Трансформация трансформатора

Трансформаторы дают свет Начало истории «трансформации» положило сделанное в 1831 году Майклом Фарадеем открытие: не только электрический ток может порождать магнитное поле, но и магнитное поле, созданное током, в свою очередь, порождает ток. Это явление получило название электромагнитной индукции, а прибор, в котором она возникала, – катушки индуктивности. На железный сердечник наматывались два медных провода, первая обмотка подключалась к источнику переменного тока (у Фарадея был постоянный ток с прерывателем), а вторая выдавала индуцированный ток. По своей сути это уже был трансформатор, но на то, чтобы научиться его применять для распределения и преобразования энергии, потребовалось ещё 50 лет. Первоначально катушка индуктивности существовала отдельно от сети. Одна из наиболее известных конструкций – катушка Генриха Румкорфа – позволяла получать на второй обмотке импульсный ток высокого напряжения. Изобретение использовалось для дистанционного взрывания мин и в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Всего с момента открытия Фарадея было запатентовано несколько десятков модификаций катушек. Существенным новшеством на этом этапе стала замена сплошного сердечника катушки на наборный: магнитопровод из изолированных проводов или пластин позволял снизить потери на вихревые токи. Толчок к применению катушки индуктивности в системе электроснабжения дала набиравшая темпы урбанизация: растущие города требовали промышленных систем освещения. Обеспечить автономную работу электрических приёмников можно было либо заполнив города тысячей генераторов, либо проведя километры отдельных линий. Встал вопрос о распределении электроэнергии, на его решение были брошены силы учёных нескольких стран, изобретатели с разных концов мира ревниво следили за успехами коллег. В 1876 году был запатентован первый прибор, позволявший передавать энергию от одного источника питания к нескольким устройствам. Его создателем стал русский изобретатель Павел Яблочков, чья электрическая свеча к тому времени уже получила всемирную славу. День выдачи патента на устройство «дробления электрической энергии», 30 ноября 1876 года, можно считать днём рождения трансформатора. Прибор Яблочкова включал несколько катушек индуктивности, первичные обмотки которых последовательно подключались в сеть переменного тока, а вторичные обеспечивали независимо друг от друга подачу тока к произвольному количеству электрических свечей с разным напряжением. В целом схема впервые воспроизводила строение электросети в её современном виде: двигатель – генератор – ЛЭП – трансформатор – потребитель. Возможности изобретения Яблочкова были продемонстрированы в 1882 году на Московской промышленной выставке. К прибору были одновременно подключены не только свечи, но и нагревательная спираль, дуговая лампа и электродвигатель. Этот опыт доказал универсальность переменного тока. В это самое время в Нью-Йорке задание создать городскую систему освещения получил известный поборник постоянного тока Томас Эдисон. Под его руководством к 1882 году была разработана схема параллельного подключения ламп к единому генератору постоянного тока. Основным новшеством в этом решении были сами лампы: снабжённые угольной нитью лампы накаливания за счёт высокого сопротивления не требовали увеличения диаметра проводов. Эдисон оказался первым, кому удалось создать промышленную осветительную систему. Как известно, энергосистема Нью-Йорка продолжала функционировать на постоянном токе вплоть до 2007 года. Практическое применение трансформатора в качестве преобразователя электроэнергии впервые состоялось в 1883 году в Англии. Изобретатели Люсьен Голяр и Джон Гиббс для освещения Лондонского метрополитена использовали прибор, позволявший повысить напряжение в сети до 1,5 кВ. Так же, как устройство Яблочкова, преобразователь Голяра и Гиббса был подключён к переменному току и состоял из последовательно соединенных катушек с незамкнутым магнитопроводом (то есть сердечник имел открытые внешние сечения, впоследствии эта конструкция была признана неудачной). Отличие изобретения Голяра и Гиббса заключалось в том, что вторичные обмотки имели секционное строение, а регулирование напряжения в них осуществлялось за счёт выдвижных сердечников. Выбор незамкнутого сердечника был оправдан при последовательной схеме соединения катушек. Но вскоре выяснилось, что потери энергии ниже, а КПД, соответственно, выше при использовании замкнутого магнитопровода. Это особенно было справедливо для сетей высокого напряжения, потребность в которых росла с увеличением дальности передачи электроэнергии и ростом нагрузки. Этот факт заставил электротехников сосредоточиться на разработке приборов с параллельным подключением и замкнутыми сердечниками. Все современные трансформаторы имеют такую конструкцию. А первый подобный прибор был запатентован венгерскими изобретателями Максом Дери, Отто Блажи и Карлом Циперовским. Им же принадлежит авторство термина «трансформатор» – именно так коллеги назвали своё устройство в заявке на патент. В 1885 году Дери, Блажи и Циперовский представили систему освещения Будапешта, запитанную от единого источника напряжением 1,35 кВ. К ней было подключено более тысячи ламп Эдисона с помощью 75 параллельно подключённых тороидальных однофазных трансформаторов. Эта схема стала прообразом применяющихся в настоящее время систем освещения. Венгерские инженеры разработали тороидальную, броневую и стержневую модели, таким образом создав все известные на сегодняшний день базовые конструкции трансформатора. Совершенствование трансформатора шло и в направлении повышения надёжности. В Швеции был спроектирован первый трансформатор с масляным охлаждением: катушки погружались в керамическую ёмкость с маслом, что повышало надёжность изоляции обмоток. Это изобретение позволило использовать однофазные трансформаторы при повышенном напряжении и способствовало их широкому применению в системах освещения. Однофазная сеть подходила для систем освещения, но не могла удовлетворить растущие потребности в электричестве промышленных предприятий. Главным недостатком однофазного двигателя было отсутствие пускового момента, из-за чего он не мог использоваться в качестве электропривода. К началу 90-х годов XIX века было предложено несколько многофазных схем, наиболее дешёвой и перспективной из которых признали трёхфазную. В 1889 году польско-русский инженер Михаил Доливо-Добровольский из немецкой AEG запатентовал трёхфазный электродвигатель, однако передача электроэнергии с него поначалу осуществлялась по трём однофазным трансформаторам, что значительно удорожало систему. В итоге в том же 1889 году Доливо-Добровольский запатентовал ещё одно изобретение – трёхфазный трансформатор. В 1891 году схема Доливо-Добровольского была испытана на Международной технической выставке во Франкфурте-на-Майне. Это событие вошло в историю как начало современной электрификации. Испытания заключались в передаче электроэнергии от гидростанции в немецком местечке Лауфен в павильон франкфуртской выставки для обеспечения работы тысячи ламп и одного искусственного водопада. Электроэнергия передавалась на 170 км по трёхпроводной сети, дважды трансформируясь: до 15 кВ при выходе с ГЭС и до 65 В при подаче на приёмники. КПД сети составил 75%. Многие посетители выставки были так поражены передачей электроэнергии на столь огромное по тем временам расстояние, что поговаривали, будто сама вода передаётся в декоративный водопад из естественного водопада близ Лауфена по специальным трубам. Трёхфазная система доказала, что переменный ток позволяет успешно решать проблему передачи электроэнергии на дальние расстояния. С этого момента можно было считать, что постоянный ток во главе с главным своим идеологом Эдисоном «войну» проиграл. Дальнейшая трансформация трансформаторов шла по пути увеличения КПД и надёжности и сокращения габаритов. Значительным событием стало возникшее на рубеже веков предложение англичанина Роберта Хедфилда добавлять в сталь сердечников трансформаторов кремний, за счёт чего снижались потери преобразователей. Спустя 30 лет американский металлург Норман Гросс открыл, что при комбинированной с нагреванием прокатке кремнистой стали магнитная проницаемость сердечников в направлении прокатки возрастает в разы, а потери уменьшаются. Позднее использование холоднопрокатной стали дало возможность существенно уменьшить габариты и удельную мощность трансформаторов. Сейчас одно из перспективных направлений – применение в качестве магнитопроводов аморфных сплавов. Если конструкция и состав магнитопровода не раз подвергались изменениям, то обмотка катушек длительное время оставалась исключительно медной за счёт высокой электропроводности материала. Ограничение природных запасов заставило искать альтернативы, одной из которых стал алюминий (для трансформаторов мощностью менее 16 тысяч кВА), а на современном этапе – сверхпроводники. Перед современными инженерами также стоит задача повышения устойчивости силовых трансформаторов к динамическим изменениям в сети, что особенно актуально на фоне развития ВИЭ и распределённой генерации, чья работа менее предсказуема, чем у крупных электростанций. Это путь совершенствования автоматики и информационных систем. Трансформация трансформатора переходит на новый виток эволюции – от трансформатора умелого к трансформатору разумному.