Трансформаторные битвы

Восьмидесятые голы прошлого столетня пошли в историю электротехники под названием периода «трансформаторных битв». Такое не­обычное название они получили потому что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов  поль­зу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками систем постоянного н переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с про-блемой 'централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния.

Схематическое изображение будущего трансформатора впер­вые появилось и 1831 г. в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансфор­матора, как изменение напряжении н токов, то есть трансформи­рования переменного тока. Они демонстрировали индукцию при замыкании н размыкании цени постояниного тока.

U 1836 г. ирландский физик Николас Каллан (1799—1864 гг.) изобрел индукционную катушку. В 1838 г. это изобретение повто­рил американский изобретатель Чарлз Пендж, но наибольшую из­вестность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803—1877), именем которого впоследствии стали называть индукционную катушку. Такие катушки предназначались для полу­чение искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Катушку Румкорфа приме­нил для дистанционного взрывания мин Б. С. Якобп. В последней трети прошлого века индукционные катушки получили широкое применение и системах зажигания двигателей внутреннего сгораний.

П. Н. Яблочков отчетливо понял, роль индукционной катушки как средства электрического разделения цепей переменного тока. Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во многих странах он как бы подчеркивал важность нового предло­жения. Во французском патенте № 115793 от 30 ноября 1876 г. он писал: «Предметом этого изобретения является распределение то­ков в целях производства электрического света, позволяющее получить, пользуясь цепью, питаемой одним единственным ис­точником электричества, неопределенное число источников све­та,,.» И как бы отмежевываясь от привычных схем индукционных катушек, он указывает: «Если я применяю... электрический ис­точник переменного тока, общее расположение остается неизменным, но прерыватель становится ненужным...»

Система «дробления света» П. Н. Яблочкова широко демонст­рировалась два раза: на Парижской международной электриче­ской выставке в 1881 г. и на Второй Петербургской электро­технической выставке в 1882 г* (где всю систему разработал и экс­понировал препаратор Московского университета И. Ф. Усагин). Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, а стальной сердечник был разо­мкнутым и представлял собой стержень, на который наматыва­лись обмотки.

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 ПО В. Радиус электроснабжения не превы­шал нескольких сотен метров. Попытки расширить границы района электроснабжения привели к рождению так называемой трехпроводной системы постоянного тока (110x2=220 В). 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. Голя-ром 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, пер­ечные обмотки которых соединялись последовательно. Вторич­ные обмотки катушек были секционированы и каждая секция "мела два вывода для подключения приемников. Заслуживают внимания выдвижные сердечники 2 катушек, с помощью которых регулировалось напряжение на вторичных обмотках. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 г. устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а в 1884 г. — в Турине (Италия).
В системах дугового освещения, как правило, регулировался ток в цепи последовательно включенных потребителей. Но после изобретения лампы накаливания и других приемников, для которых важно поддерживать постоянное напряжение, более целесообразным стало их параллельно включение. Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитный сердечник, их первичные обмотки включаются параллельно. Но для схемы «дробления» энергии, предложенной Яблочковым, трансформаторы с разомкнутым сердечником вполне удовлетворяли техническим требованиям, при последовательном соединении первичных обмоток включение и выключение одних потребителей не оказывало существенного влияния на режим работы других. При параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутыми сердечниками становилось технически не оправданным. Поэтому понятно стремление сконструировать трансформаторы с замкнутой магнитной системой, которые обладают значительно лучшими характеристиками (меньший намагничивающий ток, а следовательно, меньшие потеря и больший кпд). Первые трансформаторы с замкнутым сердечником (рис. 5.10) были розданы в Англии 1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проводок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помешались, чередуясь, катушки высшего 2 и низшего 3 напряжений.
Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но более всесторонне этот способ соединения был обоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885 г. получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения. Независимо от него аналогичный патент в Англии получил С. Ц. Ферранти. Таковы предпосылки применения трансформаторов с замкнутым сердечником.

 

Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания 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 М. Дери (1854—1934 гг.), О. Блати (1860-1938 гг.) " К. Циперновским (1853—1942 гг.), впервые предложившими и сам термин «транс-Форматор*. В патентной заявке они отмечали важное значение замкнутого шихтованного сердечника, в особенности для мощных силовых трансформаторов. На рис. 5.11 изображены первые образцы кольцевого и броневого трансформаторов, а также общий вид серийного трансформатора системы Блати, Дери и Циперновского, выпускавшихся электромашиностроительным заводом в Будапеште фирмы «Ганц и К0 ». Эти трансформаторы содержали все основные элементы современных однофазных конструкций.
Венгерские инженеры нашли оптимальные соотношения между расходом меди и стали в трансформаторах и обеспечили своей продукции широкий сбыт на мировом электротехническом рынке, В частности, эта фирма осуществила в 1887 г. одну из первых в России установок переменного тока для освещения оперного театра в Одессе.
На территории завода «Ганц и К0», где сто лет назад создавали первый трансформатор, сегодня разместились корпуса завода «Ганц Моваг», выпускающего электропоезда и сложное электрооборудование для энергетики. На заводе есть музей, в котором главное место отведено истории создания трансформатора.
В 1885 г. фирмой «Вестингауз» был построен первый автотрансформатор, который предложил У. Стенли. В конце 80-х годов Д. Свинбсрн предложил масляное охлаждение трансформаторов.Первые системы электроснабжения переменным током рождались в условиях ожесточенной конкурентной борьбы электротехнических фирм, причем эта борьба нередко принимала уродливые формы. За спорящими учеными стояли крупные фирмы. Так, непримиримым борцом против переменного тохав 80-х годах выступил знаменитый Эдисон. А инженер фирмы Эдисона Г. Браун, стремясь заполучить заказ на новый вид продукции, в пылу полемики вызвал публично соперника из фирмы «Вестингауз» на дуэль на электрических стульях. Исход дуэли должен был решить, какой же стул делать: на постоянном или на переменном токе.
Острота и горький привкус борьбы эпохи трансформаторных битв звучат в следующих словах нашего физика А. Г. Столетова, опубликованных в его сообщении в журнале «Электричество (1889, №13—14): «Невольно вспоминается та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве, по поводу и давнего проекта фирмы «Ганц и К0» осветить часть Москвы. И ученых докладах и в газетных статьях система обличалась, как нечто еретическое, ненациональное и безусловно гибельное; доказывалось, что трансформаторы начисто запрещены во всех порядочных государствах Запада и терпятся разве в каком-нибудь Италии, падкой на дешевизну. Защитники «национальности в электричестве» забывали, что первую идею о трансформации тока в технике сами иностранцы приписывают Яблочкову..., что на Всероссийской выставке 1882 года в Москве ранее Голларда, Гиббса и др., весьма определенно демонстрировал г. Усагин, за что награжден медалью».