11.4. Трансформація електроенергії

Мал. 11.6. Індукційна котушка

Прообразом трансформаторів були широко використовувані вже із середини XIX століття «індукційні котушки», призначені для перетворення малих струмів.

Перша індукційна котушка (мал. 11.6) була зібрана Фарадеєм в 1831 р. і з'явилася одночасно з відкриттям ним явища індукції. Якщо по обмотці котушки Н' пропустити електричний струм від гальванічної батареї, то в просторі навколо цієї котушки виникнуть силові лінії, які досягнуть обмотки другої котушки Н. При цьому в обмотці котушки Н виникне струм, що може бути виявлений гальванометром G. Якщо перервати коло первинної котушки Н', в обмотці котушки Н знову виникне струм, але вже протилежного напрямку. Для того, щоб струм в обмотці котушки Н був якнайбільшим, її слід зробити настільки широкою, щоб у ній могла вільно поміститися верхня котушка Н'. Якщо при цьому в котушку Н' помістити, наприклад, пучок металевого дроту, то цим ще більше покращиться шлях для силових ліній й, отже, збільшиться струм у котушці Н.

Цей прилад Фарадея мав на меті тільки передавати електричну енергію за допомогою індукції, а зовсім не перетворювати напругу струму. Генріх Румкорф (1803–1877) першим зробив спробу об'єднати передачу електрики за допомогою електромагнітного поля з одночасною зміною напруги електричного струму. Котушка Румкорфа була представлена на Всесвітній виставці в 1855 р. При цьому необхідно відзначити, що винахід Румкорфа зовсім не мав на меті дати практичний спосіб трансформації напруги. Крім того, не Румкорф, а американський електротехнік Педж в 1836 р. першим застосував індукційний апарат для підвищення напруги. Однак відкриття Педжа пройшло непоміченим, і тільки Румкорфу вдалося звернути увагу фізиків на дивну здатність індукційного апарату давати струми дуже високої напруги. У 1848 р. Румкорф створив свої перші індукційні апарати для високої напруги, призначенням яких було давати іскри. У 1852 році Румкорф сконструював котушку із двома обмотками. У коло первинної обмотки він поставив переривник вібраційного типу (так званий «молоточок Вагнера)» і підключив до гальванічної батареї. У вторинній обмотці у зв'язку з дуже великою кількістю витків з'являлася висока напруга, що дозволило одержувати іскри довжиною до 2 см. При цьому йому доводилося вживати певні зусилля для запобігання пробою ізоляції між численними витками у вторинній обмотці. У 1859 році Румкорф створив котушку, що дозволяла одержувати іскри довжиною до 50 см.

Наприкінці 1864 року імператор Франції Наполеон III, що вирішив відродити премію імені Вольти, ухвалив нагородити цією премією в 50000 франків Генріха Румкорфа за винахід індукційної котушки.
Патент, або, як раніше говорили, привілей, на винахід трансформатора фірми «Ганц і К°» придбала американська компанія Едісона, але не для того, щоб його експлуатувати: для неї це був найпростіший спосіб усунення небезпечного конкурента власній системі постійного струму. І тільки значно пізніше її спадкоємиця – «General Electric Company» – виправила зроблену помилку і ретельно зайнялася застосуванням й удосконаленням трансформаторів.

Мал. 11.7. Вторинний генератор Голарда–Гіббса

Створюючи індукційні котушки, Румкорф не переслідував ніяких економічних цілей, пов'язаних із застосуванням ефекту трансформації напруги електричного струму. Першим на цей бік справи звернув увагу Голард, який помітив цю особливість індукційних котушок і для реалізації свого винаходу ввійшов у компанію з банкіром Гіббсом. На Туринській виставці в 1884 році був уперше представлений вторинний генератор Голарда–Гіббса (мал. 11.7), що складався з вертикальних встановлених попарно індукційних котушок. Залежно від необхідного рівня напруги як первинні, так і вторинні котушки з'єднувалися за відповідною схемою. Додаткове регулювання напруги здійснювалося за допомогою залізних сердечників котушок, які для цього втягувалися у котушки на необхідну глибину. Залежно від різного положення залізних сердечників котушок змінювалося й значення індукції, а отже, й електрорушійна сила у вторинних котушках. Винахід не був позбавлений безлічі недоліків. Зокрема, при вертикальному розташуванні індукційних котушок у вигляді стовпів лінії сил первинної котушки замикалися від північного полюса до південного по довгому шляху через повітря, що значно знижувало ефективність трансформації й збільшувало втрати.
Мал. 11.8. Трансформатор фірми «Ганц і К°»

Винайдений Голардом вторинний генератор розміщувався в місцях споживання струму й був призначений для зниження змінного струму небезпечної високої напруги до більш низького безпечного рівня. Винахід Голарда являв собою початковий пункт розвитку систем трансформації змінного струму, без яких не було б можливе подальше вдосконалювання систем передачі й розподілу електричної енергії.

Мал. 11.9. Трансформатор компанії Вестінгауза

Подальшим удосконалюванням систем трансформації електричної енергії зайнялися електротехніки фірми «Ганц і К°», які обладнали свій трансформатор (мал. 11.8) залізним сердечником у формі кільця так, що силові лінії проходили тільки по залізу. Крім того, первинна й вторинна обмотки були розташовані на залізному тороїдальному сердечнику так, що втрати струму при трансформації були мінімальні.

На відміну від компанії Едісона американське товариство Вестінгауза першим взялося за впровадження системи Голарда, привілей на яку воно придбало. Електротехнік цього товариства Стенлі побудував оригінальний трансформатор, що складався із двох плоских котушок. Сердечник цього трансформатора складався з тонких залізних пластинок, вирізаних у формі букви Е і вставлених у котушку поперемінно то з одного, то з іншого боку (мал. 11.9). Залізна оболонка котушок містилася між залізними рамами, які були стягнуті довгими залізними штирями. Така конструкція трансформатора, згодом вдосконалена й видозмінена, ще довгий час використовувалася в електротехніці.

Сучасний трансформатор змінного струму