26 Ноябрь, 2014
К изобретению трансформаторов переменного тока
К изобретению трансформаторов переменного тока. М. А.  Шателен
Изобретение трансформатора переменного тока тесно связано с открытием Фарадеем закона электромагнитной индукции. Теоретически и первый трансформатор был изобретен Фарадеем — это его знаменитое железное кольцо с двумя обмотками. Пропуская прерывистый ток по первой обмотке, Фарадей получал искры между электродами, которыми кончались концы второй обмотки. Но, конечно, кольцо Фарадея не было тем, что мы называем трансформатором — аппаратом переменного тока, превращающим ток определенной величины и определенного напряжения в ток другой величины и другого напряжения. В этом смысле не были трансформаторами и ряд индукционных катушек, конструировавшихся многими изобретателями (Пэдж, Райт и ряд других). Это были просто индукционные катушки, предназначавшиеся для различных целей, например, для получения кратковременных индукционных токов высокого напряжения, для физиологических и медицинских опытов и т. п. Наиболее совершенный из этих приборов—катушка Пэджа—явилась результатом применения открытия Генри и была даже описана автором под названием «Способ и попытка получить посредством прибора проф. Генри физиологические действия и искры».
Едва ли можно назвать трансформатором в современном смысле слова знаменитую «катушку Румкорфа», хотя она служила для преобразования сильного тока низкого напряжения в слабый ток высокого «напряжения и в ней был применен принцип использования в качестве первичной и вторичной обмоток катушек с различным числом витков. Катушка Румкорфа (1848 г.) была также предназначена только для получения тока повышенных напряжений в виде разного типа искр или разрядов питалась она постоянным током через тот или иной прерыватель и ни для каких промышленных целей не предназначалась. Все многократно предлагавшиеся различными конструкторами видоизменения катушки Пэджа и Румкорфа обладали теми же свойствами.
Впервые применение индукционных аппаратов для целей практической электротехники было предложено русским изобретателем П. Н. Яблочковым.
Как известно, в 1876 г. П. Н. Яблочковым была изобретена его знаменитая «электрическая свеча», вызвавшая переворот в состоянии современного изобретателю электрического освещения. Электрическое освещение, применявшееся до появления свечи в очень ограниченном числе случаев (для маяков, для иллюминации и т. п.), стало одним из наиболее распространенных способов освещения. Свеча Яблочкова из Лондона, Парижа, Нью-Йорка проникла «до дворца шаха Персидского и короля Камбоджи», как писал сам Яблочков.
Для питания свечи Яблочков применял сначала прерывистый постоянный ток, но затем предложил применять переменный ток. Это было по тому времени весьма смелое предложение, так как ток этот был еще не изучен, при применении его случались совершенно «необъяснимые»
происшествия. Против его применения горячо восставали и те коммерческие и промышленные круги, которые были связаны с эксплуатацией постоянного тока.
Однако, Яблочкову удалось добиться признания переменного тока и по его указаниям на заводе Грамма в Париже были построены машины переменного тока, специально предназначенные для питания свечей. Машина Грамма-Яблочкова была прототипом современных генераторов переменного тока. Она состояла из неподвижного статора, в обмотках которого генерировалась э. д. с. подвижного ротора, создававшего магнитное поле. Для намагничивания электромагнитов ротора применялась отдельная динамомашин постоянного тока — возбудитель. Посредством изменения возбуждающего тока регулировалось напряжение машины переменного тока. Машина Грамма-Яблочксва была и прообразом генераторов многофазных токов, так как вследствие расположения секций обмотки статора по всей его поверхности в каждой секции обмотки индуктировалась э. д. с, разнящаяся по фазе от э. д. с. других обмоток.
До появления этой машины для каждого электрического источника света обычно применялась отдельная машина. После появления этой машины и свечи Яблочкова стало возможно от одной машины питать два-три десятка одновременно горящих свечей, разделяя их на группы, каждую с нескольким свечами, включенными последовательно. Каждая группа питалась от отдельной части обмотки статора машины. Горение всех свечей в каждой группе было, таким образом, связано между собой и в группе каждая свеча не могла тушиться или зажигаться индивидуально.
Кроме того, в каждую цепь могли включаться только одинаковые свечи. Стремление сделать независимой каждую свечу при условии питания всех свечей от одной машины и привело Яблочкова к изобретению трансформаторов, которые Яблочков называл по существовавшей тогда терминологии «индукционными катушками».

Вот в каких словах описывает Яблочков свое изобретение во французской привилегии 1876 г.: «Это изобретение имеет целью расположение токов для получения электрического света, которое позволяет питать в цепи, питаемой от одного источника тока, неопределенное число светильников как одинаковой, так и различной силы света, и которое позволяет вдобавок менять силу света светильников. В любой точке цепи я включаю индуктирующую катушку, через которую проходит ток от источника тока. Далее я помещаю надлежащим образом вторую катушку, в которой первая индуктирует ток. Оба конца этой второй катушки соединяются проводом, образуя цепь, совершенно отличную от первой. В нее включаются светильники в числе одного или нескольких.
Одним словом, пользуясь индуктирующим током первичного источника, развивают помощью ряда катушек ряд индуктированных токов, позволяющих получать световые явления отдельно от каждой катушки, которая становится, таким образом, отдельным источником тока. Каждая индукционная катушка может быть помещена на любом расстоянии от светильника (люстры или подсвечника) или даже расположена в арматуре светильника. Светильники применяются различной силы света, с одной, двумя или тремя свечами моей системы. Катушки делаются различных размеров, причем они рассчитываются так, чтобы они давали токи, напряжения которое соответствовало бы требованиям светильника (подсвечника, люстры и т. п.)».



Рисунок 1. Схема распределения переменного тока для питания светильников с использованием трансформаторов Яблочкова (1877 год)

Описание своего изобретения Яблочков заканчивает следующими словами: «Это изобретение состоит в расположении токов, служащих для электрического освещения, характеризующееся в основном применением индукционных катушек, включенных в общую цепь, служащих для
возбуждения ряда индуктированных токов, образующих ряд отдельных источников тока, позволяющих питать от одного источника тока раздельно ряд светильников различной силы света».
Таким образом, Яблочков еще в 1876 г. получил привилегию на трансформатор тока и на тот способ включения его в питающую цепь, которые в 1883 г., т. е. через 7 лет, предложили Голард и Джибс, т. е. на последовательное включение первичных обмоток в общую питающую цепь и на присоединение потребителей к зажимам вторичных обмоток.
Сначала Яблочков применял «индукционные катушки», питаемые постоянным током, направление которого непрерывно менялось при помощи особого коммутатора, но затем он предложил применять для питания обоих трансформаторов переменный ток, которым питались и
его свечи. Свои трансформаторы Яблочков применял не только для питания свечей, но и для питания изобретенной им «каолиновой лампы», — прототип столь нашумевшей в дальнейшем лампы Нернста.
В зависимости от потребной мощности и напряжения Яблочков делал свои трансформаторы различного размера с различным числом витков в первичной и вторичной обмотках. Конечно, приоритет Яблочкова в изобретении трансформаторов неоднократно оспаривался (даже у нас,
в России), однако, теперь он признан всеми. Так, германский электрик Уппенборн в своей «Истории трансформаторов» пишет: «В 1878 г. хмы встречаемся с первым опытом промышленного применения индукционных катушек для освещения. В этом году Яблочков получил немецкий патент № 1630 на свое изобретение, которое и было практически применено Яблочковым для питания своих ламп». Уппенборн не упоминает о французском патенте Яблочкова, взятом еще в 1876 г. Французский электрик Кадиа в своей очень распространенной в конце XIX в. книге «Курс электротехники» пишет: «Принцип трансформаторов был указан Яблочковым в 1876 г.».
Английский автор Флеминг в своем труде «The Alternaie current Transformer» указывает: «§ 24. Применение Яблочковым индукционных катушек. В 1877 г. Павел Яблочков получил английский патент № 1996 на «новый способ произведения и деления электрического света и аппарат для этой цели». Цель эта достигается применением некоторого числа индукционных катушек, включенных в общую цепь, генерирующих от общего первичного
тока серию вторичных токов, применяемых каждый для зажигания одной или нескольких электрических ламп».
Интересно отметить, что в Англии Яблочкову было сначала отказано в выдаче привилегии на том основании, что сообщение о его системе в Обществе телеграфных инженеров было сделано на 13 дней раньше подачи Яблочковым заявления о выдаче патента. Однако, впоследствии и англичане признали приоритет Яблочкова.
Приоритет Яблочкова был подтвержден еще раз  в 1890 г., во время процесса между позднейшими «изобретателями» трансформаторов Голардом и Джибсом, с одной стороны, и Циперновским, Дери и Блати,— с другой.
Суд отказал Голарду и Джибсу в их иске к Циперновскому, Дери и Блати за незаконное пользование их (Дери и Блати) патентом на трансформаторы, мотивируя свое решение тем, что идея трансформатора принадлежит не Голарду и Джибсу, и не Циперновскому, Дери и Блати, а Яблочкову.

Яблочков применил свою индукционную катушку только для питания своих свечей и каолиновых ламп. Применять аналогичные приспособления для питания других приемников предложил другой русский изобретатель, сотрудник А. Г. Столетова, механик Физической лаборатории Московского университета И. Ф. Усагин. Свои индукционные приборы Усагин назвал «бобинами» и предназначал их для питания не только свечей Яблочкова, но и ламп накаливания, нагревателей и даже электродвигателей.
На Промышленной выставке 1882 г. в Москве в павильоне Товарищества Яблочкова демонстрировались в действие «бобины» Усагина, питавшие свечу Яблочковч, лампу накаливания, небольшой электродвигатель и накаливавшие тонкую платиновую проволоку. При демонстрации особенно подчеркивалось то обстоятельство, что,  несмотря на то, что «бобины» питались от одной машины переменного тока, все же работа каждого из питаемых бобинами приемников не зависела от остальных.
Вот как описывает очевидец опытов индукционные катушки Усагина:
«Бобины Усагина по внешнему своему виду похожи несколько на спирали Румкорфа. Как те, они состоят из двух слоев проволоки, обмотанных вокруг пучка железных прутьев, но в них нет ни прерывателей, ни конденсаторов, ни, наконец, тщательной дорогостоящей изолировки; не должно их смешивать и со спиралями для накаливания каолиновых пластинок, фигурировавших на прошлой электрической выставке в Петербурге среди приборов г. Яблочкова. В спиралях Яблочкова, как и в Румкорфовых, внешняя проволока значительно тоньше внутренней и делает большее число оборотов — здесь проволока одинаковой толщины и число оборотов делает равное. В цепь машины (альтернативной) включаются последовательно не внутренние, а внешние обмотки всех индуктивных бобин; внутренние — составляют отдельные цепи, в которые по желанию включаются свечи Яблочкова или лампочки или даже, наконец, электродвигатель. В некоторых случаях можно поступать и обратно. Одна цепь от другой не зависит. Можно потушить свечи в одной, двух, трех бобинах и ток в других не усилится, сила света останется та же. Изобретатель объясняет это возбуждением в цепи экстра-тока, противоположного главному направлению. Признавая наивыгоднейшим соединение когда внешнее сопротивление равно внутреннему, г. Усагин так устроил свои бобины, что сумма сопротивлений всех включаемых в цепь обмоток равно сопротивлению самой машины. Проволока бобины толщины почти одинаковой с проволокой машины, число оборотов всех внешних обмоток приблизительно тоже равно числу оборотов проволоки в машине.
Для поддержания вольтовой дуги в свечах Яблочкова нужно электровозбудительной силы около 100 вольт,  если бобины назначаются для свечей, то электровозбудительная сила каждой должна быть не менее этого числа, и в цепь пятисвечной машины следует включать более пяти таких бобин.
Вращающаяся часть той альтернативной машины, к распределению тока которой изобретатель приспособил существующие бобины, состоит по его вычислению приблизительно из  3000 оборотов проволоки (все секторы соединены последовательно), при данном напряжении магнитного поля и скорости вращения получается в ней электровозбудительная сила, достаточная для пяти свечей, т. е. около 500 вольт, — каждые 100 вольт по 600 оборотов проволоки. В бобинах, назначенных для свечей, сделано по 660 оборотов. Мотивом служило, во-первых, стремление приноровить сопротивление бобин к сопротивлению машины, в которой диаметр оборотов, а следовательно, и длина проволоки больше, чем в бобинах. Выше было сказано, что как внешняя, так и внутренняя части обмоток сделаны из одинаковой толщины проволоки и число оборотов имеют разнос, следовательно, во внутренней части возбуждается индуктивный ток почти одинаковых свойств с главным. Бобины, назначаемые не для свечей Яблочкова, имеют другие размеры и другое число оборотов, основанное на отдельном для каждого случая вычислении. Толщина пучка железных прутьев выверена эмпирически. При первых опытах железо слишком нагревалось, поэтому масса его была увеличена. В настоящее время катушки имеют следующие размеры: длина 3 дециметра, толщина 8 сантиметров, толщина пучка прутьев 48 миллиметров. При позднейших опытах изобретатель нашел, что при удлинении железных прутьев, т. е. при удалении магнитных полюсов, сила индуктированного тока значительно возрастает».
Несомненно, что бобины Усагина были изобретены позже 1876 г. По видимому, Усагин считал, что индукционные катушки Яблочкова предназначены только для получения тока повышенного напряжения, необходимого для питания каолиновых ламп, как это демонстрировалось на Второй электрической выставке 1882 г. в Петербурге, и подчеркивал пригодность его «бобин» и для питания других приемников.
Трансформаторы Яблочкова принадлежали к типу, который мы теперь называем «трансформатором с незамкнутым сердечником». К этому типу принадлежали трансформатор Усатая а и позже трансформатор Голарда и Джибса. Преимущества замкнутого сердечника еще не были тогда оценены. Даже многим позже в Англии строились трансформаторы Свинбурна типа «Ежик», в которых незамкнутый сердечник рассматривался, как особое их преимущество. Первые трансформаторы с замкнутым сердечниками, предложенные Циперновским, Дери и Блати, появились лишь в 1885 г.

В дальнейшем форма трансформаторов Яблочкова, патент на которые был приобретен французской компанией «L'Eclairage Electrique», была видоизменена и некоторые трансформаторы были снабжены также замкнутыми железными сердечниками. Трансформаторы Яблочкова демонстрировались на Парижской Всемирной выставке 1878 г., на Петербургской Электрической выставке Русского технического общества 1881—1882 гг. и других и имели сначала некоторые применения особенно для питания каолиновых ламп. Однако, в дальнейшем они применялись и для питания электрических ламп других типов, например на Парижской выставке 1889 г., но в этом случае уже в измененном виде, приданном трансформаторам Яблочкова французской компанией, владевшей патентом Яблочкова на трансформаторы.
Вот что, например, пишет И. Фонтен, французский электротехник конца XIX в., в своем отчете об освещении Парижской выставки 1889 г.:
«Трансформаторы для свечей Яблочкова. Общество Электрического освещения показало впервые на выставке автоматический подсвечник Бобенрейта (для свечей Яблочкова) и применение трансформаторов (курсив наш) для питания свечей Яблочкова. Это применение замечательно еще тем, что оно осуществляет два изобретения одного и того же электрика, так как Яблочков, создавший первую электрическую свечу, был также первым, кто указал принцип и способ применения трансформаторов (курсив наш).  Благодаря применению подсвечников (автоматических) трансформаторов, применение свечей стало совсем практичным, установки со свечами стоят гораздо дешевле и эксплуатационные расходы становятся гораздо меньше». Далее Фонтен говорит, что «Если бы этот способ питания свечей был применен в свое время для освещения Avenue de L'Opera, где впервые были широко применены свечи Яблочкова, то, освещение это функционировало бы долгое время, а не было бы прекращено за убыточностью».
Французское общество L'Eclairage Electrique, которое купило в свое время привилегию Яблочкова на трансформаторы, но, недооценив значения изобретения, не стремилось к широкому их распространению, в 1892 г., когда стало известно изобретение Голарда, должно было каяться в своей вине и писать в своих объявлениях: «Общество должно исправить крупную ошибку, сделанную раньше: именно среди многочисленных патентов, которыми оно владеет, имеется один, малоизвестный, определенно разрешающий вопрос относительно всех ныне появляющихся патентов на трансформаторы — это патенты Яблочкова от 30 октября 1876 г. и февраля 1877 г. (№ 115 793), в которых описан и принцип действия и способ применения трансформаторов. Приоритет Яблочкова в этом деле был признан в последнее время и в Англии».



Рисунок 2. Трансформаторы Яблочкова  изготовляемые Французским обществом электрического освещения (1877 год)

В России также изготовлялись трансформаторы Яблочкова, в частности, в мастерских военно-морского ведомства в Кронштадте. По видимому, они изготовлялись для опытов применения каолиновых ламп на судах флота.
Интересно отметить, что сохранившиеся в Минном офицерском классе несколько экземпляров этих трансформаторов были использованы уже в девяностых годах XIX столетия другим русским изобретателем А. С. Поповым для его опытов с лучами Герца, послужившими исходным пунктом для изобретенной им в 1885 г. телеграфии без приводов.
Как видно из сказанного, изобретение Яблочкова не было оценено современниками и о нем вспомнили позже, когда начали широко применяться переменные токи.
С этого времени, с самого конца восьмидесятых годов прошлого столетия, усовершенствование конструкции и качеств трансформаторов пошло очень быстро. Одной из причин этого прогресса было то обстоятельство, что к тому времени далеко продвинулось и изучение свойств и законов переменного тока, а также то, что многое было сделано в изучении явлений магнитных, и особенно в изучении свойств магнитных материалов.
В истории изучения магнитных свойств материалов, применяемых для сердечников трансформаторов, громадную роль сыграли русские ученые-изобретатели. Именно, получивший в дальнейшем столь широкое распространение «баллистический способ» определения магнитной
проницаемости железа был впервые предложен А. Г. Столетовым в 1872 г. Годом позже аналогичное предложение было сделано английским ученым Роуландом.
Метод, предложенный и осуществленный впервые Столетовым, стал известен, однако, под именем метода Роуланда.
Лишь впоследствии был установлен приоритет Столетова.
Приоритет изобретения наиболее распространенного до настоящего времени способа определения потери на вихревые токи и на гистерезис в листовой магнитной стали, применяемой для изготовления сердечников трансформаторов, также принадлежит русскому изобретателю М. О. Доливо-Добровольскому, он первый предложил и сконструировал прибор для испытаний образцов листовой стали (собранной в пакеты, подобные применяемым для сердечников трансформаторов) путем определения потерь от вихревых токов и гистерезиса прямым измерением этих потерь ваттметром.

Идея Доливо-Добровольского получила в дальнейшем широкое распространение, предложенный им прибор получил многочисленные усовершенствования, но по сути все применяемые до ныне приборы дли измерения потерь от вихревых токов и гистерезиса, вплоть до наиболее
распространенного прибора Эпштейна, являются лишь видоизменениями прибора, предложенного Доливо-Добровольским.
Благодаря всем научным достижениям трансформаторы стали весьма экономичными, легкими и надежными в работе. Они не требуют надзора, могут устанавливаться в любом помещении, обладают высоким к. п. д. Весьма совершенные конструкции трансформаторов предлагались
и русскими изобретателями, в частности Полешко, предложившим конструкцию броневого трансформатора, обладавшего многими достоинствами.
Одну из конструкций, получивших в настоящее время очень широкое распространение, предложил Доливо-Добровольский. Именно ему принадлежит идея применения для трансформации трехфазных токов, сердечников с тремя стержнями, соединенными по концам общим ярмом.
На стержни надеваются первичная и вторичная обмотки, соединяемые обычными способами треугольником или звездой. Первые трансформаторы трехфазного тока системы Доливо-Добровольского были осуществлены берлинской фирмой Всеобщая компания электричества для Лауфев-Фраякфуртской электропередачи 1891 г.
Однако, все имевшиеся конструкции были хороши только для сравнительно маломощных трансформаторов, предназначенных, кроме того, для работы при сравнительно низких напряжениях. Между тем, рост потребности в электрической энергии требовал установки мощных трансформаторов. Для сколько-нибудь экономичной их эксплуатации  потребовалось искусственное их охлаждение.
Стали помещать трансформаторы в баки, наполненные маслом, отнимавшим от трансформатора тепло. Для охлаждения масла стали применять водяное охлаждение.
Потребовалось приспособление для ограждения масла от окисления атмосферным воздухом и т. п. Одним словом, трансформаторы перестали быть небольшим прибором, а стали во многих случаях мощным и громоздким сооружением, требующим особого помещения и специального
ухода. Между прочим, наиболее распространенный способ защиты масла от окисления, так называемый «консерватор» масла, впервые предложил русский инженер Д. И. Верещагин. Впоследствии консерватор применялся как изобретение разных фирм, строивших трансформаторы.
Этот способ консервирования масла состоит в том, что масляный бак с трансформатором закрывается плотной крышкой и соединяется трубкой с помещенным несколько выше небольшим цилиндрическим сосудом с маслом — «консерватором». Доступ воздуха к маслу в трансформаторном баке затрудняется, и так как масло находится под давлением, то всякая утечка его автоматически пополняется, и не образуется пустот, в которые мог, бы проникнуть воздух из атмосферы.
Дальнейший толчок к развитию трансформаторов дало широкое распространение передачи электрической энергии токами очень высоких напряжений. Стали строиться трансформаторы для рабочего напряжения свыше 200000 В, мощностью в десятки тысяч киловатт. В последнее время выяснилась возможность строить трансформаторы для рабочих напряжений до 500000 В.
Московский трансформаторный завод разработал тип трансформатора для напряжения 400000 В для предполагавшейся передачи Куйбышев— Москва (на 900 км около 1000000 кВт). Для лабораторных целей строятся мощные трансформаторы для напряжений в 2 млн. вольт и выше.
Много сделали для улучшения высоковольтных трансформаторов русские ученые и инженеры. Ряд интересных идей о защите трансформаторов от перенапряжений был высказан А. А. Чернышевым. Интересные оригинальные конструкции трансформаторов были созданы коллективом Московского трансформаторного завода им. Куйбышева.
Мощные грозоупорные трансформаторы и трансформаторы для выпрямительных установок, разработанные этим заводом, были отмечены присуждением Сталинских премий.
Нужно отметить, что современное развитие передач и электрической энергии стало возможно только благодаря предложенному изобретателем М. О. Доливо-Добровольским применению системы трехфазного тока и изобретенных им электродвигателя и трансформатора трехфазного тока.
Изобретением трансформаторов положено было начало новой эпохи в истории электротехники. Вот почему вопросу о приоритете изобретении трансформаторов переменного тока придается такое значение.
В настоящее время можно считать совершенно доказанным, что честь изобретения трансформаторов и честь первого практического их применения принадлежит русскому изобретателю — Павлу Николаевичу Яблочкову, и это изобретение, наравне с изобретением
«свечи», ставит его имя на один уровень с именами крупнейших мировых изобретателей электротехников.

Автор: Член-корреспондент Академии наук СССР, проф. М. А. Шателен
Источники:

1. Журнал Электричество №10, 1948 год
2. Русские электротехники второй половины ХIХ века. М. А. Шателен. Л.-М.: ГЭИ, 1949

Все права сохранены  ©  Старые журналы для энергетиков

Перепубликация материалов возможна только с устного или письменного разрешения администрации сайта!