ГЛАВА 7 Трансформатор – важнейший элемент электротехнического оборудования

ГЛАВА 7 Трансформатор – важнейший элемент электротехнического оборудования

Введение

Трансформатор уже более 130 лет является важнейшим элементом современных систем электроснабжения. Генерируемая на электростанциях электроэнергия подвергается многократной трансформации для распределения энергии между потребителями. Поэтому количество трансформаторов и их суммарная мощность в 7-8 раз превышает число и мощность генераторов. На каждый киловатт генераторной мощности приходится 7-8 кВ · А трансформаторной мощности.

На подстанциях 35-750 кВ энергосистем России работает более 2500 силовых трансформаторов и автотрансформаторов общей мощностью около 600 тыс. МВ· А, что почти втрое больше установленной мощности электростанций.

Как уже отмечалось (см. гл. 5), прообразом первого трансформатора с замкнутым магнитопроводом явилась схема М. Фарадея (1831 г.)

Индукционная катушка – простейший трансформатор с разомкнутым магнитопроводом

В 30-40 гг. XIX в. было создано несколько типов индукционных катушек, представляющих собой изолированный железный цилиндр или изолированный пучок железных проволок, на которые наматывали две спирали – одну из толстой проволоки, другую из тонкой, изолированных друг от друга. Катушки предназначались для получения искрового разряда во вторичной обмотке при прерывании с помощью прерывателя тока в первичной, включенной в цепь батарей.

В создании индукционных катушек принимало участие много ученых и инженеров, например в Англии за 22 года было выдано 19 патентов на изобретения. Среди многих изобретателей наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803-1877), создавший в 1848 г. более совершенную катушку, которая долго время называлась «индукционной катушкой Румкорфа».

Впервые на практике катушку Румкорфа применил Б.С. Якоби для дистанционного взрывания электрических мин. Позднее катушки получили широкое применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

В 1876 г. П.Н. Яблочков впервые включил индукционные катушки в цепь переменного тока в созданной им «системе дробления электрической энергии» для питания дуговых ламп. Дело в том, что при последовательном соединении нескольких дуговых свечей выход из строя одной вызывал погасание всех других. Яблочков предложил включать свечи во вторичные обмотки индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно (рис. 7.1). Поэтому режим работы свечей не зависел друг от друга (напомним, что это могло быть только в случае разомкнутого магнитопровода катушек). Как уже отмечалось, в схеме Яблочкова индукционная катушка впервые работала в режиме трансформатора. В системе Яблочкова впервые получила оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель – генератор – линия передачи – трансформатор – приемник.

Рис. 7.1. Схема распределения энергии с помощью индукционных катушек (трансформаторов) П.Н. Яблочкова:

1 – прерыватель; 2 – индукционная катушка; 3 – электросвечи

На Второй петербургской электротехнической выставке в 1882 г. всю систему «дробления энергии» смонтировал и демонстрировал препаратор Московского университета И.Ф. Усагин, катушки (или «бобины», как их называли, имели одинаковое число витков в обеих обмотках). И.Ф. Усагин наглядно доказал универсальность применения переменного тока, впервые изготовив собственную установку (рис. 7.2), включив во вторичные обмотки катушек кроме свечей и другие приемники: электродвигатель, нагревательную проволочную спираль, дуговую лампу с регулятором. Усагин продемонстрировал возможность отключения любого приемника, не нарушая работы других, что «произвело на зрителей большое впечатление» и вызвало аплодисменты. За свое изобретение И.Ф. Усагин был награжден почетной медалью.

Рис. 7.2. Система «дробления» энергии И.Ф. Усагина

Рис. 7.3. Трансформатор Голяра и Гиббса:

1 – индукционная катушка; 2 – выдвижные сердечники

В последующие годы усилиями ученых и инженеров разных стран конструкция трансформатора с разомкнутым магнито- проводом получила дальнейшее усовершенствование. В 1882 г. была запатентована во Франции система «распределения света и двигательной силы», предложенная английским электротехником Дж. Д. Голяром (1850-1888) и французским электротехником Люстеном Гиббсом (умер в 1912 г.). Отличительной особенностью этих трансформаторов (рис. 7.3) была возможность преобразования напряжения на вторичной обмотке (т.е. коэффициент трансформации уже отличался от единицы). Изобретатели назвали свой трансформатор «вторичным генератором»: на деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых включались последовательно, а вторичные были секционированы, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Изобретатели впервые сделали сердечники катушек выдвижными 2, с помощью рукоятки могло регулироваться напряжение на вторичных обмотках. Такие трансформаторы были установлены в 1883 г. на четырех подстанциях Лондонского метрополитена, а в 1884 г. на выставке в Турине (Италия), где линия передачи составляла 40 км при напряжении 2000 В.

Создание трансформаторов с замкнутым магнитопроводом

Как известно, современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод, а их первичные обмотки включаются в сеть параллельно. В системе Яблочкова магнитопровод трансформатора был разомкнутым, и поэтому при последовательном включении первичных обмоток включение и выключение свечей во вторичных обмотках не оказывало существенного влияния на работу приемников. Но по мере эксплуатации трансформаторов было установлено, что замкнутый магнитопровод уменьшает потери энергии и повышает КПД.

Первые трансформаторы с замкнутым магнитопроводом были созданы английскими инженерами братьями Джоном и Эдвардом Гопкинсонами в 1884 г. Магнитопровод 1 был набран из стальных полос, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. Первичные 2 и вторичные 3 катушки (соответственно высшего и низшего напряжений) размещались на магнитопроводе, чередуясь между собой, что уменьшало магнитное рассеяние (рис. 7.4).

К середине 80-х гг. XIX в. в связи с бурным развитием промышленности, торговли и транспорта все более остро возникает потребность в решении проблемы экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Исследования ученых и инженеров показали, что наиболее эффективный путь – в использовании переменного тока высокого напряжения.

Рис. 7.4. Трансформатор братьев Гопкинсонов

Рис. 7.5. Первые трансформаторы Будапештского завода фирмы «Ганц и К°»: а – кольцевой; б – броневой; в – серийный стержневой

Выдающийся вклад в создание однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой и более высокими эксплуатационными характеристиками был сделан в 1884-1885 гг. талантливыми венгерскими инженерами Миклошем Дери (1854-1934), Отто Блати (1860-1938) и Кароем Циперновским (1853 – 1942), работавшими на электромашиностроительном заводе фирмы «Ганц и К°» в Будапеште. Ими было предложено три модификации трансформатора: кольцевой, броневой и серийный стержневой (рис. 7.5), содержавшие все основные элементы современных конструкций трансформаторов. Важно, что изобретатели в патентной заявке (1885 г.) отметили большое значение замкнутого шихтованного магнитопровода, особенно для мощных трансформаторов. Ими впервые был предложен сам термин «трансформатор». Кольцевой трансформатор представлял собой кольцеобразный сердечник, состоящий из согнутых в кольцо изолированных железных проволок. Это кольцо было обмотано изолированной медной проволокой, образующей первичную и вторичную обмотки.

Второй – броневой трансформатор: у него внутри были уложены две кольцеобразные медные обмотки из изолированной медной проволоки, а на них намотана железная проволока. Такой трансформатор отличался меньшими потерями в железе и применялся для изготовления измерительных трансформаторов.

В стержневом трансформаторе сердечник состоял из отдельных листков стали, изолированных друг от друга лаком или олифой. На вертикальных стержнях размещались на одном – первичная, на другом – вторичная обмотки. Фирма «Ганц и К°» до конца 1887 г. построила 24 установки с однофазными трансформаторами Дери, Блати и Циперновского на общую мощность около 3000 кВт. На территории завода «Ганц и К°» был построен музей, где подробно отражена история создания первых трансформаторов с замкнутым магнитопроводом.

Создание трехсразного трансформатора – один из важнейших этапов в становлении современной системы электроснабжения

Как и следовало ожидать, первые системы электроснабжения переменным током рождались в жесткой конкурентной борьбе многочисленных электротехнических фирм. Достаточно напомнить, что непримиримым борцом против переменного тока в 80-х гг. выступил уже известный во всем мире Эдисон. В связи с этим была опубликована интересная статья нашего знаменитого физика А.Г. Столетова в журнале «Электричество» в 1889 г. «Невольно вспоминается, – писал Столетов, – та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве, по поводу недавнего проекта фирмы «Ганц и К°» осветить часть Москвы. И в ученых докладах и в газетных статьях система обличалась, как нечто еретическое, ненациональное и безусловно гибельное; доказывалось, что трансформаторы начисто запрещены во всех порядочных государствах Запада и терпятся ради какой-нибудь Италии, падкой на дешевизну. Защитники «национальности в электричестве» забывали, что первую идею о трансформации тока в технике сами иностранцы приписывают Яблочкову… что на Всероссийской выставке 1882 г. в Москве ранее Годдарда, Гиббса и др., весьма определенно демонстрировал г. Усагин, за что награжден медалью».

После убедительной демонстрации трехфазных систем использование трансформаторов вначале предполагало установку в линии передачи трех однофазных трансформаторов. Но такое решение было экономически не выгодным, и, естественно, вызвало необходимость создания одного аппарата вместо трех – т.е. трехфазного трансформатора.

Рис. 7.6. Трехфазный трансформатор Доливо-Добровольского с радиальным расположением магнитопроводов

Такой трансформатор впервые был изобретен в 1889 г. М.О. Доливо-Добровольским. Интересна инженерная логика создания трехфазного трансформатора, которую продемонстрировал изобретатель. Доливо-Добровольский впервые обратил внимание на то, что заторможенный асинхронный двигатель представляет собой трехфазный трансформатор. Чтобы магнитная система трансформатора была симметричной, она должна иметь пространственную форму с тремя стержнями, на которых расположены обмотки. Вначале его конструкция напоминала машину с выступающими полюсами, в которой был устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни (рис. 7.6) – можно сказать, что это был трансформатор с радиальным расположением магнитопроводов. Продолжая усовершенствовать конструкцию, Доливо-Добровольский предложил несколько типов так называемых «призматических» трансформаторов с более компактной формой магнито- провода (рис. 7.7).

На рис. 7.8 показана эволюция магнитопровода стержневого типа. При соединении в одну конструкцию трех однофазных магнитопроводов получалась довольно сложная пространственная схема магнитопровода, технология изготовления которой оказалась весьма сложной, при этом возрастали отходы трансформаторной стали при штамповке отдельных листов. Это заставило Доливо-Добровольского упростить конструкцию и создать трехфазный трансформатор с параллельным расположением трех стержней в одной плоскости (рис. 7.9). О том, насколько продуманный и совершенной была такая конструкция, можно судить по тому, что она сохранилась до наших дней.

Рис. 7.7. Трехфазный трансформатор призматического типа

Рис. 7.8. Эволюция магнитопровода стержневого типа: Фд, Фд, Ф_с – магнитные потоки в фазах А, В, С

Рис. 7.9. Трансформатор с параллельным расположением трех стержней