Ян Шнейберг - История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)

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.

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.