен, оклоп и шипка. Такве трансформаторе серијски је произвела компанија за производњу машина за производњу машина Ганз & Цо. из Будимпеште. Садржали су све елементе савремених трансформатора.

Први аутотрансформатор створио је 1885. В. Станлеи, електричар америчке компаније Вестингхоусе, а његов успешни тест је одржан у Питтсбургху.

Од великог значаја за побољшање поузданости трансформатора било је увођење уљаног хлађења (крајем 1880-их, Д. Свинбурне). Свинбурн је поставио прве трансформаторе у керамичке посуде напуњене уљем, што је значајно повећало поузданост изолације намотаја. Све је то допринело широкој употреби једнофазних трансформатора за осветљење. Најмоћнија инсталација компаније Ганз & Цо. саграђена је у Риму 1886. године (15 000 кВА). Једна од првих електрана које је та компанија изградила у Русији била је станица у Одеси за осветљење нове оперске куће, широко познате у Европи.

АЦ тријумф. Трофазни системи

80-их година КСИКС века ушао у историју електротехнике под именом "битке за трансформаторе".Успешан рад једнофазних трансформатора постао је уверљив аргумент у корист коришћења променљиве струје. Али власници великих електроенергетских компанија које производе опрему за директну струју нису желеле губити профит и на све су начине спречавале увођење наизменичну струју, посебно за пренос електричне енергије на дуже релације.

Великодушно плаћени новинари шире разне врсте басни о наизменичној струји. Чувени амерички проналазач Т.А. такође се противио АЦ-у. Едисон (1847–1931). Након креирања трансформатора, одбио је да присуствује његовом тесту. "Не, не", узвикнуо је, "наизменична струја је бесмислица без будућности." "Не само да не желим прегледати АЦ мотор, већ и знам за то!" Едисонови биографи тврде да је, изумитељем, живевши дуг живот, уверен у своје погрешне погледе и да би дао много тога да му врати речи.

Акутност битака трансформатора фигуративно је написао познати руски физичар А.Г. Столетов 1889. године у часопису Електрицитет: „Ненамјерно се сјећам прогона који су претрпјели трансформатори у нашој земљи због недавног пројекта Ганз & Цо за освјетљавање дијела Москве. И у усменим извештајима и у новинским чланцима систем је означен као нешто херетичко, ирационално и, наравно, кобно: доказано је да су трансформатори потпуно забрањени у свим пристојним западним земљама и да могу да толеришу јефтиност у некој Италији. " Нису сви познати да су увођењем струје у држави Нев Иорк 1889. године помоћу наизменичне струје високог напона, привредници из електротехнике такође покушали да користе АЦ за компромитовање особе која угрожава живот.

Стварањем поузданих једнофазних трансформатора утро је пут за изградњу електрана и једнофазног далековода, који је широко кориштен за електрично осветљење. Али у вези с развојем индустрије, изградњом великих творница и фабрика, потреба за једноставним економичним електричним мотором постајала је све оштрија. Као што знате, једнофазни мотори наизменичне струје немају почетни стартни обртни момент и не би их могли користити у електричне сврхе. Тако је средином 80-их КСИКС века. настао је сложен енергетски проблем: било је потребно створити инсталације за економичан пренос високог напона електричне енергије на велике удаљености и развити дизајн једноставног и изузетно економичног електрицног мотора који ће испуњавати захтеве индустријске електричне жице.

Захваљујући напорима научника и инжењера из различитих земаља, овај проблем је успешно решен на основу вишефазних електричних система. Експерименти су показали да је најприкладнији трофазни систем. Највећи успех у развоју трофазних система постигао је изванредни руски инжењер електротехнике М.О. Доливо-Доброволски (1862-1919), присиљен да живи и ради у Немачкој дуги низ година. 1881. искључен је из Ријског политехничког института због учешћа у студентском револуционарном покрету без права да уђе у високошколску установу у Русији.

Године 1889. изумио је изненађујуће једноставан трофазни индукцијски мотор са веверицама, чији је дизајн у принципу преживео до данас. Али за пренос електричне енергије на високом напону била су потребна три једнофазна трансформатора, што је значајно повећало трошкове целокупне инсталације. Исте 1889. године Доливо-Доброволски, показујући изванредан неутер, ствара трофазни трансформатор.

Али није одмах дошао до тог дизајна, који је, попут индукционог мотора, у принципу преживео до данас. У почетку је то био уређај с радијалним распоредом језгара.Његов дизајн и даље личи на електричну машину без ваздушног зазора с испупченим половима, а намотаји ротора се преносе на шипке. Затим је било неколико конструкција "призматичног" типа. Најзад, научник је 1891. године добио патент за трофазни трансформатор са паралелним распоредом језгара у једној равнини, сличном модерном.

Општи тест трофазног система који користи трофазне трансформаторе био је познати пренос електричне енергије Лауфен-Франкфурт, изграђен 1891. године у Немачкој уз активно учешће Доливо-Доброволски, који је развио потребну опрему за то. У близини града Лауфен, у близини водопада на реци Нецкар, изграђена је хидроелектрана, чија би хидротурбина могла да развије корисну снагу од око 300 КС. Ротација се преноси у осовину трофазног синхроног генератора. Помоћу трофазног трансформатора капацитета 150 кВА (нико раније није направио такве трансформаторе), електрична енергија напона од 15 кВ преносила се трочланим далеководом на огромној удаљености (170 км) за то време у Франкфурту, где се отворила међународна техничка изложба. Ефикасност преноса била је већа од 75%. У Франкфурту је на изложбеном месту постављен трофазни трансформатор, који је напон смањио на 65 В. Изложба је била осветљена са 1000 електричних сијалица. Трофазни асинхрони мотор снаге око 75 кВ инсталиран је у ходнику, који је покретао хидрауличку пумпу која је доводила воду за јарко осветљен декоративни водопад. Постојао је својеврсни енергетски ланац: вештачки водопад створен је енергијом природног водопада, 170 км од првог. Импресивни посетиоци изложбе били су шокирани чудесним способностима електричне енергије.

Овај трансфер је био истински тријумф трофазних система, светско признање за изванредан допринос електротехници који је дао М.О. Доливо-Доброволски. Од 1891. године почела је савремена електрификација.

Са порастом капацитета трансформатора започиње изградња електрана и енергетских система. Електрични погон, електрични транспорт, електрична технологија настају и брзо се развијају. Занимљиво је напоменути да је прва најмоћнија електрана на свету са трофазним генераторима и трансформаторима била сервисна станица првог индустријског предузећа у Русији са трофазним електричним уређајима. Био је то новоросијски лифт. Снага синхроних генератора електране била је 1200 кВА, трофазни асинхрони мотори снаге од 3,5 до 15 кВ покрећу разне механизме и машине, а део електричне енергије је коришћен за осветљење.

Постепено је електрификација захватила све нове гране стручног образовања и образовања, комуникацију, живот и медицину - овај се процес продубио и проширио, електрификација је попримила огромне размере.

Током КСКС века. У вези са стварањем моћних интегрисаних електроенергетских система, повећањем опсега преноса електричне енергије и повећањем напона далековода, повећани су захтеви за техничким и радним карактеристикама трансформатора. У другој половини КСКС века. Значајан напредак у производњи моћних трансформатора био је повезан са употребом хладно ваљаног електричног челика за магнетне кругове, што је омогућило повећање индукције и смањење попречног пресека и тежине језгара. Укупни губици трансформатора смањени су на 20%. Показало се да је могуће смањити величину расхладне површине резервоара за уље, што је довело до смањења количине уља и смањења укупне тежине трансформатора. Технологија и аутоматизација производње трансформатора континуирано се побољшава, уведене су нове методе за прорачун снаге и стабилности намотаја и отпорности трансформатора на утицаје сила током кратког споја.Један од горућих проблема савремене конструкције трансформатора је постизање динамичке стабилности моћних трансформатора.

Велике перспективе за повећање снаге енергетских трансформатора отварају се употребом суперпроводне технологије. Употреба нове класе магнетних материјала - аморфних легура, према стручњацима, може да смањи губитак енергије у језграма и до 70%.

Трансформатор у служби радио електронике и телекомуникација

Након открића електромагнетних таласа Г. Хертза (1857–1894) 1888. и стварања првих електронских цеви у 1904–1907, појавили су се стварни предуслови за бежичну комуникацију, чија је потреба била све већа. Саставни елемент склопова за генерисање електромагнетних таласа високог напона и фреквенције, као и за појачавање електромагнетних осцилација, постао је трансформатор.

Један од првих научника који је проучавао херцеговачке таласе био је талентовани српски научник Никола Тесла (1856–1943), који поседује више од 800 проналазака из области електротехнике, радио инжењерства и телемеханике и које су Американци прозвали „краљем електричне енергије“. У свом предавању које је одржао на Универзитету Франклин у Филаделфији 1893. године, сасвим је дефинитивно говорио о могућности практичне примене електромагнетних таласа. „Желео бих,“ рекао је научник, „да кажем неколико речи о тој теми, што ми се стално чини, а које утичу на добробит свих нас. Мислим на пренос смислених сигнала, можда чак и енергије на било коју удаљеност без икаквих жица. Сваког дана сам све више убеђен у практичну изводљивост ове шеме. "

Експериментирајући са високофреквентним осцилацијама и покушавајући имплементирати идеју „бежичне комуникације“, Тесла је 1891. године створио један од најоригиналнијих уређаја свог времена. Научник је смислио срећну мисао - комбиновати у једном уређају својства резонантно-трансформаторског трансформатора, који је имао огромну улогу у развоју многих грана електротехнике, радио-инжењерства и надалеко познат као Теслин трансформатор. Узгред, лаком руком француских електричара и радио оператора, овај трансформатор је једноставно назван "Тесла".

У Теслином уређају примарни и секундарни намоти били су подешени на резонанцу. Примарно намотавање је укључено кроз варнични размак са индукцијском завојницом и кондензаторима. Током пражњења, промена магнетног поља у примарном кругу изазива струју веома великог напона и фреквенције у секундарном намоту, која се састоји од великог броја окрета.

Савремена мерења показала су да се коришћењем резонантног трансформатора могу добити висококвалитетни напони с амплитудом до милион волти. Тесла је истакао да је променом капацитета кондензатора могуће добити електромагнетне таласе различитих таласних дужина.

Научник је предложио да се користи резонантни трансформатор да би се побуђивао "проводник-емитер", подигнут високо изнад земље и способан је да преноси високу фреквенцију енергије без жица. Очигледно, Теслин "емитер" био је прва антена која је нашла најшире примјене у радио комуникацији. Да је научник створио осетљиви пријемник електромагнетних таласа, дошао би до проналаска радија.

Теслин биографи сматрају да су пре А.С. Попов и Г. Марцони Тесла најближи су овом открићу.

Године 1893., годину дана пре рендгенских зрака, Тесла је открио "посебне зраке" који продире у предмете који су непрозирни за обичну светлост. Али ове студије није завршио до краја и дуго су били успостављени пријатељски односи између њега и Роентгена. У другој серији експеримената коришћен је рендгенски снимак Теслин резонантни трансформатор.

1899. Тесла је уз помоћ пријатеља успео да изгради научну лабораторију у Колораду. Овде је на надморској висини од две хиљаде метара почео да проучава пражњење грома и да успоставља присуство електричног набоја земље.Осмислио је оригинални дизајн „појачавајућег предајника“ који подсећа на трансформатор и омогућава вам да примате напоне до неколико милиона волти фреквенцијом до 150 хиљада периода у секунди. На секундарно навијање повезао је јарбол висине око 60 м. Кад се Теслин предајник укључио, успео је да примети огромне ударе грома, пражњење дугачко до 135 метара, па чак и грмљавину. Поново се вратио идеји коришћења високофреквентних струја за „осветљење, грејање, кретање електричних возила по земљи и у ваздуху“, али, наравно, тада није могао да реализује своје идеје. Теслин резонантни трансформатор пронашао је своју примену у радио технологији од почетка 20. века. Његову структурну модификацију је направила компанија Марцони под именом „јиггер“ (сортер) и такође је коришћена за уклањање сигнала од сметњи.

Проблеми у опсегу комуникације решени су појавом појачала. Трансформатор се широко користио у појачавачким круговима заснованим на употреби радио инжењера Лдион, који је 1907. године изумио амерички радио инжењер. "

У КСКС веку. Електроника је прешла дуг пут од гломазних цевних уређаја до полуводичке технологије, микроелектронике и оптоелектронике. И увек је трансформатор остао непромењиви елемент напајања и различитих кругова конверзије. Током многих деценија побољшана је технологија производње трансформатора мале снаге (од пар вата до неколико вата). Њихова масовна производња захтевала је употребу посебних електричних материјала, посебно ферита, за производњу магнетних језгара, као и безјасни трансформатори за високофреквентне инсталације. Истраживања су у току како би се пронашли ефикаснији дизајни користећи најновије науке и технологије.

Електрификација је одувек била основа научног и технолошког напретка. На његовој основи се технологије у индустрији, транспорту, пољопривреди, комуникацијама и грађевинарству стално побољшавају. Невиђени успех постигнут је механизацијом и аутоматизацијом производних процеса. Постизање светске енергије не би било могуће без увођења разних високо ефикасних погонских и специјалних трансформатора.

Али из објективних закона развоја науке и технологије произлази да, без обзира како се данас стварали напредни дизајни, они су само корак на путу ка стварању још снажнијих и јединствених трансформатора.

Јан Сцхнеиберг