11.4. Трансформация электроэнергии

Рис. 11.6. Индукционная катушка

Прообразом трансформаторов являлись широко используемые уже в середине XIX века «индукционные катушки», предназначенные для преобразования малых токов.

Первая индукционная катушка (рис. 11.6) была собрана Фарадеем в 1831 г. и появилась одновременно с открытием им явления индукции. Если по обмотке катушки Н' пропустить электрический ток от гальванической батареи, то в пространстве вокруг этой катушки возникнут силовые линии, которые достигнут обмотки другой катушки Н. При этом в обмотке катушки Н  возникнет ток, который может быть обнаружен гальванометром G. Если прервать цепь первичной катушки Н', в обмотке катушки Н опять возникнет ток, но уже противоположного направления. Для того, чтобы ток в обмотке катушки Н был как можно больше, ее следует сделать настолько широкой, чтобы в ней могла свободно поместиться верхняя катушка Н'. Если при этом в катушкуН' поместить, например, пучок металлической проволоки, то этим еще более улучшится путь для силовых линий и, следовательно, увеличится ток в катушке Н.

Этот прибор Фарадея имел целью только передавать электрическую энергию при помощи индукции, а вовсе не преобразовывать напряжение тока. Генрих Румкорф (1803–1877) первым предпринял попытку объединить передачу электричества посредством электромагнитного поля с одновременным изменением напряжения электрического тока. Катушка Румкорфа была представлена на Всемирной выставке в 1855 г. При этом необходимо отметить, что изобретение Румкорфа вовсе не имело целью дать практический способ трансформации напряжения. Кроме того, не Румкорф, а американский электротехник Пэдж в 1836 г. первым применил индукционный аппарат для повышения напряжения. Однако открытие Пэджа прошло незамеченным, и только Румкорфу удалось обратить внимание физиков на удивительную способность индукционного аппарата давать токи очень высокого напряжения. В 1848 г. Румкорф создал свои первые индукционные аппараты для высоких напряжений, назначением которых было давать искры. В 1852 году Румкорф сконструировал катушку с двумя обмотками. В цепь первичной обмотки он поставил прерыватель вибрационного типа (так называемый «молоточек Вагнера») и подключил к гальванической батарее. Во вторичной обмотке в связи с очень большим числом витков появилось высокое напряжение, что позволило получать искры длиной до 2 см.

В конце 1864 года император Франции Наполеон III, решивший возродить премию имени Вольты, постановил наградить этой премией в 50 000 франков Генриха Румкорфа за изобретение индукционной катушки.

Патент, или, как раньше говорили, привилегию, на изобретение трансформатора фирмы «Ганц и К» приобрела американская компания Эдисона, но не для того, чтобы его эксплуатировать: для нее это было простейшим способом устранения опасного конкурента собственной системы постоянного тока. И только значительно позже ее преемница – «General Electric Company» – исправила сделанный промах и усердно занялась применением и усовершенствованием трансформаторов.

Рис. 11.7. Вторичный генератор Голарда–Гиббса

При этом ему приходилось предпринимать определенные усилия для предотвращения пробоя изоляции между многочисленными витками во вторичной обмотке. В 1859 году Румкорф создал катушку, позволяющую получать искры длиной до 50 см.

Создавая индукционные катушки, Румкорф не преследовал никаких экономических целей, связанных с применением эффекта трансформации напряжения электрического тока. Первым на эту сторону дела обратил внимание Голард, который оценил эту особенность индукционных катушек и для реализации своего изобретения вошел в компанию с банкиром Гиббсом. На Туринской выставке в

Рис. 11.8. Трансформатор фирмы «Ганц и К°»

1884 году был впервые представленвторичный генераторГоларда–Гиббса (рис. 11.7), состоящий из вертикальных установленных попарно индукционных катушек. В зависимости от требуемого уровня напряжения как первичные, так и вторичные катушки соединялись по соответствующей схеме. Дополнительное регулирование напряжения осуществлялось с помощью железных сердечников катушек, которые для этого вдвигались в катушки на требуемую глубину. В зависимости от различного положения железных сердечников катушек изменялось и значение индукции, а следовательно, и электродвижущей силы во вторичных катушках. Изобретение не было лишено множества недостатков. В частности, при вертикальном расположении индукционных катушек в виде столбов линии сил первичной катушки замыкались от северного полюса к южному по длинному пути через воздух, что значительно снижало эффективность трансформации и увеличивало потери.

Изобретенный Голардом вторичный генератор размещался в местах потребления тока и был предназначен для понижения переменного тока опасного высокого напряжения до более низкого безопасного уровня. Изобретение Голарда представляло собой начальный пункт развития систем трансформации переменного тока, без которых не было бы возможно дальнейшее совершенствование систем передачи и распределения электрической энергии.

Рис. 11.9. Трансформатор компании Вестингауза

Дальнейшим совершенствованием систем трансформации электрической энергии занялись электротехники фирмы «Ганц и К°», снабдив свой трансформатор (рис. 11.8) железным сердечником в форме кольца, так что силовые линии проходили только по железу. Кроме того, первичная и вторичная обмотки были расположены на железном тороидальном сердечнике так, что потери тока при трансформации были минимальны.

В отличие от компании Эдисона американское общество Вестингауза первым взялось за внедрение системы Голарда, привилегию на которую оно приобрело. Электротехник этого общества Стенли построил оригинальный трансформатор, состоящий из двух плоских катушек. Сердечник трансформатора состоял из тонких железных пластинок, вырезанных в форме буквыЕи вставленных в катушку попеременно то с одной, то с другой стороны (рис. 11.9). Железная оболочка катушек помещалась между железными рамами, стягиваемыми длинными железными штырями. Такая конструкция трансформатора, впоследствии усовершенствованная и видоизмененная, еще долгое время использовалась в электротехнике.

Современный трансформатор переменного тока