Электрические источники света. Дуговые лампы сверхвысокого давления

Трансформаторы - трансформация переменного тока

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тока тем, что он хорошо поддается трансформированию, т.е. преобразованию тока относительно высокого напряжения в ток более низкого напряжения, или наоборот. Трансформаторы позволяют передавать переменный ток по проводам на большие расстояния с малыми потерями энергии. Для этого переменное напряжение, вырабатываемое на электростанциях генераторами, с помощью трансформаторов повышают до напряжения в несколько сотен тысяч вольт и «посылают» по линиям электропередачи (ЛЭП) в различных направлениях. С повышением напряжения уменьшается сила тока в ЛЭП при одной и той же передаваемой мощности, что и приводит к снижению потерь и позволяет применять провода меньшего сечения. В городах и селах на расстоянии сотен и тысяч километров от электростанций это напряжение понижают трансформаторами до более низкого, которым и питают лампочки освещения, электродвигатели и другие электрические приборы. Трансформаторы широко применяют и в радиотехнике . Схематическое устройство простейшего трансформатора показано на (рис. 5). Он состоит из двух катушек из изолированного провода, называемых обмотками, насаженных на магнитопровод, собранный из пластин специальной, так называемой трансформаторной стали . Обмотки трансформатора изображают на схемах так же, как катушки индуктивности, а магнитопровод - линией между ними . Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, текущий по одной из обмоток трансформатора, создает вокруг нее и в магнитопроводе переменное магнитное поле. Это поле пересекает витки другой обмотки трансформатора, индуцируя в ней переменное напряжение той же частоты. Если к этой обмотке подключить какую - либо нагрузку, например лампу накаливания, то в получившейся замкнутой цепи потечет переменный ток - лампа станет гореть. Обмотку, к которой подводится переменное напряжение, предназначаемое для трансформирования, называют первичной, а обмотку, в которой индуцируется переменное напряжение - вторичной .

Напряжение, которое получается на концах вторичной обмотки, зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке приблизительно равно напряжению, подведенному к первичной обмотке. Если вторичная обмотка трансформатора содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее меньше, чем напряжение, подводимое к первичной обмотке. И наоборот, если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подводимого к первичной обмотке. В первом случае трансформатор будет понижать, во втором повышать переменное напряжение. Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, можно довольно точно подсчитать по отношению чисел витков обмоток трансформатора: во сколько раз она имеет большее (или меньшее) число витков по сравнению с числом витков первичной обмотки, во столько же раз напряжение на ней будет больше (или меньше) по сравнению с напряжением, подводимым к первичной обмотке. Так, например, если одна обмотка трансформатора имеет 1000 витков, а вторая 2000 витков, то, включив первую обмотку в сеть переменного тока с напряжением 220 В, мы получим во второй обмотке напряжение 440 В - это повышающий трансформатор. Если же напряжение 220 В подвести к обмотке, имеющей 2000 витков, то в обмотке, содержащей 1000 витков, мы получим напряжение 220 В - это понижающий трансформатор. Обмотка, имеющая 2000 витков, в первом случае будет вторичной, а во втором случае - первичной. Но, пользуясь трансформатором, вы не должны забывать о том, что мощность тока (P = UI), которую можно получить в цепи вторичной обмотки, никогда не превышает мощности тока первичной обмотки. Это значит, что получить от вторичной обмотки одну и ту же мощность можно, повышая напряжение и уменьшая ток, либо потребляя от нее пониженное напряжение при увеличенном токе. Следовательно, повышая напряжение мы проигрываем в значении тока, а выигрывая в значении тока, обязательно проигрываем в напряжении. Для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока часто используют трансформаторы с несколькими вторичными обмотками с различным числом витков (рис. 6).

С помощью таких трансформаторов, называемых сетевыми, или трансформаторами питания, получают несколько напряжений, питающих разные цепи. Наибольшая мощность тока, которая может быть трансформирована, зависит от размера магнитопровода трансформатора и диаметра провода, из которого выполнены обмотки. Чём больше объем магнитопровода, тем большая мощность может быть трансформирована. Практически же в трансформаторе всегда бесполезно теряется часть мощности. Поэтому мощность в цепи вторичной обмотки (или сумма мощностей, получаемых от всех вторичных обмоток) всегда несколько меньше мощности, потребляемой первичной обмоткой. Нужно запомнить: трансформаторы постоянный ток не трансформируют . Если, однако, в первичной обмотке трансформатора течет пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение, частота которого равна частоте пульсаций тока в первичной обмотке. Это свойство трансформатора используется для индуктивной связи между разными цепями, разделения пульсирующего тока на его составляющие и ряда других целей, о которых разговор будет впереди. Все трансформаторы со стальными магнитопроводами и магнитопроводами из железоникелевых сплавов (пермаллоя) называют низкочастотными трансформаторами , так как они пригодны только для преобразования переменного напряжения низкочастотного диапазона. На схемах низкочастотные трансформаторы обозначают буквой Т, а их обмотки - римскими цифрами. Принцип действия высокочастотных трансформаторов, предназначаемых дня трансформации колебаний высокой частоты, также основан на электромагнитной индукции . Они могут быть как с сердечниками, так и без сердечников. Их обмотки (катушки) располагают на одном или разных каркасах, но обязательно близко одну к другой (рис. 7). При появлении тока высокой частоты в одной из катушек вокруг нее возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует во второй катушке напряжение такой же частоты. Как и в низкочастотных трансформаторах, напряжение во вторичной катушке зависит от соотношения чисел витков в катушках.

Для усиления связи между катушками в высокочастотных трансформаторах используют сердечники в виде стержней или колец (рис. 8), представляющие собой спрессованную массу из неметаллических материалов. Их называют магнитодиэлектрическими или высокочастотными сердечниками. Наиболее распространены ферритовые сердечники. Ферритовый сердечник не только усиливает связь между катушками, но и повышает их индуктивность, поэтому они могут иметь меньше витков по сравнению с катушками трансформатора без сердечника. Магнитодиэлектрический сердечник высокочастотного трансформатора не зависимо от его конструкции и формы обозначают на схемах так же, как магнитопровод низкочастотного трансформатора, - прямой линией между катушками, а обмотки, как и катушки индуктивности, - латинскими буквами (L).

Главное техническое преимущество переменного тока в сравнении с постоянным заключается в том, что величину и напряжение переменного тока можно в широчайших пределах преобразовывать (трансформировать) без существенных потерь мощности. Для снижения бесполезного нагревания проводов по линиям электропередачи подают ток пониженной величины и повышенного до сотен тысяч вольт напряжения, а в местах потребления в тысячи раз снижают напряжение с соответственным повышением величины тока; этим достигается уменьшение потерь в линиях передачи в миллионы раз, так как выделение тепла пропорционально квадрату величины тока. Кроме того, дополнительная трансформация тока в разнообразных приборах, использующих ток, всегда позволяет иметь ток наиболее удобного напряжения и нужной величины.

Трансформатор (рис. 354) в основном состоит из двух катушек, намотанных на общий железный сердечник. Одна из этих катушек, называемая обычно первичной, приключается к линии, питаемой генератором переменного тока. Устройство, потребляющее электроэнергию, будь то электромоторы, лампы накаливания и т. д., подключается ко вторичной обмотке трансформатора.

I. Представим себе, что вторичная обмотка трансформатора разомкнута, т. е. трансформатор не нагружен. Тогда первичная обмотка будет представлять собой не что иное, как простую индуктивную катушку с железным сердечником.

В сердечнике мы получим синусоидально меняющийся магнитный поток, и трансформатор будет потреблять от сети реактивный ток, отстающий от напряжения

Рис. 354. Схема трансформатора

Какова будет электродвижущая сила на вторичной обмотке трансформатора?

Ее амплитуда и фаза определяются законом электромагнитной индукции. Так как первичная и вторичная обмотки связаны общим магнитным потоком, мы выберем этот поток в качестве основной величины. Предположим, что магнитный поток в сердечнике изменяется по закону

Тогда как в первичной, так и во вторичной обмотке мы получаем электродвижущие силы, пропорциональные скорости изменения потока и числу витков обмотки:

Подводимое к трансформатору внешнее напряжение - напряжение сети - в любой момент должно уравновешивать электродвижущую силу первичной обмотки, т. е. должно быть ей равно и противоположно по знаку:

Мы видим, что электродвижущая сила вторичной обмотки по фазе противоположна напряжению сети. Отношение их амплитуд легко получить:

Очевидно, что мы можем получить любое соотношение между первичным и вторичным напряжением, выбрав нужное отношение числа витков, или, как его обычно называют, коэффициент трансформации.

Построим (рис. 355) векторную диаграмму трансформатора на холостом ходу. Вектор напряжения сети и вектор вторичной электродвижущей силы прямо противоположны друг другу; отношение

их величин определяется коэффициентом трансформации. Вектор магнитного потока и находящийся с ним в фазе вектор реактивного намагничивающего тока I в первичной обмотке («ток холостого хода») отстают от вектора напряжения сети на Нагрузим вторичную обмотку, приключив к ее концам активное сопротивление (рис. 356); при этом в ней должен возникнуть ток находящийся в фазе со вторичной электродвижущей силой. Этот вторичный ток создаст в сердечнике магнитный поток, находящийся в фазе с током

Рис. 355. Векторная диаграмма трансформатора на холостом ходу.

Рис. 356. Векторная диаграмма для нагруженного трансформатора.

Но магнитный поток всецело (по величине и по фазе) определяется при заданной конструкции трансформатора напряжением внешней сети:

и при неизменном значении он не может измениться.

Нарушенное равновесие восстанавливает первичная обмотка; в ней возникает ток в каждый момент намагничивающий сердечник в направлении, противоположном тому, которое создается током вторичной обмотки. Этот ток в первичной обмотке противоположен по фазе вторичному, т. е. он совпадает по фазе с напряжением сети и, следовательно, является активным током.

Общий ток первичной обмотки слагается теперь из неизменно присутствующего реактивного намагничивающего тока и рабочего активного тока.

Соотношение между амплитудами (или эффективными значениями) первичного и вторичного активных токов легко найти из условия, что магнитодвижущая сила, создаваемая активным током первичной обмотки, должна быть по величине равна той магнитодвижущей силе, которая создается вторичной обмоткой (по направлению, как было сказано выше, она противоположна ей). Иначе говоря, в любой момент ампервитки обмоток равны друг другу:

Величины токов, как мы видим, обратно пропорциональны числам витков обмоток.

Мощность, отдаваемая вторичной обмоткой (если не учитывать омических потерь в обмотках и потерь на вихревые токи в сердечнике), равна той мощности, которую трансформатор берет от сети. Действительно, по формулам (25) и (26)

Это можно было, конечно, предвидеть, основываясь на законе сохранения энергии.

Для нагруженного трансформатора (см. рис. 356) сдвиг фаз между напряжением сети и суммарным током первичной обмотки тем меньше, чем меньше реактивный ток по сравнению с активным, т. е. чем больше индуктивность первичной обмотки трансформатора. Однако значительное увеличение индуктивности во многих случаях невыгодно экономически, так как требует больших объемов железа сердечника и большой затраты меди на изготовление обмоток. Поэтому трансформаторы небольших мощностей и дешевого типа зачастую обладают плохим

В современной электроэнергетике, радиотехнике, электросвязи, системах автоматики широчайшее применение получил трансформатор, который по праву считается одним из распространенных видов электрического оборудования. Изобретение трансформатора - одна из замечательных страниц в истории электротехники. Прошло почти 120 лет после создания первого промышленного однофазного трансформатора, над изобретением которого трудились начиная с 30-х и до середины 80-х годов XIX века ученые, инженеры разных стран.

В наше время известны тысячи разнообразных конструкций трансформаторов - от миниатюрных до гигантских, для транспортировки которых требуются специальные железнодорожные платформы или мощные плавучие средства.

Как известно, при передаче электроэнергии на большое расстояние применяется напряжение в сотни тысяч вольт. Но непосредственно использовать такие огромные напряжения потребители, как правило, не могут. Поэтому электроэнергия, вырабатываемая на ТЭС, ГЭС или АЭС, подвергается трансформации, вследствие чего общая мощность трансформаторов в несколько раз превышает установленную мощность генераторов на электростанциях. Потери энергии в трансформаторах должны быть минимальными, и эта проблема всегда была одной из главных при их конструировании.

Создание трансформатора стало возможным после открытия явления электромагнитной индукции выдающимися учеными первой половины XIX в. англичанином М. Фарадеем и американцем Д. Генри. Широко известен опыт Фарадея с железным кольцом, на котором были намотаны две изолированные друг от друга обмотки, первичная, соединенная с батареей, и вторичная - с гальванометром, стрелка которого отклонялась при размыкании и замыкании первичной цепи. Можно считать, что устройство Фарадея представляло собой прообраз современного трансформатора. Но ни Фарадей, ни Генри не были изобретателями трансформатора. Они не занимались исследованием проблемы преобразования напряжения, в их опытах приборы питались постоянным, а не переменным током и действовали не непрерывно, а мгновенно в моменты включения или выключения тока в первичной обмотке.

Первыми электрическими приборами, в которых использовалось явление электромагнитной индукции, были индукционные катушки. В них при размыкании первичной обмотки во вторичной наводилась значительная по величине ЭДС, вызывавшая между концами этой обмотки большие искры. Таких приборов в течение 1835-1844 годов было запатентовано несколько десятков. Наиболее совершенной была индукционная катушка немецкого физика Г.Д. Румкорфа.

Индукционная катушка защищает Кронштадт

Первое успешное применение индукционной катушки было осуществлено в начале 40-х годов XIX века российским академиком Б.С. Якоби (1801-1874) для воспламенения пороховых зарядов подводных электрических мин. Сооруженные под его руководством минные заграждения в Финском заливе преградили путь к Кронштадту двум англо-французским эскадизвестно, что в ходе этой войны большое значение имела оборона Балтийского побережья. Огромная англо-французская эскадра, состоявшая из 80 кораблей с общим числом орудий 3600, безуспешно пыталась прорваться к Кронштадту. После того как флагманский корабль «Мерлин» столкнулся с подводной электрической миной, эскадра была вынуждена покинуть Балтийское море.

Вражеские адмиралы с сожалением признали: «Союзный флот не может предпринять ничего решительного: борьба с могучими укреплениями Кронштадта подвергла бы только бесполезному риску судьбу кораблей». Известная английская газета «Геральд» посмеивалась над вице-адмиралом Непиром: «Пришел, увидел и... не победил... Русские смеются, и мы смешны, в самом деле». Электрические мины, неизвестные в Европе, заставили отступить великолепнейший флот, какой когда-либо появлялся в море, он, как писала другая газета, не только «не подвинул вперед войны, но возвратился, не одержав ни одной победы».

Впервые индукционная катушка в качестве трансформатора была применена талантливым русским электротехником-изобретателем Павлом Николаевичем Яблоковым (1847-1894).

В 1876 г. он изобрел наменитую «электрическую свечу» - первый источник электрического света, получивший широкое применение и известный под названием «русского света». Благодаря своей простоте «электрическая свеча» в течение нескольких месяцев распространилась по всей Европе и даже достигла покоев персидского шаха и короля Камбоджи.

Для одновременного включения в электрическую сеть большого числа свечей Яблочков изобрел систему «дробления электрической энергии» посредством индукционных катушек. Патенты на «свечу» и схему их включения он получил в 1876 г. во Франции, куда вынужден был уехать из России, чтобы не попасть в «долговую» тюрьму. (Он владел небольшой электротехнической мастерской и увлекался экспериментированием с приборами, которые брал для ремонта, не всегда вовремя расплачиваясь с кредиторами.)

В разработанной Яблочковым системе «дробления электрической энергии» первичные обмотки индукционных катушек включались последовательно в сеть переменного тока, а во вторичные обмотки могло включаться различное число «свечей», режим работы которых не зависел от режима других. Как указывалось в патенте, такая схема позволяла «осуществлять раздельное питание нескольких осветительных приборов с разной силой света от единого источника электричества». Совершенно очевидно, что в этой схеме индукционная катушка работала в режиме трансформатора.

Если в первичную сеть включался генератор постоянного тока, Яблочков предусматривал установку специального прерывателя. Патенты на включение свечей посредством трансформаторов были получены Яблочковым во Франции (1876), Германии и Англии (1877), в России (1878). И когда несколько лет спустя начался спор о том, кому принадлежит приоритет в изобретении трансформатора, французское общество «Электрическое освещение», выдавшее 30 ноября 1876 г.ообщении подтверждало приоритет Яблочкова: в патенте «...был описан принцип действия и способы включения трансформатора». Сообщалось также, что «приоритет Яблочкова признан и в Англии».

Схема «дробления электрической энергии» посредством трансформаторов демонстрировалась на электрических выставках в Париже и Москве. Эта установка была прообразом современной электрической сети с основными элементами: первичный двигатель - генератор - линия передачи - трансформатор - приемник. Выдающиеся заслуги Яблочкова в развитии электротехники были отмечены высшей наградой Франции - Орденом Почетного легиона.

В 1882 г. лаборант Московского университета И.Ф. Усагин демонстрировал на Промышленной выставке в Москве схему «дробления» Яблочкова, но во вторичные обмотки катушек включил различные приемники: электродвигатель, нагревательную спираль, дуговую лампу, электрические свечи. Этим он впервые продемонстрировал универсальность переменного тока и был награжден серебряной медалью.

Как уже отмечалось, в установке Яблочкова трансформатор не имел замкнутого магнитопровода, что вполне удовлетворяло техническим требованиям: при последовательном включении первичных обмоток включение и выключение одних потребителей во вторичных обмотках не влияло на режим работы других.

Изобретения Яблочкова дали мощный толчок применению переменного тока. В разных странах стали создаваться электротехнические предприятия для изготовления генераторов переменного тока и совершенствования аппаратов для его трансформации.

Когда возникла необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния, использование для этих целей постоянного тока высокого напряжения оказалось неэффективным. Первая электропередача на переменном токе была осуществлена в 1883 г. для освещения Лондонского метрополитена, длина линии составляла около 23 км. Напряжение повышалось до 1500 В с помощью трансформаторов, созданных в 1882 г. во Франции Л. Голяром и Д. Гиббсом. Эти трансформаторы также были с разомкнутым магнитопроводом, но предназначались уже для преобразования напряжения и имели коэффициент трансформации, отличный от единицы. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, первичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичная обмотка была секционирована, и каждая секция имела два вывода для подключения приемников. Изобретатели предусмотрели выдвижение сердечников для регулирования напряжения на вторичных обмотках.

Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод и их первичные обмотки включены параллельно. При параллельном включении приемников применение разомкнутого магнитопровода технически не оправданно. Было установлено, что трансформатор с замкнутым магнитопроводом обладает лучшими рабочими характеристиками, имеет меньшие потери и больший КПД. Поэтому по мере увеличения дальности электропередачи и повышения напряжения в линиях стали конструировать трансформатор с замкнутым магни1884 г. в Англии братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами. Магнитопровод был набран из стальных изолированных друг от друга полос, что снижало потери на вихревые токи. На магнитопроводе располагались, чередуясь, катушки высокого и низкого напряжения. На нецелесообразность эксплуатации трансформатора с замкнутым магнитопроводом при последовательном соединении первичных обмоток впервые указал американский электротехник Р. Кеннеди в 1883 г., подчеркнув, что изменение нагрузки во вторичной цепи одного трансформатора будет влиять на работу других потребителей. Это возможно устранить при параллельном включении обмоток. Первый патент на такие трансформаторы получил М. Дери (в феврале 1885 г.). В последующих схемах электропередачи высокого напряжения первичные обмотки стали включаться параллельно.

Наиболее совершенные однофазные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом были разработаны в 1885 г. венгерскими электротехниками: М. Дери (1854-1934), О. Блати (1860-1939) и К. Циперновским (1853-1942). Они же впервые применили термин «трансформатор». В патентной заявке они указали на важную роль замкнутого шихтованного магнитопровода, в особенности для мощных силовых трансформаторов. Ими же были предложены три модификации трансформаторов, применяющихся до настоящего времени: кольцевой, броневой и стержневой. Такие трансформаторы серийно выпускались электромашиностроительным заводом «Ганц и Ко» в Будапеште. Они содержали все элементы современных трансформаторов.

Первый автотрансформатор был создан электриком американской фирмы «Вестингауз» В. Стенлеем в 1885 г., его успешное испытание состоялось в г. Питсбурге.

Большое значение для повышения надежности трансформаторов имело введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д. Свинберн). Первые трансформаторы Свинберн помещал в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток. Все это способствовало широкому применению однофазных трансформаторов в целях освещения. Наиболее мощная установка фирмы «Ганц и Ко» была сооружена в Риме в 1886 г. (15000 кВА). Одной из первых электростанций, построенных фирмой в России, была станция в Одессе для освещения нового оперного театра, широко известного в Европе.

Триумф переменного тока. Трехфазные системы

80-е годы XIX в. вошли в историю электротехники под названием «трансформаторных битв». Успешная эксплуатация однофазных трансформаторов стала убедительным аргументом в пользу применения переменного тока. Но владельцы крупных электротехнических фирм, выпускавших оборудование на постоянном токе, не желали терять прибыли и всячески препятствовали внедрению переменного тока, особенно для электропередачи на большие расстояния.

Щедро оплачиваемые журналисты распространяли о переменном токе всяческие небылицы. Противником переменного тока выступил и знаменитый американский изобретатель Т.А. Эдисон (1847-1931). После создания трансформатора отказался присутствовать на его испытании. «Нет, нет, - воскликнул он, - переменный ток - это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем!» Биографы Эдисона утверждают, что, прожив долгую жизнь, изобретатель убедился в своих ошибочных взглядах и много бы отдал, чтобы вернуть свои слова обратно.

Об остроте трансформаторных битв образно писал известный русский физик А.Г. Столетов в 1889 г. в журнале «Электричество»: «Невольно вспоминается та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве по поводу недавнего проекта фирмы «Ганц и Ко» осветить часть Москвы. И в устных докладах, и в газетных статьях система обличалась как нечто еретическое, нерациональное и, безусловно, гибельное: доказывалось, что трансформаторы начисто запрещались во всех порядочных государствах Запада и терпятся разве в какой-нибудь Италии, падкой на дешевизну». Далеко не всем известно, что введение казни на электрическом стуле в штате Нью-Йорк в 1889 г. с использованием переменного тока высокого напряжения бизнесмены от электротехники также стремились использовать для компрометации переменного тока, опасного для жизни человека.

Создание надежных однофазных трансформаторов открыло дорогу строительству электростанций и линии передач однофазного тока, который стал широко использоваться для электрического освещения. Но в связи с развитием промышленности, строительством крупных заводов и фабрик все более остро стала ощущаться потребность в простом экономичном электродвигателе. Как известно, однофазные двигатели переменного тока не имеют начального пускового момента и не могли использоваться для целей электропривода. Так в середине 80-х годов XIX в. возникла комплексная энергетическая проблема: необходимо было создать установки для экономичной передачи электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния и разработать конструкцию простого и высокоэкономичного электродвигателя переменного тока, удовлетворявшего требованиям промышленного электропровода.

Благодаря усилиям ученых и инженеров разных стран эта проблема была успешно решена на базе многофазных электрических систем. Эксперименты показали, что наиболее целесообразной из них является трехфазная система. Наибольших успехов в разработке трехфазных систем добился выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский (1862-1919), вынужденный долгие годы жить и работать в Германии. В 1881 г. он был отчислен из Рижского политехнического института за участие в студенческом революционном движении без права поступления в высшее учебное заведение России.

В 1889 г. он изобрел удивительно простой трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, конструкция которого в принципе сохранилась и до наших дней. Но для передачи электроэнергии при высоком напряжении нужно было три однофазных трансформатора, что значительно удорожало всю установку. В том же 1889 г. Доливо-Добровольский, проявив незаурядныеретателя, создает трехфазный трансформатор.

Но к той конструкции, которая подобно асинхронному двигателю в принципе сохранилась до настоящего времени, он пришел не сразу. Вначале это был аппарат с радиальным расположением сердечников. Его конструкция еще напоминает электрическую машину без воздушного зазора с выступающими полюсами, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было несколько конструкций «призматического» типа. Наконец, в 1891 г. ученый получил патент на трехфазный трансформатор с параллельным расположением сердечников в одной плоскости, подобный современному.

Генеральным испытанием трехфазной системы с использованием трехфазных трансформаторов стала знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача, сооруженная в 1891 г. в Германии при активном участии Доливо-Добровольского, разработавшего для нее необходимое оборудование. Близ местечка Лауфен у водопада на реке Неккар была сооружена гидростанция, гидротурбина которой могла развивать полезную мощность около 300 л.с. Вращение передавалось на вал трехфазного синхронного генератора. Посредством трехфазного трансформатора мощностью 150 кВА (таких трансформаторов ранее никто не изготавливал), электроэнергия при напряжении 15 кВ передавалась по трехпроводной линии передач на огромное для того времени расстояние (170 км) во Франкфурт-на-Майне, где открывалась международная техническая выставка. КПД передачи превышал 75%. Во Франкфурте на выставочной площадке был установлен трехфазный трансформатор, понижавший напряжение до 65 В. Выставку освещало 1000 электрических ламп. В зале установили трехфазный асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт, приводивший в действие гидравлический насос, который подавал воду для ярко освещенного декоративного водопада. Налицо была своеобразная энергетическая цепь: искусственный водопад создавался энергией естественного водопада, удаленного от первого на 170 км. Впечатлительные посетители выставки были потрясены чудесными способностями электрической энергии.

Эта передача явилась подлинным триумфом трехфазных систем, мировым признанием выдающегося вклада в электротехнику, сделанного М.О. Доливо-Добровольским. С 1891 г. ведет свое начало современная электрификация.

С ростом мощности трансформаторов начинается строительство электростанций и энергетических систем. Зарождается и стремительно развивается электропривод, электротранспорт, электротехнология. Небезынтересно заметить, что первой самой мощной в мире электростанцией с трехфазными генераторами и трансформаторами была станция обслуживания первого в России промышленного предприятия с трехфазным электрооборудованием. Это был Новороссийский элеватор. Мощность синхронных генераторов электростанции составляла 1200 кВА, трехфазные асинхронные двигатели мощностью от 3,5 до 15 кВт приводили в действие различные механизмы и машины, а часть электроэнергии использовалась для освещения.

Постепенно электрификация затрагивала все новые отрасли птво, связь, быт, медицину - этот процесс углублялся и расширялся, электрификация принимала массовый характер.

В течение XX в. в связи с созданием мощных объединенных энергосистем, увеличением дальности передачи электрической энергии, повышением напряжения ЛЭП возрастали требования к техническим, эксплуатационным характеристикам трансформаторов. Во второй половине XX в. значительный прогресс в производстве мощных силовых трансформаторов был связан с применением для магнитопроводов холоднокатаной электротехнической стали, что позволило увеличить индукцию и уменьшить сечение и вес сердечников. Суммарные потери в трансформаторах снижались до 20%. Оказалось возможным уменьшить размеры охлаждающей поверхности масляных баков, что привело к уменьшению количества масла и снижению общего веса трансформаторов. Непрерывно совершенствовалась технология и автоматизация производства трансформаторов, внедрялись новые методы расчета прочности и устойчивости обмоток, стойкости трансформаторов к воздействию усилий при коротких замыканиях. Одна из актуальных проблем современного трансформаторостроения - достижение динамической стойкости мощных трансформаторов.

Огромные перспективы на пути увеличения мощности силовых трансформаторов открываются при использовании сверхпроводниковой технологии. Применение нового класса магнитных материалов - аморфных сплавов, по оценкам специалистов, может снизить потери энергии в сердечниках до 70%.

Трансформатор на службе радиоэлектроники и электросвязи

После открытия Г. Герцем (1857-1894) в 1888 г. электромагнитных волн и создания в 1904-1907 годах первых электронных ламп появились реальные предпосылки для осуществления беспроводной связи, необходимость в которой все возрастала. Неотъемлемым элементом схем для генерирования электромагнитных волн высокого напряжения и частоты, а также для усиления электромагнитных колебаний стал трансформатор.

Одним из первых ученых, исследовавших волны Герца, был талантливый сербский ученый Никола Тесла (1856-1943), которому принадлежит более 800 изобретений в области электротехники, радиотехники и телемеханики и которого американцы называли «королем электричества». В своей лекции, прочитанной во Франклиновском университете в Филадельфии в 1893 г., он вполне определенно высказался о возможности практического применения электромагнитных волн. «Я хотел бы, - говорил ученый, - сказать несколько слов о предмете, который все время у меня на уме, который затрагивает благосостояние всех нас. Я имею в виду передачу осмысленных сигналов, быть может, даже энергии на любое расстояние вовсе без проводов. С каждым днем я все больше убеждаюсь в практической осуществимости этой схемы».

Экспериментируя с колебаниями высокой частоты и стремясь осуществить идею «беспроводной связи», Тесла в 1891 г. создает один из самых оригинальных приборов своего времени. Ученому пришла счастливая мысль - соединить в одном приборе свойства трансформатора «резонанс-трансформатор», сыгравший огромную роль в развитии многих отраслей электротехники, радиотехники и широко известный под названием «трансформатора Теслы». Между прочим, с легкой руки французских электриков и радистов этот трансформатор назывался просто «Тесла».

В приборе Теслы первичная и вторичная обмотка были настроены в резонанс. Первичная обмотка была включена через разрядник с индукционной катушкой и конденсаторами. При разряде изменение магнитного поля в первичной цепи вызывает во вторичной обмотке, состоящей из большого числа витков, ток весьма большого напряжения и частоты.

Современные измерения показали, что с помощью резонансного трансформатора можно получить высококачественные напряжения с амплитудой до одного миллиона вольт. Тесла указал, что, изменяя емкость конденсатора, можно получить электромагнитные колебания с различной длиной волны.

Ученый предлагал использовать резонанс-трансформатор для возбуждения «проводника-излучателя», поднятого высоко над землей и способного передавать энергию высокой частоты без проводов. Очевидно, что «излучатель» Теслы был первой антенной, нашедшей широчайшее применение в радиосвязи. Если бы ученый создал чувствительный приемник электромагнитных волн, он бы пришел к изобретению радио.

Биографы Теслы считают, что до А.С. Попова и Г. Маркони Тесла был ближе всех к этому открытию.

В 1893 г., за год до Рентгена, Тесла обнаружил «особые лучи», проникающие через предметы, непрозрачные для обычного света. Но он не довел эти исследования до конца, и между ним и Рентгеном надолго установились дружеские отношения. Во второй серии опытов Рентген использовал .

В 1899 г. Тесле удалось с помощью друзей соорудить научную лабораторию в Колорадо. Здесь на высоте двух тысяч метров он занялся изучением грозовых разрядов и установлением наличия электрического заряда земли. Он придумал оригинальную конструкцию «усиливающего передатчика», напоминающего трансформатор и позволяющего получать напряжения до нескольких миллионов вольт при частоте до 150 тысяч периодов в секунду. К вторичной обмотке он присоединил мачту высотой около 60 м. При включении передатчика Тесле удалось наблюдать огромные молнии, разряд длиной до 135 футов и даже гром. Он снова возвращался к мысли об использовании токов высокой частоты для «освещения, нагрева, передвижения электрического транспорта на земле и в воздухе», но, естественно, реализовать свои идеи он в то время не мог. Резонанс-трансформатор Теслы нашел свое применение в радиоприемной технике начала XX в. Его конструктивная модификация изготовлялась фирмой «Маркони» под названием «джиггера» (сортировщика) и использовалась также для очищения сигнала от помех.

Проблемы дальности связи удалось решить с появлением усилителей. Трансформатор получил широкое применение в схемах усилителей, основанных на использовании изобретенной в 1907 г. американским радиотехником Лдионом».

В XX в. электроника прошла огромный путь от громоздких ламповых устройств до полупроводной техники, микроэлектроники и оптоэлектроники. И всегда неизменным элементом блоков питания и разных преобразовательных схем оставался трансформатор. За многие десятилетия усовершенствовалась технология изготовления маломощных (от доли ватта до нескольких ватт) трансформаторов. Их массовое производство потребовало применения специальных электротехнических материалов, в частности ферритов, для изготовления магнитопроводов, а также трансформаторов без сердечников для высокочастотных установок. Продолжаются исследования для изыскания более эффективных конструкций с использованием новейших достижений науки и техники.

Электрификация всегда являлась основой научно-технического прогресса. На ее базе непрерывно совершенствуются технологии в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, связи и строительстве. Невиданных успехов достигла механизация и автоматизация производственных процессов. Достижения мировой энергетики были бы невозможны без внедрения разнообразных и высокоэкономичных силовых и специальных трансформаторов.

Но из объективных законов развития науки и техники следует, что какие бы совершенные конструкции ни были созданы сегодня, они являются лишь ступенью на пути создания еще более мощных и уникальных трансформаторов.

К дуговым лампам сверхвысокого давления (ЛСВД) относят лампы, работающие при давлении от 10 × 10 5 Па и выше. При высоких давлениях газа или пара металла при сильном сближении электродов сокращаются прикатодные и прианодные области разряда. Разряд концентрируется в узкой веретенообразной области между электродами, причем его яркость, особенно вблизи катода, достигает очень больших значений.

Такой дуговой разряд представляет собой незаменимый источник света для приборов проекторного и прожекторного типов, а также ряда специальных областей применения.

Использование в лампах паров ртути или инертного газа придает им ряд особенностей. Получение паров ртути при соответствующем давлении, как это видно из сделанного рассмотрения высокого давления, в статье " ", достигается за счет дозировки ртути в колбе лампы. Разряд зажигается как ртутный низкого давления при температуре окружающей среды. Затем по мере разгорания и нагревания лампы давление возрастает. Рабочее давление определяется установившейся температурой колбы, при которой подводимая к лампе электрическая мощность становится равной мощности, рассеиваемой в окружающем пространстве излучением и теплоотдачей. Таким образом, первой особенностью ртутных ламп сверхвысокого давления является то, что они довольно легко зажигаются, но имеют сравнительно длительный период разгорания. При их погасании повторное зажигание может быть осуществлено, как правило, лишь после полного остывания. При наполнении ламп инертными газами разряд после зажигания практически мгновенно входит в установившийся режим. Зажигание разряда в газе при высоком давлении представляет определенные трудности и требует применения специальных зажигающих устройств. Однако после погасания лампа может быть зажжена вновь практически мгновенно.

Второй особенностью, отличающей ртутный разряд сверхвысокого давления с короткой дугой от соответствующих газовых, является его электрический режим. Вследствие большой разницы между градиентами потенциала в ртути и инертных газах при одинаковом давлении напряжение горения таких ламп существенно выше, чем с газовым наполнением, благодаря чему при равных мощностях ток последних значительно больше.

Третьим существенным различием является спектр излучения, который у ламп с газовым наполнением соответствует по спектральному составу дневному свету.

Отмеченные особенности привели к тому, что дуговые лампы часто используют для киносъемок и кинопроекции, в имитаторах солнечного излучения и других случаях, когда требуется правильная цветопередача.

Устройство ламп

Шаровая форма колбы ламп выбрана из условия обеспечения большой механической прочности при высоких давлениях и малых расстояниях между электродами (рисунок 1 и 2). Шаровая колба из кварцевого стекла имеет две диаметрально расположенные длинные цилиндрические ножки, в которых запаяны вводы, соединенные с электродами. Большая длина ножки необходима для удаления вывода от горячей колбы и предохранения его от окисления. В ртутных лампах некоторых типов имеется дополнительный электрод поджига в виде впаянной в колбу вольфрамовой проволоки.

Рисунок 1. Общий вид ртутно-кварцевых ламп сверхвысокого давления с короткой дугой различной мощности, Вт:
а - 50; б - 100; в - 250; г - 500; д - 1000

Рисунок 2. Общий вид ксеноновых шаровых ламп:
а - лампа постоянного тока мощностью 100 - 200 кВт; б - лампа переменного тока мощностью 1 кВт; в - лампа переменного тока мощностью 2 кВт; г - лампа постоянного тока мощностью 1 кВт

Конструкции электродов различны в зависимости от рода тока, который питает лампу. При работе на переменном токе, для которого предназначены ртутные лампы, оба электрода имеют одинаковую конструкцию (рисунок 3). Они отличаются от электродов трубчатых ламп той же мощности большей массивностью, обусловленной необходимостью снижения их температуры.

Рисунок 3. Электроды ртутных ламп переменного тока с короткой дугой:
а - для ламп мощностью до 1 кВт; б - для ламп мощностью до 10 кВт; в - сплошной электрод для мощных ламп; 1 - керн из торнированного вольфрама; 2 - покрывающая спираль из вольфрамовой проволоки; 3 - оксидная паста; 4 - газопоглотитель; 5 - основание из спеченного вольфрамового порошка с добавкой оксида тория; 6 - деталь из кованного вольфрама

При работе ламп на постоянном токе важное значение приобретает положение горения лампы, которое должно быть только вертикальным - анодом вверх для газовых ламп и предпочтительно анодом вниз - для ртутных ламп. Расположение анода внизу уменьшает устойчивость дуги, что важно, связано с противопотоком электронов, направленных вниз, и горячих газов, поднимающихся вверх. Верхнее положение анода вынуждает увеличивать его размеры, так как помимо его нагрева за счет большей мощности, рассеиваемой у анода, он дополнительно нагревается потоком горячих газов. У ртутных ламп анод располагают внизу в целях обеспечения более равномерного нагрева и соответственно сокращения времени разгорания.

Благодаря малому расстоянию между электродами ртутные шаровые лампы могут работать на переменном токе от сети напряжением 127 или 220 В. Рабочее давление паров ртути составляет в лампах мощностью 50 - 500 Вт соответственно (80 - 30) × 10 5 , а в лампах мощностью 1 - 3 кВт - (20 - 10) × 10 5 Па.

Лампы сверхвысокого давления с шаровой колбой чаще всего наполняют ксеноном из-за удобства его дозировки. Расстояние между электродами составляет у большинства ламп 3 - 6 мм. Давление ксенона в холодной лампе (1 - 5)× 10 5 Па для ламп мощностью от 50 Вт до 10 кВт. Такие давления делают лампы сверхвысокого давления взрывоопасными даже в нерабочем состоянии и требуют применения для их хранения специальных кожухов. Из-за сильной конвекции лампы могут работать только в вертикальном положении независимо от рода тока.

Излучение ламп

Высокие яркости ртутных шаровых ламп с короткой дугой получаются вследствие увеличения тока и стабилизации разряда у электродов, препятствующих расширению канала разряда. В зависимости от температуры рабочей части электродов и их конструкции можно получить различное распределение яркости. Когда температура электродов недостаточна для обеспечения тока дуги за счет термоэлектронной эмиссии, дуга стягивается у электродов в яркие светящиеся точки малых размеров и приобретает веретенообразную форму. Яркость вблизи электродов достигает 1000 Мкд/м² и более. Малые размеры этих областей приводят к тому, что их роль в общем потоке излучения ламп незначительна.

При стягивании разряда у электродов яркость растет с ростом давления и тока (мощности) и с уменьшением расстояния между электродами.

Если температура рабочей части электродов обеспечивает получение тока дуги за счет термоэлектронной эмиссии, то разряд как бы расползается по поверхности электродов. В этом случае яркость более равномерно распределяется вдоль разряда и по-прежнему возрастает с ростом тока и давления. Радиус канала разряда зависит от формы и конструкции рабочей части электродов и почти не зависит от расстояния между ними.

Световая отдача ламп возрастает с ростом их удельной мощности. При веретенообразной форме разряда световая отдача имеет максимум при определенном расстоянии между электродами.

Излучение ртутных шаровых ламп типа ДРШ имеет линейчатый спектр с сильно выраженным непрерывным фоном. Линии сильно расширены. Излучений с длинами волн короче 280 - 290 нм нет вообще, а благодаря фону доля красного излучения составляет 4 - 7 %.

Рисунок 4. Распределение яркости вдоль (1 ) и поперек (2 ) оси разряда ксеноновых ламп

Шнур разряда шаровых ксеноновых ламп постоянного тока при их работе в вертикальном положении анодом вверх имеет форму конуса, опирающегося своим острием на кончик катода и расширяющегося кверху. Около катода образуется маленькое катодное пятно очень высокой яркости. Распределение яркости в шнуре разряда остается одинаковым при изменении плотности тока разряда в весьма широких пределах, что дает возможность построить единые кривые распределения яркости вдоль и поперек разряда (рисунок 4). Яркость прямо пропорциональна мощности, приходящейся на единицу длины дугового разряда. Отношение светового потока и силы света в заданном направлении к длине дуги пропорционально отношению мощности к этой же длине.

Спектр излучения шаровых ксеноновых ламп сверхвысокого давления мало отличается от спектра излучения .

Мощные ксеноновые лампы имеют возрастающую вольт-амперную характеристику. Наклон характеристики растет с увеличением расстояния между электродами и давления. Анодно-катодное падение потенциала у ксеноновых ламп с короткой дугой составляет 9 - 10 В, причем на долю катода приходится 7 - 8 В.

Современные шаровые лампы сверхвысокого давления выпускают в различных конструктивных исполнениях, в том числе с разборными электродами и водяным охлаждением. Разработана конструкция специальной металлической разборной лампы-светильника типа ДКсРМ55000 и ряд других источников, применяемых в специальных установках.

Устройство, в котором свет создается за счет электрической дуги, создаваемой между двумя ЭЛЕКТРОДАМИ. Во многих современных дуговых лампах, используемых как источник яркого света, применяют металлические и ок-сидные электроды, погруженные в газ, который начинает светиться при возникновении дуги.

Смотреть значение Дуговая Лампа в других словарях

Лампа — ж. немецк. сосуд разного вида и устройства, для освещения жилья маслом, ворванью, жидким салом; лампа обычно со стеклом, иногда с часовым ходом, для накачиванья масла;........
Толковый словарь Даля

Лампа — лампы, ж. (фр. lampe). 1. Прибор, наполняемый горючим веществом для искусственного освещения. Керосиновая лампа. Спиртовая лампа. || Приспособление для электрического освещения.........
Толковый словарь Ушакова

Лампа Ж. — 1. Осветительный или нагревательный прибор различного вида и устройства.
Толковый словарь Ефремовой

Лампа-вспышка Ж. — 1. Портативный импульсный источник света для кратковременного и интенсивного освещения объектов во время фотосъемки; фотовспышка.
Толковый словарь Ефремовой

Лампа — -ы; ж. [франц. lampe]
1. Осветительный прибор (различного вида и устройства). Электрическая л. Керосиновая л. Настольная л. Л. дневного света (электрическая лампа, источником........
Толковый словарь Кузнецова

Ценовая Эластичность Дуговая — эластичность, которая измеряется как средняя на дуге кривой
спроса и
предложения.
Экономический словарь

Лампа — Заимствование из немецкого, в котором Lampe восходит к французскому lampe от латинского lampas, в свою очередь восходящему к греческому слову, давшему, кстати, и лампада.
Этимологический словарь Крылова

Бактерицидная Лампа — см. лампа бактерицидная.
Словарь микробиологии

Лампа Бактерицидная — газоразрядный источник УФ–излучения, используемый для стерилизации воздуха и некоторых жидкостей. Наполнена инертным газом (напр., ксеноном) с небольшим количеством........
Словарь микробиологии

— газоразрядный источник света, в котором при электрическом разряде в парах ртути возникает оптическое излучение, главным образом в УФ и видимой областях спектра. Используется........
Словарь микробиологии

Бактерицидная Лампа — ртутная лампа низкого давления с колбой из увиолевого стекла, испускающая ультрафиолетовое излучение с максимумом, соответствующим длине волны 253,7 нм; является основным........
Большой медицинский словарь

Бестеневая Лампа — см. Светильник бестеневой.
Большой медицинский словарь

— см. лампа ртутная.
Словарь микробиологии

— источник ультрафиолетового излучения в виде трубки из кварцевого стекла с металлическими электродами, из которой удален воздух и добавлено небольшое количество паров........
Большой медицинский словарь

Лампа Инфракрасного Излучения — физиотерапевтический аппарат, представляющий собой укрепленный на штативе и снабженный рефлектором электронагревательный элемент, максимум излучения которого находится........
Большой медицинский словарь

Лампа Ультрафиолетового Излучения — (УФЛ; син. ртутно-кварцевая лампа нрк) - физиотерапевтический аппарат, представляющий собой источник ультрафиолетового излучения (дуговую ртутную трубчатую горелку)........
Большой медицинский словарь

Лампа-соллюкс — см. Соллюкс-лампа.
Большой медицинский словарь

Ланге Лампа — (О. Ланге, отеч. офтальмолог конца 19 в.) лампа для диафаноскопии глаза, отличающаяся тем, что имеет конденсор в форме усеченного конуса, дающий узкий концентрированный........
Большой медицинский словарь

Галогенная Лампа — лампа накаливания, в состав газовой смеси которой кромеинертного газа входят галогены (обычно иод или бром). При одинаковых собычной лампой накаливания мощности и сроке........

Генераторная Лампа — электронная лампа для преобразования энергииисточника тока в энергию электромагнитных колебаний. Применяют врадиопередатчиках, измерительных приборах, установках........
Большой энциклопедический словарь

Минина Лампа — (А. В. Минин, 1851-1909, отеч. врач) портативный аппарат для светолечения, представляющий собой лампу накаливания синего цвета с параболическим рефлектором, укрепленным на ручке.
Большой медицинский словарь

Налобная Лампа — см. Налобный осветитель.
Большой медицинский словарь

Дуговая Печь — электрическая печь для плавки металлов и других материалов,в которой используется тепловой эффект электрической дуги. По способунагрева подразделяются на печи прямого........
Большой энциклопедический словарь

Дуговая Сварка — (электродуговая сварка) - вид сварки, при которой кромкисвариваемых металлических частей расплавляют дуговым разрядом междуэлектродом и металлом в месте соединения.
Большой энциклопедический словарь

Дуговая Угольная Лампа — газоразрядный источник света, в которомиспользуется излучение электрического разряда между угольными электродами.Изобретена в 1876 П. Н. Яблочковым. Применяют в прожекторах,кинопроекционных........
Большой энциклопедический словарь

Зеленая Лампа — литературное общество в Санкт-Петербурге (1819-20), политературно-политической ориентации связанное с "Союзом благоденствия".Участвовали Н. В. Всеволожский (основатель),........
Большой энциклопедический словарь

Импульсная Лампа — источник света, предназначенный для получениякратковременных световых вспышек высокой интенсивности, в которомиспользуется свечение низкотемпературной плазмы.........
Большой энциклопедический словарь

Погружная Лампа В Медицинской Технике — осветитель операционного поля в глубине раны, представляющий собой длинный гибкий стержень с электрической лампочкой на конце или гибкий световод от внешнего источника........
Большой медицинский словарь

Криптоновая Лампа — лампа накаливания, колба которой заполнена Kr. Посравнению с лампами той же мощности, заполненными смесью азота и аргона,имеет повышенную (на 15-20%) световую отдачу, малые размеры.
Большой энциклопедический словарь

Ксеноновая Лампа — газоразрядный источник света высокого и сверхвысокогодавления, в котором дуговой разряд происходит в атмосфере Xe. Представляетсобой заполненную Xe кварцевую колбу........
Большой энциклопедический словарь