Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






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.

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.1 (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 демЬнстрировал 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 (рисунок 30) предназначались уже не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения, т.е. имели коэффициент трансформации, отличный от единицы. 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).



 

Рисунок 30. 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. брать ями 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. 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.

 

3.2 Поиски путей передачи электроэнергии на большие расстояния

 

Опыты использования электромагнитного телеграфа привели к мысли о возможности передачи по проводам более значительных количеств энергии. Уже в 40–50-х годах XIX в. в США, Италии и других странах высказываются идеи о создании электрической железной дороги с передачей энергии на расстояние. Однако всеобщую известность получили опыты французского электрика Ипполита Фонтена (1833–1910 гг.).

В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой и начинается история электропередачи. На этой выставке И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Генератор и двигатель соединялись кабелем длиной несколько больше 1 км. Двигатель приводил в действие насос искусственного декоративного водопада. Этим опытом была продемонстрирована реальная возможность передачи электроэнергии на расстояние (пусть вначале это был всего 1 км). Вместе с тем И. Фонтен не был убежден в экономической целесообразности электропередачи, так как при включении соединительного кабеля он получил значительное снижение мощности двигателя, большие потери энергии в кабеле. Вот что писал И. Фонтен два года спустя после опытов в Вене: «Тогда, как и теперь, я не верю в возможность электрической передачи больших мощностей на большие расстояния; электрические железные дороги мне казались и кажутся и теперь решением, применять которое можно посоветовать только в совершенно исключительных случаях».

Как известно, потери в линии зависят от напряжения, удельного сопротивления провода и его сечения. Снижение удельного сопротивления проводов практически неосуществимо, гак как медь, ставшая основным материалом для изготовления проводов, имеет предельно малое удельное электрическое сопротивление. Лишь в настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные работы по снижению сопротивления линий электропередачи с использованием явления сверхпроводимости (криогенные линии электропередачи). Следовательно, имелись только два пути снижения потерь в линии: увеличение сечения проводов или повышение напряжения.

В 70-х годах XIX в. был исследован первый путь, так как увеличение площади поперечного сечения проводников представлялось мероприятием, по-видимому, более естественным и технически легче осуществимым по сравнению с повышением напряжения. В 1874 г. русский военный инженер Федор Аполлонович Пироцкий (1845–1898 гг.) пришел к выводу об экономической целесообразности производства электрической энергии в тех местах, где она может быть получена с малыми затратами благодаря наличию топлива или гидравлической энергии, и передачи ее по линии к более или менее отдаленному месту потребления. В том же году он приступил к опытам передачи энергии на артиллерийском полигоне Волкова поля (около Петербурга), использовав электрическую машину Грамма. Дальность передачи в опытах Ф.А. Пи-роцкого составляла несколько более 200 м, а затем была увеличена примерно до 1 км.

Для уменьшения потерь в линии Ф.А. Пироцкий предлагал использовать в качестве проводников железнодорожные рельсы, площадь поперечного сечения которых более чем в 600 раз превышала площадь поперечного сечения обыкновенного телеграфного провода. Стремясь проверить свои выводы, он в конце 1875 г. провел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей ветки Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км. Оба рельса изолировались от земли, один из них служил прямым, второй – обратным проводом. Электрическая энергия передавалась от небольшого генератора Грамма к электродвигателю, удаленному на расстояние около 1 км.

Необходимо отметить, что Ф.А. Пироцкий был не единственным электротехником, ставшим на путь увеличения площади поперечного сечения проводов. Так, например, В. Сименс, посетив в 1876 г. Ниагарский водопад, сумел правильно оценить энергетические возможности его использования, но утверждал, что для передачи энергии водопада на расстояние 50 км потребуется проводник диаметром 75 мм. Иными словами, как заявил В. Сименс, для изготовления проводов придется использовать целый медный рудник. Подобные выводы являлись наглядным выражением уровня познаний в области электротехники в 70-х годах XIX в.

Несмотря на нерациональность практического направления, избранного Ф.А. Пироцким, его опыты привлекли внимание к вопросам электропередачи вообще и вызвали ряд новых исследований, приведших к выявлению правильного пути для решения этой проблемы. Предложение же Ф.А. Пироцкого об использовании железнодорожных рельсов для передачи электрической энергии на расстояние нашло свое применение уже при разработке первых проектов городских электрических железных дорог.

Другой путь решения проблем передачи электрической энергии, основанный на повышении напряжения, длительное время осмысливался теоретически. Здесь можно упомянуть исследование классической задачи из теории цепей о передаче энергии от источника к нагрузке, выполненное в 1877 г. французским академиком

Э. Маскаром, но не доведенное до ясных практических выводов. Наиболее обстоятельное исследование этого вопроса выполнили в 1880 г. независимо друг от друга французский инженер (впоследствии академик) Марсель Депре (1843–1918 гг.) и профессор физики Петербургского лесного института Дмитрий Александрович Лачинов (1842–1902 гг.). В марте 1880 г. в протоколах Парижской академии наук был опубликован доклад М. Депре «О коэффициенте полезного действия электрических двигателей и об измерении количества энергии в электрической цепи». Автор доклада – крупный специалист в области электротехники. Он вошел в историю как изобретатель нескольких систем амперметра, ваттметра, апериодического гальванометра, принципа смешанного (компаундного) возбуждения электрических машин, электромагнитного молота (двигателя возвратно-поступательного движения) и электрической системы синхронной связи движений.

Эти условия впервые были указаны Д.А. Лачиновым в статье «Электромеханическая работа», опубликованной в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». На основе математических выкладок он показал, что в электропередаче «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условии увеличения скорости вращения генератора (т.е. при повышении напряжения в линии так как ЭДС, развиваемая генератором, пропорциональна частоте его вращения). ДА. Лачинов также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения КПД передачи при увеличении сопротивления в н раз необходимо увеличить частоту вращения генератора в fn раз: «Если, например,– писал Д.А. Лачинов,– увеличим R в 100 раз, то при передаче того же числа лошадиных сил скорость будет десятерная». К подобным же выводам пришел год спустя М. Депре.

В 1882 г. М. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах – Мюнхен протяженностью 57 км. На одном конце опытной линии в г. Мисбахе была установлена паровая машина, приводившая в действие генератор постоянного тока мощностью 3 л.с., дававший ток напряжением 1,5–2 кВ. Энергия передавалась по стальным телеграфным проводам диаметром 4,5 мм на территорию выставки в г. Мюнхене, где была установлена такая же машина, работавшая в режиме электродвигателя и приводившая в действие насос для искусственного водопада. Хотя этот первый опыт и не дал достаточно благоприятных технических результатов (КПД передачи не превысил 25 %), его значение нельзя недооценивать: электропередача Мисбах–Мюнхен являлась отправным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи электроэнергии на расстояние.

Обратим внимание на любопытный факт. Теория телеграфных линий была разработана достаточно хорошо, и было известно, что наибольший эффект в работе приемного устройства достигается тогда, когда его сопротивление равно внутреннему сопротивлению источника энергии вместе с сопротивлением соединительных проводов (согласованный режим). Но при этом теоретический КПД всей установки составляет 50 %.

Но то, что целесообразно для «слаботочной» техники, становится нецелесообразным для «сильноточной», энергетической техники. В последнем случае важен экономический эффект, и КПД следует всемерно повышать в ущерб количеству передаваемой энергии. Это обстоятельство длительное время оказывалось труднодоступным для понимания, и многие даже крупные специалисты (в том числе И. Фонтен, позднее Г. Ферарис и др.) теряли перспективу в научно-технических поисках и порой прекращали работу лишь потому, что не могли освободиться от привычных рамок теории слаботочных цепей.

В 1885 г. были проведены новые опыты на расстоянии 56 км между г. Крейлем и Парижем. В качестве генераторов постоянного тока высокого напряжения использовались специально построенные машины, дававшие напряжение до 6 кВ. Масса такой машины была около 70 т, мощность около 50 л.с., КПД передачи около 45 %.

В эти же годы были осуществлены единичные передачи электроэнергии на расстояние для промышленного использования с КПД до 75 %.

Тем не менее попытки решить проблему электропередачи на постоянном токе, осуществленные в 80-х годах, не принесли желаемых результатов. При этом важно подчеркнуть возникшее противоречие. С одной стороны, практика проектирования и производства электрических машин и аппаратов постоянного тока получила уже значительное развитие, двигатели постоянного тока обладали хорошими рабочими характеристиками, отвечавшими большинству требований промышленности. Поэтому не было серьезных препятствий к тому, чтобы приступить к широкой электрификации станочного парка промышленности. Но, с другой стороны, широкая электрификация промышленности могла быть осуществлена в больших масштабах только при централизованном производстве электроэнергии, а следовательно, только при обеспечении ее передачи на значительные расстояния.

Однако для передачи энергии требовалось получить высокие напряжения, а технические возможности того времени не позволяли строить генераторы постоянного тока высокого напряжения; примером этого могут служить машины М. Депре, которые часто выходили из строя из-за порчи изоляции. Вообще говоря, в любом случае возможности передачи энергии при высоком напряжении генератора ограничены сравнительно низкими пределами. Кроме того, электроэнергию постоянного высокого напряжения нелегко было использовать потребителям: нужно было строить двигатель-генераторную установку для преобразования высокого напряжения в низкое.

Еще один путь использования постоянного тока для электропередачи был намечен в основополагающей работе Д.А. Лачинова. Он предлагал для повышения напряжения соединить последовательно по несколько машин на каждом конце линии. В этом случае каждая в отдельности машина могла быть рассчитана на более низкое напряжение, а следовательно, могла быть более надежной. И. Фонтен первым реализовал практически эту идею, осуществив в 1886 г. передачу, в которой со стороны генератора работали четыре последовательно соединенные машины (по 1500 В), т.е. получил те же 6 кВ, что и у М. Депре, а со стороны приемника – три двигателя суммарной мощностью около 50 л.с. Двигатели могли использоваться непосредственно для привода исполнительных механизмов, могли вращать валы генераторов низкого напряжения, пригодных для целей освещения; КПД этой установки достигал 52 %. Позднее эта идея о последовательном включении генераторов была развита в других электропередачах.

Трудности, связанные с электропередачей на постоянном токе, направили мысли ученых на разработку теории и техники переменного тока.

Когда основные элементы техники переменного тока (генераторы, трансформаторы) были разработаны, начались попытки осуществить промышленную передачу энергии на переменном токе. В 1883 г. Л. Голяр осуществил передачу мощности 20 л.с. на расстояние 23 км для питания осветительных установок Лондонского метрополитена. Трансформаторы повышали напряжение до 1500 В. На Туринской выставке в следующем году Л. Голяр осуществил передачу мощности примерно 40 л.с. на 40 км. При напряжении 2000 В.

Однако во второй половине 80-х годов XIX в. уже возникла и очень беспокоила инженеров и ученых задача включения двигательной нагрузки в электрическую сеть. Таким образом, и при передаче электроэнергии в однофазных цепях переменного тока возникло противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче постоянным током. Напряжение однофазных цепей переменного тока можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов практически в любых желаемых пределах. Следовательно, для передачи электроэнергии затруднений не было. Но однофазные двигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для практики характеристики. В частности, они либо вообще не имели пускового момента (синхронные двигатели), либо пускались с очень большим трудом из-за тяжелых условий коммутации тока (коллекторные двигатели). Поэтому сфера применения однофазных цепей переменного тока должна была ограничиваться почти исключительно электрическим освещением, что, конечно, не могло удовлетворить требования промышленности.

 


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2019 год. (0.009 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал