Трансформатор и его история

Революция в науке и технике, сопровождавшая развитие нашей цивилизации на протяжении последних двухсот лет, базировалась на ряде основополагающих изобретений и открытий, в частности, в сфере электротехники и электроники. Такие, когда-то чудесные вещи, как телевидение и телефонная связь, стали неотъемлемой частью нашей повседневности. Однако, одно изобретение, которое сегодня обеспечивает нам доступ к электрической энергии и играет важнейшую роль во всех отраслях техники, почему-то находится в тени. Речь идет о незаметном устройстве, которое не движется, часто работает бесшумно и невидимо для стороннего наблюдателя. Конечно, мы говорим об электрическом трансформаторе.

Это замечательное изобретение 19-го века сегодня принадлежит к числу основных компонентов электроэнергетики, да и всех областей радиоэлектроники. Это устройство преобразует напряжения (повышает их или понижает) практически со 100-процентным КПД. Физическое явление, на котором основана работа трансформатора, было открыто и исследовано в 1831 году физиком, англичанином Майклом Фарадеем, который много лет посвятил научной работе в сфере электрических явлений.

М. Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле возбуждает в проводнике, помещенном в это поле, переменный электрический ток, и наоборот - переменный ток, проходящий через проводник, порождает переменное магнитное поле, возникающее вокруг этого проводника. Эта взаимосвязь между переменными магнитным полем и электрическим током стали называть электромагнитной индукцией. В составе любого трансформатора имеется первичная обмотка – катушка, выполненная изолированным проводом, которая и является источником переменного магнитного поля. В другой обмотке – вторичной под действием переменного магнитного поля генерируется электродвижущая сила (ЭДС), приводящая к возникновения переменного электрического тока. Однако, ток, проходящий по вторичной обмотке, также приводит к возникновению переменного магнитного поля, под воздействием которого возникает ЭДС в первичной обмотке. Это явление называют взаимоиндукцией. Более того, та же первичная или вторичная обмотка подвергается воздействию собственного магнитного поля с соответствующим генерированием дополнительной ЭДС. Такое явление получило название самоиндукции. Таким образом, основой работы любого трансформатора является комбинация взаимной индукции и самоиндукции его обмоток.

Для нормальной работы трансформатора требуется, чтобы его первичная и вторичная обмотки были связаны общим магнитным полем. Такую конструкцию можно создать, намотав две катушки на общий сердечник из железа так, как это сделал в своих опытах Фарадей. Железо обладает способностью усиливать магнитное поле, создаваемое катушками, примерно в 10 тысяч раз. Материалы с подобными свойствами относят к категории ферромагнитных с высокой магнитной проницаемостью. Кроме усиления магнитного поля, сердечник из железа локализует магнитный поток в ограниченном объеме, препятствуя его рассеянию в окружающем пространстве. В идеале весь магнитный поток должен проходить только через витки обмоток трансформатора, при этом, магнитное поле индуцирует ЭДС в каждом витке обмотки, а т.к. витки соединены последовательно, то общее напряжение, создаваемое в обмотке, будет зависеть от числа ее витков. Если трансформатор качественный и в нем отсутствуют потери энергии, то электрическая мощность, снимаемая со вторичной обмотки, должна быть равна мощности, подаваемой на первичную обмотку. То есть, в соответствии с законами электротехники, произведение силы тока на напряжение в первичной обмотке (а это и есть мощность) должно быть равно произведению этих параметров во вторичной обмотке. Модифицируя это соотношение по законам математики, можно установить, что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям, а отношение токов связано обратно пропорциональной зависимостью с отношением числа витков в обмотках. Все приведенные соотношения оказываются справедливыми в том случае, когда фазы токов и напряжений совпадают. Если обмотки трансформатора характеризуются высоким значением самоиндукции, то фазовые сдвиги между токами и напряжениями столь малы, что их можно не принимать в расчет.

Электрический трансформатор служит для инженеров-электриков таким же инструментом, как рычаг для механика, с той лишь разницей, что трансформатор преобразует не механическую силу и пространственное перемещение, а электрический ток и напряжение. Соответственно, основной характеристикой трансформатора является не отношение плеч, а отношение числа витков в обмотках. Идеальных трансформаторов, конечно, не существует, но современные качественные трансформаторы немногим уступают идеальным. Непременным атрибутом силового трансформатора является железный сердечник. Обмотки трансформаторов, чаще всего, выполняют из медного провода, ведь медь обладает одним из самых низких значений электрического сопротивления, что обеспечивает минимальные потери мощности.

Сделав свое знаменитое открытие, Фарадей продолжил исследование явления индукции в надежде на то, что другие ученые мира также заинтересуются этим. Но в течение следующих нескольких десятилетий электрические трансформаторы не получили широкого распространения. Среди ученых мира, занимавшихся опытами с индукторами, можно упомянуть также директора Смитсоновского института в США Джозефа Генри, имя которого впоследствии получила единица индуктивности. В ходе этих экспериментов было установлено, что электрические токи, индуцируемые в сплошных железных сердечниках, рассеивали значительное количество энергии. Эти токи получили название «вихревых», а для их минимизации сердечники стали делать не сплошными, а состоящими из отдельных, изолированных друг от друга тонких пластин, собранных в пакет. Тогда, на заре электротехники переменный ток для опытов с индукторами получали от батарей постоянного тока с помощью специальных механических прерывателей.

В 60-е годы 19-го века появились генераторы электрической энергии в виде динамо-машин, работа которых также была основана на открытом Фарадеем явлении электромагнитной индукции. Эти динамо-машины уже могли генерировать переменный ток. Уильям Гроув был первым, кто стал практически использовать трансформатор в цепях переменного тока. С помощью трансформатора он в своей лаборатории получал ток высокого напряжения. Однако, эти работы Гроуба оставались в тени до 1880-х годов, когда Томас Эдисон приступил к работам по созданию устройств для электрического освещения. Среди первых ученых, заинтересовавшихся идеей использования трансформатора, были три инженера из венгерской компании «Ganz and Company». Они пришли к выводу, что последовательное подключение электрических ламп к генератору – это не лучший вариант. Эти инженеры создали в Будапеште несколько трансформаторов, позволивших реализовать параллельное подключение осветительных ламп к источнику тока. Трансформаторы их конструкции оснащались замкнутым железным сердечником, что обеспечивало устройству гораздо более высокие характеристики. Это были устройства двух типов: в одном медный провод наматывали на железный тороидальный сердечник, а в другом, наоборот, железным проводом сердечника обматывали тороид катушек. Первые трансформаторы Стэнли-Вестингауза имели сердечник из листовой стали и обладали заметными потерями на перемагничивание (гистерезис). Этот эффект магнитного «запоминания» в сердечнике существенно снижал КПД трансформаторов. Однако, со временем появились новые марки магнитных сталей, что позволило снизить потери.

С наступлением 1900-х годов ученый-металлург Роберт Хелфилд из Англии приступил к экспериментам по выяснению влияния добавок на магнитные характеристики стали. Через несколько лет он поставил заказчику первую партию специальной трансформаторной стали с добавлением кремния. С началом 30-х годов 20-го столетия был сделан новый существенный шаг в направлении производства стальных сердечников для трансформаторов. В это время американец Норманн Гросс выясняет, что одновременное воздействие нагрева и прокатывания на кремнистые стали способствует существенному улучшению магнитных свойств этого материала. Эта технология позволяла в 5 раз повысить магнитную проницаемость стали, вчетверо сократить потери, связанные с гистерезисом, и на 50% увеличить магнитное насыщение.

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <i> <b> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <sub> <sup> <table> <tr> <th> <td>
  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.
  • Freelinking helps you easily create HTML links. Links take the form of [[indicator:target|Title]]. By default (no indicator): Link to a local node by title
  • При выводе кода вы можете использовать следущие теги: <code>, <blockcode>, <asm>, <asp>, <c>, <cpp>, <delphi>, <java>, <javascript>, <matlab>, <mpasm>, <mysql>, <pascal>, <php>, <python>, <ruby>, <vb>, <z80>. Код будет выведен в отдельном блоке с использованием подсветки синтаксиса.
  • Для вывода математических формул в формате latex используйте [m]формула[/m]

Подробнее о форматировании

CAPTCHA на основе изображений
Enter the characters shown in the image.


Добавить закладку в Google