Кто изобрел трансформатор: история создания и разработки, первое устройство

Предпосылки к созданию изобретения

Предпосылками изготовления трансформатора является изучение действия электромагнитной индукции, которую изобрел Фарадей в 1831 г. На основании этого французский механик Генрих Даниэль Румкорф в 1848 г начал работы по изготовлению индукционной катушки. Обязательным условием была необходимость преобразования постоянного тока в переменный. Г. Д. Румкорф одним из первых заметил, что благодаря изобретению Фарадея можно создавать токи достаточно высокого напряжения.

Трансформаторы используются в системах передачи электроэнергии

Многие специалисты искали способы передачи электроэнергии с более высоким напряжением, чем требуется в бытовых устройствах.

В 1884 году Вестингауз нанял молодого инженера Уильяма Стэнли, у которого возникла идея использовать трансформатор для решения проблемы передачи энергии. Услышав о работе Голара и Гиббса, он посоветовал Westinghouse приобрести патенты на трансформаторы.

Стэнли был убежден в преимуществах параллельных схем и к началу лета 1885 года уже изготовил несколько трансформаторов с замкнутым сердечником.

Вскоре из-за пошатнувшегося здоровья Стенли был вынужден покинуть свою лабораторию из промышленно-задымленного Питтсбурга. С одобрения Вестингауза он переехал в Грейт-Баррингтон, штат Массачусетс, где продолжил работу над трансформаторами.

Тем временем Вестингауз, еще не полностью убедившись в эффективности параллельного соединения, экспериментировал с различными комбинациями вторичных генераторов Голара и Гиббса с другим пионером электротехники, Оливером Блэкберном Шелленбергером.

Конструкция и принцип действия первого трансформатора

Для начала хотелось бы отметить, что идея преобразования постоянного тока возникла еще в 1848 году, но изобретатель Румкорф лишь спустя несколько лет смог представить своим коллегам действующую модель. Главной сложностью в процессе работы была намотка тончайшего провода непосредственно на вторичную обмотку. Кроме того, ему нужно было изолировать провод толщиной с прядь волос, а затем наматывать его на спираль. Конструкция первого трансформатора, а точнее индукционной катушки, была самой простой. Он состоял из:

1. Сердечник, представляющий собой стержень, сделанный из нарезанных кусков стальной проволоки.
2. На сердечник было намотано небольшое количество витков толстой проволоки, предварительно намотанной изоляционным материалом. Это была первичная обмотка.
3. На вторичной обмотке использовался тончайший провод, который изначально был заизолирован. При этом количество витков может быть от 16 000 до 1 000 000.

Что касается принципа работы, то он заключался в том, что Генрих Румкорф использовал специальный прерыватель, который способствовал включению последовательности катушки. При использовании обозначенного переключателя создавалась цепь переменного тока, что повышало напряжение во вторичной обмотке. Значение зависело от количества витков непосредственно на вторичной обмотке. То есть, если на первичной обмотке было, например, 28 витков, то на вторичной было в 20 раз больше.

Следовательно, напряжение увеличилось в 2 и более раз. Для того чтобы произошло необходимое прерывание, использовалась специальная пружинная пластина, которая затем размыкала цепь постоянного тока. Но для этого требовалось наличие магнитного поля. Для этого использовался сердечник из материала, сохраняющего магнитное поле.

Индукционная катушка была подключена к батарее элементов, благодаря специальному переключателю ток батареи, проходя через первичную обмотку катушки, намагничивает сердечник. Следующий процесс был:

1. Намагниченный сердечник притягивал переключатель, тем самым разрывая цепь на первичную обмотку.
2. Вытянутый переключатель способствовал размагничиванию сердечника, который затем возвращался в исходное положение.

Из-за того, что произошло во время замыкания, получился прерывистый ток. Кроме того, в результате изменения магнитного поля в первичной обмотке пересечение витков вторичной обмотки наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС).

Важно! Патент на трансформатор был выдан непосредственно П.Н. Яблочкову 30 ноября 1876 г. Эта дата считается днем ​​рождения трансформатора.

Виды трансформаторов

Для решения задач преобразования напряжения в разных схемах изобретены трансформаторы разной конструкции. Производители выбирают свои концепции магнитопроводов (см рис. 4), которые не влияют на работу и параметры устройств:

• стержневой тип (в основном применяется для трехфазных конструкций);
• тип брони (трехфазные устройства);
• тороидальный тип сердечника часто применяется в трансформаторах, применяемых в различных электротехнических устройствах.

Типы магнитопроводов

Более широкий спектр охватывает классификация по назначению.

Силовые

Назначение силового трансформатора понятно из названия. Термин мощность используется для семейства моделей, обычно большой мощности, используемых для преобразования электрической энергии в линиях электропередач и в различных служебных установках.

При трансформации сохраняются частоты переменного тока, благодаря чему можно объединять силовые трансформаторы в группы для работы в высоковольтных трехфазных сетях.

Блоки питания могут быть соединены группами с разными схемами соединения обмоток: по принципу звезды, треугольника или зигзага. Схема звезда оправдана, если нагрузка симметрична в трехфазных сетях. В противном случае предпочтение отдается треугольнику. При таком способе подключения токи первичной обмотки намагничивают каждый стержневой магнитопровод отдельно.

Тогда однофазное сопротивление приблизится к расчетному, а перекос напряжения будет устранен.

Автотрансформаторы

Группа устройств, в которых первичная и вторичная обмотки образуют электрическую связь за счет их непосредственной связи друг с другом, называется автотрансформаторами. Характерной чертой этой группы является несколько пар контактов, к которым можно подключить нагрузку.

Обмотки автотрансформаторов имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Они нашли применение при присоединении к заземленным сетям, работающим на напряжение выше 110 кВ, но при низких коэффициентах трансформации — не более 3 — 4.

Тока

Можно соединить первичную обмотку последовательно в электрическую цепь с другими устройствами и получить гальваническую развязку. Такие устройства называются трансформаторами тока. Первичная цепь таких устройств управляется изменением однофазной нагрузки, а вторичная обмотка используется в цепях измерительного прибора или сигнализации. Другое название приборов – измерительные трансформаторы.

Особенностью работы приборных трансформаторов является особый режим работы выходной обмотки. Работает в режиме критического короткого замыкания. При обрыве вторичной цепи в ней происходит резкое повышение напряжения, что может вызвать пробой или повреждение изоляции.

Силовой трансформатор

Читайте также: Аккумулятор для шуруповерта: зарядка, хранение, диагностика и ремонт

Напряжения

Типичным применением является изоляция логических цепей защиты от высокого напряжения для измерительных приборов. Трансформатор напряжения — это понижающее устройство, которое преобразует высокое напряжение в более низкое.

Импульсные

Современная электроника использует высокочастотные сигналы, которые часто приходится отделять от других сигналов.
Задача импульсных трансформаторов заключается в преобразовании импульсных сигналов при сохранении формы импульса.

Для высокочастотных импульсных устройств требуется максимальное сохранение формы импульса на выходе. Важна форма, а не амплитуда и даже не знак.

Сварочные

При работе сварочного аппарата важен большой сварочный ток. При этом напряжение сети снижается до безопасного уровня. За счет мощного электрического тока дуговой разряд сварочного аппарата расплавляет металл.

Сварочный трансформатор имеет возможность ступенчатого регулирования тока во вторичных цепях изменением индуктивного сопротивления, либо секционированием одной из обмоток.

Изображение устройства показано на рисунке 6. Обратите внимание на наличие переключателя.

Рис. 6. Трансформатор для полуавтоматической сварки на бронированном магнитопроводе

В сварочных аппаратах применяют конструкции на основе однофазных трансформаторов, а также трехфазных трансформаторов. Для сварки некоторых металлов, таких как нержавеющая сталь, корректируется сварочный ток.

Разделительные

Устройства, в которых нет электрической связи между обмотками, называются раздельными трансформаторами. Токоразделительные устройства применяются для повышения безопасности электрических сетей. Еще одним применением разделительных трансформаторов является обеспечение гальванической развязки между отдельными узлами электрических цепей.

Согласующие

Эти типы устройств используются для согласования сопротивлений каскадов электронных цепей. Они обеспечивают минимальные искажения формы волны, создают гальваническую развязку между узлами электронных устройств.

Пик-трансформаторы

Устройства, преобразующие синусоидальные токи в импульсные напряжения. Полярность выходных напряжений меняется каждые полпериода.

Воздушные и масляные

Силовые трансформаторы бывают сухими (с воздушным охлаждением) (см рис. 7) и масляными (см рис. 8).

Модели сухих силовых трансформаторов чаще всего используются для преобразования сетевых напряжений, в том числе в трехфазных сетях.

Рисунок 7. Трехфазный трансформатор сухого типа

При подключении нагрузки обмотки нагреваются, что грозит разрушением электроизоляции. Поэтому в сетях с напряжением выше 6 кВ работают аппараты с масляным охлаждением. Специальное трансформаторное масло повышает надежность изоляции, что очень важно при больших выходных мощностях.

Рис. 8. Конструкция промышленного масляного трансформатора

Сдвоенный дроссель

Конструктивно такое устройство представляет собой трансформатор с одинаковыми витками. Катушки одинаковой мощности образуют встречный индуктивный фильтр. КПД устройства выше газового (при тех же габаритах).

Вращающиеся

Они используются для обмена сигналами с вращающимися барабанами. Конструктивно они состоят из двух половинок магнитопровода с катушками. Эти части вращаются относительно друг друга. Обмен сигналами происходит при высоких скоростях вращения.

Как развивались технологии дальше

Открытие французского механика относительно устройства переменного тока получило широкое распространение только в 70-х годах ХХ века. Дело в том, что он только изобрел первый трансформатор, хотя изобретение требовало доработки. На основе созданного прототипа его дальнейшим развитием занимались другие исследователи. В 1876 г. П. Н. Яблочков представил усовершенствованную модель трансформатора. Хотя надо сказать, что изменений и дополнений было сделано немного. Например:

1. В качестве сердечника исследователь использовал специальный стержень, на котором непосредственно осуществлялась намотка.
2. Вместо использовавшейся ранее пружинной пластины за основу он взял индукционную катушку.

Благодаря внесенным изменениям работа первичной обмотки осуществлялась по заданной последовательности, обеспечивая тем самым необходимое для работы электроприборов напряжение.

Но следует сказать, что усовершенствованием первого трансформатора занимались другие исследователи. Важно отметить, что Яблочков изготовил устройство преобразования энергии с открытыми сердечниками, что в свою очередь повлекло за собой большие энергозатраты. Некоторое время спустя братья Хопкинсоны в 1882 году изготовили трансформатор с закрытым сердечником, и это послужило началом экономии потребления электроэнергии в будущем.

Суть доработки заключалась в том, что на сердечник надели катушки высокого и низкого напряжения. Но сам столб состоял из проволоки и стальных полос, которые были отделены друг от друга материалом с изолирующими свойствами.

В дальнейшем продолжались работы по совершенствованию трансформаторов. Причиной тому стало снижение энергопотребления, так как предыдущие устройства потребляли его достаточно много. Важным открытием является изобретение русским инженером Доливо-Добровольским в 1890 году трехфазного трансформатора. На основании своих расчетов он доказал, что благодаря трехфазному трансформатору можно экономить потребляемую электроэнергию.

Области применения

Помимо преобразования напряжения в электрических сетях, трансформаторы часто используются в источниках питания электронных устройств. В большинстве своем это автотрансформаторы, выдающие одновременно несколько напряжений для разных узлов.

Сегодня все чаще используются бестрансформаторные источники питания. Но там, где требуется мощный переменный ток, без электромагнитных устройств не обойтись.

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора с двумя катушками, установленными на замкнутом магнитопроводе (см рис. 2). Катушка, на которую подается ток, будет называться первичной катушкой, а выходная катушка — вторичной катушкой.

Рисунок 2. Трансформаторный блок

Практически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения, подаваемого в первичную цепь. При этом выходное напряжение снимается со вторичных обмоток. Отличаются они только формой, материалами магнитопроводов и способами намотки катушек.

Ферромагнитные сердечники используются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

• стали;
• пермаллой;
• феррит.

В некоторых высокочастотных моделях могут отсутствовать магнитопроводы, а в некоторых изделиях используются материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что свойства ферромагнетиков характеризуются нелинейностью намагничивания, сердечники изготавливают из листовых материалов, на которых размещают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения используемого метода смешения магнитопроводов.

Форма сердечника может быть W-образной или тороидальной.

Базовые принципы действия

При подаче синусоидального тока на выводы первичных обмоток он создает во второй катушке переменное магнитное поле, которое пронизывает магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует индукцию ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках пропорциональна числу витков и частоте тока. Отношение между числом витков в цепи первичной обмотки и числом витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1/W2, где символы W1 и W2 обозначают число витков в витках.

Если k > 1, трансформатор является повышающим, а при 0 < k < 1 — понижающим. Например, когда число витков, составляющих первичную обмотку, в три раза меньше числа витков вторичной, то k = 1/3, значит, U2 = 1/3 U1.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

• в неактивном состоянии;
• в режиме нагрузки;
• в режиме короткого замыкания.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки тока нет, ток холостого хода в этом состоянии циркулирует по первичной обмотке. По параметрам этого тока рассчитывают КПД, определяют коэффициент трансформации и находят потери в сердечнике.

Основным режимом работы трансформатора является состояние, когда ко второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующий ток холостого хода и номинальный ток сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки вся мощность сосредоточена в цепях обмотки. В этом состоянии можно определить потери, идущие на нагрев проводов в обмотках.

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображают обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде толстой или тонкой линии (см рис. 9).

Пример обозначения

На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

Современная история развития кратко

Сегодня в быту и на производстве используется огромное количество оборудования, которое работает благодаря электричеству. Для снижения расхода используются современные технологии, а также проводится:

• снизить расход теплоизоляционных материалов;
• использование специального трансформаторного масла;
• используются обмотки из другого металла и массы.

Следует сказать, что современные трансформаторы имеют прямой замкнутый сердечник, а их первичные обмотки соединены только параллельно. Сегодня оборудование тоже продолжает совершенствоваться, но только ядра. То есть цель состоит в том, чтобы создать материал, который поможет снизить потери энергии, а также повысить эффективность преобразователя.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются условия трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является основным параметром при расчете.

Еще одной важной характеристикой трансформатора является его КПД. В некоторых устройствах этот показатель составляет 0,9 — 0,98, что характеризует ничтожные потери магнитного поля на рассеяние. Мощность P зависит от площади поперечного сечения S магнитопровода. По величине S при расчете параметров трансформатора вы определяете количество витков в катушках: W = 50/S.

На практике мощность выбирается исходя из ожидаемой нагрузки с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Un×In, а мощность первичной обмотки Pс= Uс×Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = Uc/Un = Ic/In, то есть токи в каждой из обмоток обратно пропорциональны их напряжениям, а значит, и числу витков.