Transformator Transformation

I modern elkraftsindustri, radioteknik, telekommunikation, automatiseringssystem, används transformatorer i stor utsträckning, vilket med rätta anses vara en av de vanliga typerna av elektrisk utrustning. Uppfinningen av transformatorn är en av de stora sidorna i elektroteknikens historia. Nästan 120 år har gått sedan skapandet av den första industriella enfasstransformatorn, enligt vilken uppfinningen arbetades från 30-talet till mitten av 80-talet av XIX-talet, forskare, ingenjörer från olika länder.

Nuförtiden är tusentals olika konstruktioner av transformatorer kända - från miniatyr till jätte, för transport av vilka speciella järnvägsplattformar eller kraftfull flytande utrustning krävs.

Som ni vet, vid överföring av elektricitet över ett långt avstånd anbringas en spänning på hundratusentals volt. Men konsumenterna kan som regel inte använda så enorm spänning direkt. Därför genomgår den elektricitet som produceras vid värmekraftverk, vattenkraftverk eller kärnkraftverk transformering, varför den totala effekten hos transformatorer är flera gånger högre än den installerade kapaciteten hos generatorer i kraftverk. Energiförluster i transformatorer bör vara minimala, och detta problem har alltid varit ett av de viktigaste i deras design.

Skapandet av en transformator blev möjlig efter upptäckten av fenomenet elektromagnetisk induktion av enastående forskare under första hälften av XIX-talet. Engelsmannen M. Faraday och amerikanen D. Henry. Upplevelsen av Faraday med en järnring, på vilken två lindningar isolerade från varandra, var den primära ansluten till batteriet, och den sekundära med en galvanometer, vars pil avvikde när primärkretsen öppnades och stängdes, är allmänt känd. Vi kan anta att Faraday-enheten var en prototyp av en modern transformator. Men varken Faraday eller Henry var uppfinnarna av transformatorn. De studerade inte problemet med spänningskonvertering, i sina experiment matades enheterna med direkt snarare än växelström och agerade inte kontinuerligt, men direkt i det ögonblick strömmen slås på eller stängdes av i primärlindningen.

De första elektriska enheterna som använde fenomenet elektromagnetisk induktion var induktionsspolar. När den primära lindningen öppnades i dem, inducerades en betydande EMF i den sekundära, vilket orsakade stora gnistor mellan ändarna på denna lindning. Under åren 1835–1844 patenterades flera dussintals sådana apparater. Den mest avancerade var induktionsspolen för den tyska fysikern G.D. Ruhmkorff.

Induktionsspole skyddar Kronstadt

Den första framgångsrika användningen av en induktionsspole utfördes i början av 40-talet av XIX-talet av den ryska akademikern B.S. Jacobi (1801–1874) för antändning av pulverladdningar av elektriska gruvor under vatten. Gruvorna i Finska viken, byggda under hans ledning, blockerade vägen till Kronstadt av två anglo-franska skvadroner. Det är känt att försvaret mot Östersjökusten under detta krig var av stor betydelse. En enorm anglo-fransk skvadron, bestående av 80 fartyg med totalt 3600 vapen, försökte utan framgång bryta igenom till Kronstadt. Efter att flaggskeppet Merlin kolliderade med en elektrisk gruva under vattnet tvingades skvadronen att lämna Östersjön.

Fiendeadmiraler erkände beklagligt: ​​"Den allierade flottan kan inte göra något avgörande: kampen mot de mäktiga befästningarna i Kronstadt skulle bara äventyra fartygens öde." Den berömda engelska tidningen Herald skrattade till viceadmiral Nepir: "Han kom, såg och ... vann inte ... Ryssarna skrattar, och vi är riktigt roliga."Elektriska gruvor, okända i Europa, tvingade den mest magnifika flottan som någonsin dykt upp i havet att dra sig tillbaka; han, som en annan tidning skrev, inte bara "drev inte kriget framåt, utan återvände utan att vinna en enda seger".

Induktionsspolen användes först som transformator av den begåvade ryska elektrotekniker och uppfinnare Pavel Nikolayevich Yablokov (1847–1894).

1876 ​​uppfann han det berömda "elektriska ljuset" - den första källan till elektriskt ljus, som användes allmänt och är känt som "ryska ljuset". På grund av dess enkelhet sprang det "elektriska ljuset" över hela Europa under flera månader och nådde till och med kamrarna i den persiska shahen och kungen av Kambodja.

För att samtidigt inkludera ett stort antal ljus i det elektriska nätet uppfann Yablochkov ett system för "krossning av elektrisk energi" med hjälp av induktionsspolar. Han fick patent för ”ljuset” och systemet för att de skulle inkluderas 1876 i Frankrike, där han tvingades lämna Ryssland för att inte hamna i ”skuldfängelset”. (Han ägde en liten elverkstad och var intresserad av att experimentera med apparater som han tog för reparationer, och betalade inte alltid borgenärer i tid.)

I systemet för "krossning av elektrisk energi" som utvecklats av Yablochkov kopplades induktionsspolarnas primära lindningar i serie till växelströmsnätet, och ett annat antal "ljus" kunde inkluderas i sekundärlindningarna, vars driftläge inte bero på andras läge. Såsom anges i patentet gjorde en sådan krets det möjligt "att tillhandahålla separat kraft till flera belysningsanordningar med olika ljusintensiteter från en enda källa för elektricitet." Det är uppenbart att induktionsspolen i denna krets fungerade i transformatormod.

Om en likströmsgenerator ingick i det primära nätverket, tillhandahöll Yablochkov installationen av en speciell brytare. Patent för införande av ljus genom transformatorer erhölls av Yablochkov i Frankrike (1876), Tyskland och England (1877), i Ryssland (1878). Och när några år senare började en tvist om vem som tillhör prioriteringen i uppfinningen av transformatorn, det franska samhället "Electric Lighting", som gav ut ett meddelande den 30 november 1876, bekräftade Yablochkovs prioritet: i patentet "... användes principen och metoderna för att slå på transformatorn" . Det rapporterades också att "Yablochkovs prioritering erkänns i England."

Systemet med "krossning av elektrisk energi" med hjälp av transformatorer demonstrerades vid elektriska utställningar i Paris och Moskva. Denna installation var en prototyp av ett modernt elektriskt nätverk med huvudelementen: primärmotor - generator - transmissionslinje - transformator - mottagare. Yablochkovs enastående framsteg i utvecklingen av elektroteknik präglades av Frankrikes högsta utmärkelsen - Order of Legion of Honor.

1882, I.F. Usagin demonstrerade på industriutställningen i Moskva schemat för Yablochkovs "krossning", men han inkluderade olika mottagare i spolarnas sekundärlindningar: en elmotor, en värmespole, en båglampa och elektriska ljus. Genom detta visade han först AC: s mångsidighet och tilldelades en silvermedalj.

Som redan nämnts hade transformatorn inte i Yablochkov-installationen en sluten magnetisk krets, som fullständigt uppfyllde de tekniska kraven: när de primära lindningarna slogs på i följd påverkade och inaktiverade vissa konsumenter i sekundärlindningarna inte driftsläget för andra.

Uppfinningarna av Yablochkov gav en kraftfull drivkraft för användningen av växelström. Elektrotekniska företag började skapas i olika länder för tillverkning av växelströmsgeneratorer och förbättring av apparater för dess omvandling.

När det blev nödvändigt att överföra elektricitet över långa avstånd var användningen av högspännings-likström för dessa ändamål ineffektiv. Den första växelströmstransmissionen utfördes 1883 för att belysa Londons tunnelbana, linjen var cirka 23 km lång. Spänningen ökades till 1500 V med hjälp av transformatorer som skapades 1882 i Frankrike av L. Goliard och D. Gibbs. Dessa transformatorer hade också en öppen magnetisk krets, men de var redan avsedda för spänningskonvertering och hade en transformationskoefficient som skiljer sig från enhet. Flera induktionsspolar monterades på ett trästativ, vars primära lindningar var kopplade i serie. Den sekundära lindningen var uppdelad, och varje sektion hade två ledningar för anslutning av mottagare. Uppfinnarna tillhandahöll förlängning av kärnorna för att reglera spänningen på de sekundära lindningarna.

Moderna transformatorer har en stängd magnetisk krets och deras primära lindningar är parallella anslutna. När mottagarna är anslutna parallellt är användningen av en öppen magnetisk krets inte tekniskt motiverad. Det visade sig att en transformator med en stängd magnetisk krets har bättre prestanda, har mindre förlust och större effektivitet. Därför, när överföringsavståndet ökade och spänningen ökade i linjerna, började de designa en sluten kretsstransformator 1884 i England av bröderna John och Edward Hopkinson. Den magnetiska kärnan hämtades från stålremsor isolerade från varandra, vilket minskade virvelströmförlusterna. Spolar med hög och låg spänning arrangerades växelvis på magnetkretsen. Bristen på att driva en transformator med en stängd magnetisk krets med en serieanslutning av primärlindningarna påpekades först av den amerikanska elektrotekniker R. Kennedy 1883, och betonade att en förändring av belastningen i sekundärkretsen hos en transformator kommer att påverka andra konsumenters drift. Detta kan elimineras genom parallellanslutning av lindningarna. Det första patentet för sådana transformatorer erhölls av M. Deri (i februari 1885). I efterföljande kraftöverföringsscheman för högspänning började de primära lindningarna att anslutas parallellt.

De mest avancerade enfasstransformatorerna med en stängd magnetisk krets utvecklades 1885 av ungerska elektriska ingenjörer: M. Deri (1854–1934), O. Blati (1860–1939) och K. Tsipernovsky (1853–1942). De använde först termen "transformator". I patentansökan påpekade de den viktiga rollen för en stängd laddningsbar magnetkrets, särskilt för kraftfulla krafttransformatorer. De föreslog också tre modifieringar av transformatorer som hittills används: ring, rustning och stång. Sådana transformatorer producerades i serie av Ganz & Co. Electric Machine Building Plant i Budapest. De innehöll alla elementen i moderna transformatorer.

Den första autotransformatorn skapades av W. Stanley, en elektriker från det amerikanska företaget Westinghouse, 1885; dess framgångsrika test ägde rum i Pittsburgh.

Av stor betydelse för att förbättra transformatorernas tillförlitlighet var införandet av oljekylning (sent 1880-talet, D. Swinburne). Swinburn placerade de första transformatorerna i keramiska fartyg fyllda med olja, vilket avsevärt ökade tillförlitligheten för lindningens isolering. Allt detta bidrog till den utbredda användningen av enfasstransformatorer för belysningsändamål. Den mest kraftfulla installationen av företaget Ganz & Co. byggdes i Rom 1886 (15 000 kVA). En av de första kraftverk som byggdes av företaget i Ryssland var stationen i Odessa för belysning av ett nytt operahus, allmänt känt i Europa.

AC-triumf. Tre fas system

80-talet av XIX-talet in i historien för elektroteknik under namnet "transformatorstrider".En framgångsrik drift av enfasstransformatorer har blivit ett övertygande argument till förmån för användning av växelström. Men ägarna till stora elföretag som producerar likströmsutrustning ville inte förlora vinsten och förhindrade på alla sätt införandet av växelström, särskilt för kraftöverföring på lång avstånd.

Generöst betalda journalister sprider alla typer av fabler om växelström. Den berömda amerikanska uppfinnaren T.A. motsatte sig också AC. Edison (1847–1931). Efter att ha skapat transformatorn vägrade han att delta i sitt test. "Nej, nej", utbrast han, "växelström är nonsens utan framtid." "Jag vill inte bara inspektera växelströmsmotorn utan också veta om den!" Edisons biografer hävdar att uppfinnaren, efter att ha levt ett långt liv, var övertygad om sina felaktiga åsikter och skulle ge mycket för att få tillbaka sina ord.

Transfektstridens skarpa var bildligt skriven av den berömda ryska fysikern A.G. Stoletov 1889 i tidskriften Electricity: ”Jag minns ofrivilligt den förföljelse som transformatorer i vårt land lidit om det senaste projektet från Ganz & Co. för att belysa en del av Moskva. Både i muntliga rapporter och i tidningsartiklar fördömdes systemet som något kättar, irrationellt och, naturligtvis, dödligt: ​​det visade sig att transformatorer var helt förbjudna i alla anständiga västerländska länder och endast kunde tolerera billig i vissa Italien. ” Inte alla vet att införandet av elektrokution i New York State 1889 med högspänning växelström, affärsmän från elektroteknik försökte också använda AC för att äventyra en livshotande person.

Skapandet av tillförlitliga enfasstransformatorer banade vägen för byggandet av kraftverk och en enfasströmöverföringsledning, som har blivit allmänt använd för elektrisk belysning. Men i samband med utvecklingen av industrin, byggandet av stora fabriker och fabriker, blev behovet av en enkel ekonomisk elmotor mer och mer akut. Som du vet har enfas växelströmsmotorer inte ett initialt startmoment och kunde inte användas för elektriska drivenheter. Så i mitten av 80-talet av XIX-talet. ett komplext energiproblem uppstod: det var nödvändigt att skapa installationer för ekonomisk överföring av högspänningselektricitet över långa avstånd och att utveckla konstruktionen av en enkel och mycket ekonomisk växelströmselektrisk motor som uppfyllde kraven för en industriell elektrisk ledning.

Tack vare ansträngningar från forskare och ingenjörer från olika länder löstes detta problem framgångsrikt på basis av flerfasiga elektriska system. Experimenten visade att det mest lämpliga av dem är ett trefassystem. Den största framgången i utvecklingen av trefassystem uppnåddes av den enastående ryska elektrotekniker M.O. Dolivo-Dobrovolsky (1862–1919), tvingades leva och arbeta i Tyskland under många år. 1881 förvisades han från Riga Polytechnic Institute för att ha deltagit i den revolutionära studentrörelsen utan rätt att gå in i en högre utbildningsinstitution i Ryssland.

1889 uppfann han en överraskande enkel induceringsmotor för ekorre-bur, vars design i princip har överlevt till denna dag. Men för överföring av el vid högspänning behövdes tre enfasstransformatorer, vilket avsevärt ökade kostnaden för hela installationen. Samma 1889 skapar Dolivo-Dobrovolsky, efter att ha visat en extraordinär kastrat, en trefastransformator.

Men han kom inte omedelbart till designen, som i princip som en induktionsmotor har överlevt till nutid. Först var det en anordning med ett radiellt arrangemang av kärnor.Dess design liknar fortfarande en elektrisk maskin utan ett luftspalt med utskjutande stolpar, och rotorlindningarna överförs till stavarna. Sedan fanns det flera konstruktioner av den "prismatiska" typen. Slutligen, 1891, fick forskaren ett patent på en trefastransformator med ett parallellt arrangemang av kärnor i ett plan, liknande det moderna.

Det allmänna testet av ett trefassystem med trefastransformatorer var den berömda kraftöverföringen Laufen-Frankfurt, byggd 1891 i Tyskland med aktivt deltagande av Dolivo-Dobrovolsky, som utvecklade den nödvändiga utrustningen för den. Nära staden Laufen, nära vattenfallet vid Neckar-floden, byggdes en vattenkraftstation, vars hydrokraftverk kunde utveckla en användbar kraft på cirka 300 hk Rotationen överfördes till axeln på en trefas synkron generator. Med hjälp av en trefastransformator med en kapacitet på 150 kVA (ingen hade tidigare gjort sådana transformatorer) överfördes elektricitet vid en spänning på 15 kV via en tretrådig överföringsledning över ett stort avstånd (170 km) för den tiden i Frankfurt, där den internationella tekniska utställningen öppnades. Överföringseffektiviteten överskred 75%. I Frankfurt installerades en trefastransformator på utställningsplatsen, vilket reducerade spänningen till 65 V. Utställningen tändes av 1000 elektriska lampor. En tre-fas asynkronmotor med en effekt på cirka 75 kW installerades i hallen som aktiverade en hydraulpump som levererade vatten till ett ljust upplyst dekorativt vattenfall. Det fanns en slags energikedja: ett konstgjord vattenfall skapades av energin från ett naturligt vattenfall, 170 km från det första. Imponerande besökare på utställningen blev chockade av elektriska energins fantastiska förmågor.

Denna överföring var en riktig triumf för trefassystem, världsigenkänning av det enastående bidraget till elektroteknik som M.O. Dolivo-Dobrovolsky. Sedan 1891 har modern elektrifiering påbörjats.

Med tillväxten av transformatorkapacitet börjar byggandet av kraftverk och energisystem. Den elektriska drivenheten, den elektriska transporten, den elektriska tekniken växer fram och utvecklas snabbt. Det är intressant att notera att världens första kraftfullaste kraftverk med trefasgeneratorer och transformatorer var servicestationen för Rysslands första industriföretag med trefas elektrisk utrustning. Det var en Novorossiysk hiss. Kraften hos synkrongeneratorer i kraftverket var 1200 kVA, trefas asynkronmotorer med kraft från 3,5 till 15 kW drivna olika mekanismer och maskiner, och en del av elen användes för belysning.

Gradvis påverkade elektrifieringen alla nya grenar av yrkesutbildningen, kommunikation, liv och medicin - denna process fördjupades och utvidgades, elektrifieringen tog i en massiv skala.

Under XX-talet. I samband med skapandet av kraftfulla integrerade kraftsystem, en ökning av överföringsområdet för elektrisk energi och en ökning av kraftöverföringsledningen ökade kraven på transformatorernas tekniska och operativa egenskaper. Under andra hälften av XX-talet. Betydande framsteg i produktionen av kraftfulla krafttransformatorer förknippades med användningen av kallvalsat elektriskt stål för magnetiska kretsar, vilket gjorde det möjligt att öka induktionen och minska kärnans tvärsnitt och vikt. Totala förluster i transformatorer reducerades till 20%. Det visade sig vara möjligt att minska storleken på kylytan på oljetankarna, vilket ledde till en minskning av mängden olja och en minskning av transformatorns totala vikt. Tekniken och automatiseringen av transformatorproduktionen har kontinuerligt förbättrats, nya metoder har införts för att beräkna lindningens styrka och stabilitet och transformatorernas motstånd mot krafternas effekter under kortslutningar.Ett av de pressande problemen med modern transformatorkonstruktion är att uppnå dynamisk stabilitet hos kraftfulla transformatorer.

Stora möjligheter att öka kraften i krafttransformatorer öppnas med hjälp av superledande teknik. Användningen av en ny klass av magnetiska material - amorfa legeringar, enligt experter, kan minska energiförlusten i kärnorna med upp till 70%.

Transformator för radioelektronik och telekommunikation

Efter upptäckten av elektromagnetiska vågor av G. Hertz (1857–1894) 1888 och skapandet av de första elektronrören 1904–1907, verkade verkliga förutsättningar för trådlös kommunikation, vars behov växte fram. Ett integrerat element i kretsar för att generera elektromagnetiska vågor med hög spänning och frekvens, liksom för att förstärka elektromagnetiska svängningar, har blivit en transformator.

En av de första forskarna som studerade Hertzianvågorna var den begåvade serbiska forskaren Nikola Tesla (1856–1943), som äger mer än 800 uppfinningar inom området elektroteknik, radioteknik och telemekanik och som amerikanerna kallade ”kungen av el”. I sin föreläsning vid Franklin University i Philadelphia 1893 talade han definitivt om möjligheten till praktisk tillämpning av elektromagnetiska vågor. ”Jag skulle vilja”, sade forskaren, ”att säga några ord om ämnet, som ständigt är mitt sinne, vilket påverkar oss alla välfärd. Jag menar överföring av meningsfulla signaler, kanske till och med energi till vilket avstånd som helst utan kablar alls. Varje dag är jag mer och mer övertygad om det praktiska genomförandet av detta schema. "

Experimenterande med högfrekventa svängningar och försöker implementera idén om "trådlös kommunikation", skapar Tesla 1891 en av de mest originella enheterna i hans tid. Forskaren kom med en glad tanke - att i en enhet kombinera egenskaperna hos en resonans-transformatortransformator, som spelade en stor roll i utvecklingen av många grenar inom elektroteknik, radioteknik och är allmänt känd som Tesla-transformatorn. Förresten, med den lilla handen från franska elektriker och radiooperatörer, kallades denna transformator helt enkelt "Tesla."

I Tesla-anordningen inställdes de primära och sekundära lindningarna till resonans. Den primära lindningen aktiverades genom ett gnistgap med en induktionsspole och kondensatorer. Under en urladdning orsakar en förändring av magnetfältet i primärkretsen en ström med en mycket stor spänning och frekvens i sekundärlindningen, som består av ett stort antal varv.

Moderna mätningar har visat att med hjälp av en resonanttransformator kan högkvalitativa spänningar med en amplitud på upp till en miljon volt erhållas. Tesla påpekade att genom att ändra kondensatorns kapacitet är det möjligt att få elektromagnetiska vågor med olika våglängder.

Forskaren föreslog att man använder en resonanstransformator för att väcka en "ledare-emitter", höjd högt över marken och kan överföra högfrekvent energi utan ledningar. Uppenbarligen var "emittern" från Tesla den första antennen som har hittat den bredaste applikationen inom radiokommunikation. Om en forskare hade skapat en känslig mottagare av elektromagnetiska vågor, skulle han ha kommit till uppfinningen av radio.

Tesla-biografier tror att innan A.S. Popov och G. Marconi Tesla var närmast denna upptäckt.

År 1893, ett år före röntgen, upptäckte Tesla "speciella strålar" som tränger igenom föremål som är ogenomskinliga för vanligt ljus. Men han avslutade inte dessa studier till slutet och vänliga relationer upprättades mellan honom och Roentgen under lång tid. I den andra serien av experiment använde röntgen Tesla resonans transformator.

År 1899 lyckades Tesla med hjälp av vänner att bygga ett vetenskapligt laboratorium i Colorado. Här på två tusen meters höjd började han studera blixtnedladdningar och fastställa närvaron av en elektrisk laddning på jorden.Han kom med den ursprungliga designen av en "förstärkande sändare" som liknar en transformator och låter dig ta emot spänningar upp till flera miljoner volt med en frekvens på upp till 150 tusen perioder per sekund. Han fästade en mast på cirka 60 m högt till sekundärlindningen. När sändaren var påslagen lyckades Tesla observera enorma blixtnedslag, ett urladdning upp till 135 fot långt och till och med åska. Han återvände igen till idén att använda högfrekventa strömmar för "belysning, uppvärmning, förflyttning av elektriska fordon på marken och i luften", men naturligtvis kunde han inte förverkliga sina idéer vid den tiden. Teslas resonanstransformator hittade sin tillämpning inom radioteknologi från början av 1900-talet. Dess strukturella modifiering gjordes av företaget Marconi under namnet “jigger” (sorterare) och användes också för att rensa signalen från störningar.

Problemen med kommunikationsområdet löstes med tillkomsten av förstärkare. Transformatorn användes ofta i förstärkarkretsar baserat på användningen av radioingenjören Ldion, uppfann 1907 av den amerikanska radioingenjören. ”

På XX-talet. Elektronik har gått långt från skrymmande rörenheter till halvledarteknik, mikroelektronik och optoelektronik. Och alltid förblev transformatorn ett oundvikligt element av kraftförsörjningar och olika omvandlingskretsar. Under många decennier har tekniken för tillverkning av låg effekt (från en bråkdel av watt till flera watt) transformatorer förbättrats. Deras massproduktion krävde användning av speciella elektriska material, i synnerhet ferriter, för tillverkning av magnetiska kärnor, liksom korlösa transformatorer för högfrekventa installationer. Forskning pågår för att hitta effektivare design med den senaste vetenskapen och tekniken.

Elektrifiering har alltid varit grunden för vetenskapliga och tekniska framsteg. På grundval av detta förbättras ständigt teknik inom industri, transport, jordbruk, kommunikation och konstruktion. Oöverträffad framgång uppnåddes genom mekanisering och automatisering av produktionsprocesser. Att uppnå världenergi skulle inte vara möjligt utan införandet av en mängd mycket effektiv kraft och speciella transformatorer.

Men från de objektiva lagarna för utveckling av vetenskap och teknik följer det att oavsett hur avancerade mönster skapas idag, är de bara ett steg på vägen till att skapa ännu kraftfullare och unika transformatorer.

Jan Schneiberg