Содержание
Сегодня попросту нельзя представить себе работу любого оборудования, потребляющего электроэнергию без трансформатора. Главная его задача состоит в том, что он способствует преобразованию переменного тока в другое напряжение. Именно благодаря трансформатору осуществляется стабильная подача тока, если в электросети возникают его скачки. Кто изобрел непосредственно трансформатор, и кто считается первым создателем обозначенного устройства, и что послужило основанием для его изобретения, следует рассмотреть более подробно.
Предпосылки к созданию изобретения
Предпосылками создания трансформатора считается изучение действия электромагнитной индукции, которую в 1831 году придумал Фарадей. На основании этого, французский механик Генрих Даниель Румкорф в 1848 году начал работу над созданием индукционной катушки. Предпосылкой стало необходимость преобразования постоянного тока в переменный. Г.Д. Румкорф один из первых, кто обратил внимание, что благодаря изобретению Фарадея можно создавать токи с достаточно высоким напряжением.
Конструкция и принцип действия первого трансформатора
Изначально хочется отметить, что идея преобразования постоянного тока была начата в 1848 году, но изобретатель Румкорф только спустя несколько лет смог представить своим коллегам работающую модель. Главная сложность в процессе работы заключалась в намотке тончайшей проволоки непосредственно для вторичную обмотку. Кроме этого, ему пришлось произвести изолирование тонкой, как волос проволоки, а потом ее намотать на катушку. Конструкция первого трансформатора, а вернее индукционной катушки была простейшей. Состояла она из:
- Сердечника, который представлял собой стержень, изготовленный из нарезанных кусков стальной проволоки.
- На сердечник наматывалось небольшое количество витков из толстой проволоки предварительно обмотанной изолирующим материалом. Это была первичная обмотка.
- На вторичной обмотке была применена тончайшая проволока, которая изначально изолировалась. В данном случае количество витков могло быть от 16 000 до 1 000 000.
Что касается принципа действия, то оно заключалось в том, Генрих Румкорф применил специальный прерыватель, который способствовал включению последовательности работы катушки. При использовании обозначенного переключателя происходило переменное замыкание, которое увеличивало напряжение во вторичной обмотке. Величина зависела от количества витков непосредственно на вторичной обмотке. То есть, например, если на первичной обмотке было 28 витков, то на вторичной их было в 20 раз больше.
Соответственно напряжение увеличивалось в 2 и больше раза. Для того чтобы происходило необходимое прерывание, использовалась специальная пружинная пластина, которая в последствии размыкала цепь постоянного тока. Но для этого требовалось наличие магнитного поля. С этой целью был применен сердечник изготовленный из материала, который удерживал магнитное поле.
Подключалась индукционная катушка к батарее элементов, благодаря специальному переключателю, ток батареи проходя по первичной обмотке катушки намагничивает сердечник. Далее процесс заключался в том, что:
- Намагнитившийся сердечник притягивал к себе переключатель, тем самым разрывая цепь первичной обмотки.
- Притянутый переключатель способствовал размагничиванию сердечника, который в последующем возвращался в исходное положение.
Благодаря происходящему в процессе замыкания получался прерывистый ток. Кроме этого, в результате изменения магнитного поля в первичной обмотке, пересекая витки вторичной обмотки индуктирует в ней электродвижущую силу (ЭДС).
Важно! Патент на трансформатор был вручен непосредственно П.Н. Яблочкову 30 ноября 1876 года. Именно эта дата считается днем рождения трансформатора.
Как развивались технологии дальше
Открытие французского механика относительно устройства переменного тока получило широкое применение только в 70-х года ХХ века. Все дело в том, что он только изобрел первый трансформатор, хотя изобретение требовало совершенствование. На основании созданного прототипа другие ученые занимались его дальнейшей разработкой. В 1876 году П.Н. Яблочков представил усовершенствованную модель трансформатора. Хотя нужно сказать, что были внесены немного изменений и дополнений. К примеру:
- В качестве сердечника ученый использовал специальный стержень, на который непосредственно осуществлялась намотка обмотки.
- Вместо, ранее используемой пружинной пластины за основу он взял индукционную катушку.
Благодаря внесенным изменениям работа первичной обмотки осуществлялась согласно обусловленной последовательности, тем самым предоставляя напряжение, которое требовалось для работы электроприборов.
Но следует сказать, что совершенствование первого трансформатора осуществлялось и другими учеными. Непременно необходимо упомянуть, что Яблочков сделал преобразующее ток устройство с разомкнутыми сердечниками, что в свою очередь предусматривало большие затраты электроэнергии. Спустя некоторое время братья Гопкинсоны в 1882 году сделали трансформатор с замкнутыми сердечниками и это послужило стартом для экономии потребления электричества в будущем.
Сутью совершенствования стало то, что они поставили на сердцевину катушки, имеющие высокое и низкое напряжение. А вот сам стержень состоял из проволоки и стальных полосок, которые разделялись между собой материалом с изоляционными характеристиками.
В дальнейшем работы по усовершенствованию трансформаторов продолжались. Основанием этого являлось уменьшение потребления электроэнергии, поскольку предыдущие устройства ее расходовали достаточно много. Немаловажным открытием считается изобретение трехфазного трансформатора русским инженером Доливо-Добровольским в 1890 году. На основании произведенных ним расчетов он доказал, что благодаря трехфазному трансформатору можно экономить потребляемую электроэнергию.
Современная история развития кратко
Сегодня в быту и в производстве применяется огромное количество оборудования, которое работает благодаря электроэнергии. Чтобы снизить ее расходование используются современные технологии, а также осуществляется:
- сокращение расхода изоляционных материалов;
- использование специального трансформаторного масла;
- применяется другой металл и масса обмоток.
Следует сказать, что современные трансформаторы имеют непосредственно замкнутый сердечник, а их первичные обмотки включаются только параллельно. Сегодня оборудование также продолжают совершенствовать, но только сердечники. То есть цель состоит в том, чтобы создать материал, который поможет снизить потери энергии, а также увеличить эффективность преобразовательного устройства.
Преимущества современных трансформаторов
В современном мире все со временем только совершенствуется. Хотя за основу берутся открытия, которые имеют многовековую историю. Это же касается и современных трансформаторов. Чтобы понять, в чем состоят главные преимущества обозначенного устройства, следует отметить несколько значимых фактов:
- Первые трансформаторы были достаточно увесистые, а сейчас они могут весить меньше 100 граммов.
- Раньше обозначенные устройства имели значительные габариты. Современные трансформаторы некоторых типов могут свободно поместиться в ладошке.
- Изначально происходила большая потеря электроэнергии, сейчас же можно ее экономить.
- На текущее время преобразовательное устройство тока может использоваться в различных бытовых и промышленных оборудованиях.
- Совершенствование технологий позволяет экономить на материалах для изготовления трансформаторов.
- Долговечность современных устройств.
- В силу увеличения потребляемой энергии из-за развития разного рода производства можно сделать преобразовательные устройства различных размеров, даже самых огромных
Одним из немаловажных показателей считается то, что современные трансформаторы отличаются от своих предшественников малым количеством выбросов парниковых газов.
В завершение непременно нужно сказать, что благодаря изобретению трансформатора можно быть уверенным, что оборудование, которое потребляет электроэнергию, будет работать, согласно требуемого ему напряжению. Все дело в том, что подаваемое исходное напряжение превышает, то, которое требуется разным электроприборам.
С помощью преобразования тока исключается риск порчи приобретенного оборудования из-за замыкания и не допускает его возгорания.
Понятие трансформатора, его классификация и принцип работы. История изобретения индукционной катушки Н. Калланом. Создание первого трансформатора с замкнутым сердечником Э. Гопкинсоном. Процесс создания электрического трансформатора и его устройство.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.05.2016 |
| Размер файла | 492,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1. История изобретения трансформатора
2. Основные определения, принцип действия и классификация трансформаторов
1. История изобретения трансформатора
Восьмидесятые годы прошлого столетия вошли в историю техники под названием периода "трансформаторных битв". Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачей её на большие расстояния.
Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.
В 1836 году ирландский физик Николас Каллан изобрел индукционную катушку. В 1838 году это изобретение повторил американский изобретатель
Чарльз Пейдж, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф, именем которого впоследствии стали называть индукционную катушку.
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 так подчеркивал важность нового предложения. Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки.
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. И основным направлением развития электроэнергетики становилась система переменного тока.
Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым седечником для распределения электроэнергии явилась "система распределения электричества для производства света и двигательной силы", запатентованная во Франции в 1882 году Голяром и Гиббсом. Трансформаторы Голяра и Гиббса предназначались уже для преобразования напряжения, то есть имели коэффициент трансформации отличный от единицы. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 году устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а 1884 году — в Турине (Италия).
Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Сердечник этого трансформатора набран был из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжения. Впервые предложения о параллельном включении трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 году, но более всесторонне этот способ соединения был обоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885 году 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.
Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 году венгерскими электротехниками М. Дерри, О. Блатии, К. Циперновским, впервые предложившими и сам термин трансформатор. Венгерские инженеры нашли оптимальное соотношение между расходом меди и стали в трансформаторах. Русский инженер Доливо-Добровольский выступил с предложением применять для целей передачи и эксплуатации электроэнергии разработанную им систему трехфазного тока. Доливо-Добровольский показал, что в отношении передачи электроэнергии система трехфазного тока, по сравнению с системой двухфазного тока, является более экономичной, но решающее преимущество трехфазной системы он видел "в превосходных качествах" разработанных им трехфазных асинхронных двигателей.
В этом направлении он провел огромную творческую работу: доказал, что при помощи трехфазного тока можно создать в машине такое же вращающееся магнитное поле, как и при помощи двухфазного тока, разработал основные модификации трехфазного асинхронного двигателя. Параллельно с этим Доливо-Добровольский разработал конструкцию трехфазного трансформатора сначала, в 1890 г., с расположением сердечников по кругу и кольцевыми ярмами, а затем с обычным в настоящее время расположением стержней в одной плоскости. Атак как, кроме этого, Доливо-Добровольский много работал в области теории, расчета и конструирования электрических машин, то можно сказать, что он разработал собственно все элементы трехфазной системы. Предложенная Доливо-Добровольским система трехфазного тока вызвала живейший интерес и привлекла к себе повсеместное внимание. Несмотря на ряд возражений, ее технические достоинства были настолько велики и очевидны, что уже в ближайшее время она заняла ведущее место в ряду других систем.
2. Основные определения, принцип действия и классификация трансформаторов
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока. В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться любыми параметрами: величиной напряжения и тока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют величину переменного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными. Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода (рис.1).
Одна из обмоток присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение U), этуобмоткуназывают первичной. К другой обмоткеподключен потребитель ZH , ее называют вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1 , который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них ЭДС:
Где ю1 и ю2 —число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
При подключении нагрузки ZH к выводам вторичной обмотки транс-форматора под действием ЭДС е1 в цепи этой обмотки создается ток I2 , а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2 .
В повышающих трансформаторах U2 > U1 , а в понижающих U2
3.2. ИЗОБРЕТЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА
Восьмидесятые годы XIX в. вошли в историю электротехники под названием периода «трансформаторных битв». Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками систем постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния.
Первым простейшим трансформатором с разомкнутым магнитопроводом была индукционная катушка. Ее изобретение в 30–40-х годах XIX в. связано с именами ряда ученых и изобретателей, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803–1877 гг.), создавший в 1848 г. более совершенную конструкцию, и его именем впоследствии стали называть индукционную катушку. Такие катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Впервые катушку Г. Румкорфа применил для дистанционного взрывания мин Б.С. Якоби. В последней трети XIX в. индукционные катушки получили широкое применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Роль индукционной катушки, превратившейся в аппарат, названный позднее трансформатором, как средства электрического разделения цепей переменного тока, отчетливо осознал П.Н. Яблочков [1.6; 2.15; 3.1].
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» Яблочкова широко демонстрировалась два раза: на Парижской Международной электротехнической выставке в 1881 г. и на Второй Петербургской электротехнической выставке в 1882 г.[3] (где всю систему смонтировал и экспонировал препаратор Московского университета Иван Филиппович Усагин (1855–1919 гг.). 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. На этой же выставке И.Ф. Усагин впервые демонстрировал схему включения во вторичные обмотки индукционных катушек кроме свечей и других приемников: электродвигателя, проволочной нагревательной спирали, дуговой лампы с регулятором. Все эти приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу. Этим экспериментом И.Ф. Усагин убедительно доказал универсальность применения переменного тока.
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 110 В. Радиус электроснабжения не превышал несколько сотен метров. Попытки расширить границы района электроснабжения привели к рождению так называемой трехпроводной системы постоянного тока. 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 так называемой двигательной силы, запатентованная во Франции в 1882 г. английским электротехником Дж.Д. Голяром (1850–1888 гг.) и французским электротехником Люстеном Гиббсом (умер в 1912 г.). Эти трансформаторы 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. 3.5. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки катушек были секционированы, и каждая секция имела 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. — на выставке в Турине (Италия).
Рис. 3.5. Трансформатор Голяра и Гиббса
Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитный сердечник, их первичные обмотки включаются параллельно. Но для схемы «дробления» энергии, предложенной П.Н. 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 неоправданным. Поэтому понятно стремление сконструировать трансформаторы с замкнутой магнитной системой, которые обладают значительно лучшими характеристиками (меньший намагничивающий ток, а следовательно, меньшие потери и больший КПД).
Первые трансформаторы с замкнутым сердечником были созданы в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдвардом Гопкинсонами. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжений.
Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но всесторонне этот способ соединения обосновал венгерский электротехник Миклош Дери (1854–1934 гг.), 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.
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) разработали в 1884–1885 гг. венгерские электротехники Миклош Дери, Отто Блати (1860–1938 гг.) и Карой Циперновский (1853–1942 гг.), впервые предложившие и сам термин «трансформатор». В патентной заявке (февраль 1885 г.) они отмечали важное значение замкнутого шихтованного сердечника, в особенности для мощных силовых трансформаторов. На рис. 3.6 изображены первые образцы кольцевого и броневого трансформаторов, а также общий вид серийного трансформатора системы Блати, Дери и Циперновского, выпускавшегося электромашиностроительным заводом фирмы «Ганц и К?» в Будапеште. Эти трансформаторы содержали все основные элементы современных конструкций однофазных трансформаторов.
Рис. 3.6. Первые трансформаторы будапештского завода фирмы «Ганц и К?»
а — кольцевой; б — броневой; в — серийный стержневой
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 г. Одессе.
На территории завода «Ганц и К?», где 100 с небольшим лет назад создавали первый трансформатор, в наши дни 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 американский электрик Уильям Стенли. В конце 80-х годов английский электрик Д. Свинберн предложил масляное охлаждение трансформаторов.
