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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Transformator. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Ein Transformator ist ein statisches elektromagnetisches Gerät, das über zwei oder mehr induktiv gekoppelte Wicklungen in einem beliebigen Magnetkreis verfügt und dazu bestimmt ist, durch elektromagnetische Induktion ein oder mehrere Wechselstromsysteme (Spannungen) in ein oder mehrere andere Systeme (Spannungen) umzuwandeln, ohne sich zu verändern die Frequenz. Der Transformator führt die Umwandlung von Wechselspannung und/oder die galvanische Trennung in einer Vielzahl von Anwendungen durch – elektrische Energie, Elektronik und Funktechnik. Konstruktiv kann ein Transformator aus einer (Spartransformator) oder mehreren isolierten Draht- oder Bandwicklungen (Spulen) bestehen, die von einem gemeinsamen Magnetfluss bedeckt sind und in der Regel auf einen Magnetkern (Kern) aus ferromagnetischem weichmagnetischem Material gewickelt sind.
Über das physikalische Wesen des Phänomens der Stromtransformation wurde bereits im Kapitel über das Telefon berichtet. Zur Erfindung dieses bemerkenswerten Gerätes, mit dem viele große und kleine Probleme der Elektrotechnik gelöst werden konnten, müssen jedoch noch einige Worte gesagt werden. Es ist ganz logisch zu behaupten, dass der erste Transformator gleichzeitig mit der Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion erschien. Eines von Faradays Experimenten war, dass er den Strom von der Batterie durch die Windungen der Spule ließ. In diesem Fall entstand ein Strom in den Wicklungen der zweiten Spule, die sich in der Nähe befand, aber in keiner Weise mit der ersten verbunden war. Der momentane Stromdurchgang wurde mit einem Galvanometer aufgezeichnet. Faraday selbst hat diesen Effekt jedoch nie zur Spannungswandlung genutzt.
1848 lenkte Rumkorff als erster die Aufmerksamkeit der Physiker auf die erstaunliche Fähigkeit eines Transformators, Ströme mit sehr hoher Spannung zu erzeugen. Es vergingen jedoch noch einige Jahre, bis es ihm gelang, ein funktionierendes Modell dieses Geräts zu erstellen. So entstand 1852 die berühmte Ruhmkorff-Induktionsspule, die in der Technikgeschichte eine große Rolle spielte. Bei der Herstellung dieses ersten Transformators hatte der Erfinder erhebliche Schwierigkeiten zu überwinden. Um die Zahl der Windungen in der Wicklung der Sekundärspule zu erhöhen, musste Ruhmkorff einen sehr dünnen Draht verwenden und gleichzeitig sorgfältig darauf achten, dass die Hochspannung seine Isolierung nicht durchbrach. Nachdem er mehrere Kilometer haardünnen Draht gekauft hatte, isolierte er ihn sorgfältig und wickelte dann sorgfältig Spule für Spule auf die Spule. Mit Hilfe seiner Spule konnte Ruhmkorf sehr hohe Spannungsschwingungen erzeugen. Gleichstrom kann nicht transformiert werden. Um den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom umzuwandeln, schaltete Ruhmkorf einen Unterbrecher in Reihe mit der Primärspule ein, der den Strom des Primärkreises periodisch schloss und öffnete (normalerweise mit einer Frequenz von mehreren zehn bis mehreren hundert Mal pro zweite). Wenn der Primärstrom von der Batterie geschlossen wurde, wurde in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert, die im gleichen Verhältnis wie die Anzahl der Windungen in der Sekundär- und Primärwicklung höher war als die Primärwicklung. Wenn der Primärstrom geöffnet wurde, wurde in der Sekundärseite eine noch höhere Spannung induziert. Sein Wert war umso größer, je schneller die Öffnung des Stroms verlief. Als Unterbrecher diente ein Federblech, das vom Kern der Spule angezogen wurde und den Stromkreis öffnete. Die Häufigkeit der Unterbrechungen hing von der Masse und Elastizität der Feder, von der Windungszahl der Primärwicklung und von der Spannung der Batterie ab.
Über mehrere Jahrzehnte wurden Transformatoren in der Technik fast nicht eingesetzt und hatten ausschließlich wissenschaftliche Anwendungen. Erst Ende der 70er Jahre wurden Induktionsspulen in großem Umfang in Telefonapparaten und in der elektrischen Beleuchtung eingesetzt. Tatsache ist, dass Elektroingenieure nach der Verbreitung der Yablochkov-Kerze in Europa mit dem sogenannten Problem der "Zerkleinerung" elektrischer Energie konfrontiert waren. Sie war wie folgt. In der Regel sollten viele Glühbirnen von einem Stromaggregat versorgt werden. Wenn viele Kerzen in Reihe geschaltet wurden, wurde der Netzwerkbetriebsmodus instabil. Das Erlöschen nur einer Kerze war gleichbedeutend mit dem Aufbrechen des Netzwerks, woraufhin der Rest der Kerzen erlosch. Würden die Kerzen parallel zum Stromkreis geschaltet, dann würde meist nur die mit dem geringsten Widerstand leuchten (denn der Strom fließt ja bekanntlich immer entlang der Linie des geringsten Widerstandes). Wenn diese Kerze vollständig ausgebrannt war, leuchtete die nächste auf, deren Widerstand am geringsten war, und so weiter. Angesichts dieses Problems schlug Yablochkov vor, Induktionsspulen zu verwenden, um die Energie zu "zerkleinern". Bei dieser Verbindung wurden die Primärwicklungen der Spulen in Reihe geschaltet, und je nach Parameter konnten eine, zwei, drei oder mehr Kerzen in die Sekundärwicklung aufgenommen werden. Die Spulen arbeiteten gleichzeitig im Transformatormodus und lieferten die erforderliche Spannung am Ausgang. Beim Erlöschen der Lampe wurde der Stromkreis nicht unterbrochen, sodass einzelne Kerzen weiter brannten. Mit der Entwicklung der Wechselstromtechnik sind Transformatoren wichtig geworden. 1882 meldeten Golyar und Gibbs ein Patent für einen Transformator an, der nicht nur zum „Zerkleinern“ von Energie, sondern auch zum Umwandeln von Spannung diente.
Auf einem Holzständer war eine bestimmte Anzahl vertikaler Induktionsspulen befestigt, deren Primärwicklungen in Reihe geschaltet waren. Die Sekundärwicklungen waren in Abschnitte unterteilt, und jeder Abschnitt hatte ein Paar Klemmen zum Anschließen von Stromempfängern, die unabhängig voneinander wirkten. Der Widerstand im Primärkreis (und damit die Stromstärke) konnte durch Verschieben der Kerne in den Spulen eingestellt werden. Die Kerne der Primär- und Sekundärwicklungen waren nicht miteinander verbunden, daher hatten diese Transformatoren ein offenes Magnetsystem. Es wurde jedoch bald festgestellt, dass der Transformator viel besser funktioniert, wenn die Sekundär- und Primärspule auf einen einzigen Kern gelegt werden - die Energieverluste werden reduziert und der Wirkungsgrad steigt. Der erste derartige Transformator mit geschlossenem Magnetsystem wurde 1884 von den englischen Erfinderbrüdern Johns und Edward Hopkinson geschaffen.
Der Kern dieses Transformators bestand aus Stahlbändern oder -drähten, die durch Isoliermaterial getrennt waren, was die Energieverluste aufgrund von Wirbelströmen reduzierte. Auf diesen Kern wurden abwechselnd Spulen höherer und niedrigerer Spannung gelegt. 1885 bewies der ungarische Elektroingenieur Dery, dass Transformatoren in einem Stromkreis parallel geschaltet werden sollten, und meldete ein Patent für diese Verbindungsmethode an. Erst danach begann die industrielle Produktion von Einphasen-Wechselstromtransformatoren. Da leistungsstarke Transformatoren während ihres Betriebs einer erheblichen Überhitzung ausgesetzt waren, wurde ein Ölkühlsystem entwickelt (ein Keramikgefäß mit Öl wurde in den Transformator gestellt). Auch in einem Drehstromsystem haben sich Transformatoren als äußerst nützlich erwiesen. Generell hätte sich das Drehstromsystem in den ersten Jahren seines Bestehens nicht so durchgesetzt, wenn es nicht die Probleme der Energieübertragung über große Entfernungen gelöst hätte. Aber eine solche Übertragung ist, wie unten gezeigt wird, nur bei Hochspannung vorteilhaft, die im Fall von Wechselstrom mittels eines Transformators erhalten wird. Das Drehstromsystem stellte keine grundsätzlichen Schwierigkeiten für die Leistungstransformation dar, erforderte jedoch drei Einphasentransformatoren anstelle eines Einphasensystems. Eine solche Zunahme der Anzahl ziemlich teurer Geräte konnte nur den Wunsch wecken, eine zufriedenstellendere Lösung zu finden. 1889 erfand Dolivo-Dobrovolsky einen Dreiphasentransformator mit einer radialen Anordnung von Kernen. In diesem Fall befanden sich die Hoch- und Niederspannungswicklungen jeder Phase auf den entsprechenden radialen Kernen, und der Magnetfluss befand sich auf der Außenhülle (Außenjoch). Dann stellte Dolivo-Dobrovolsky fest, dass es einfacher war, die Stäbe mit Wicklungen parallel zu platzieren und die Enden der Stäbe (Kerne) mit demselben Joch zu verbinden. Dann stellte sich das ganze System als kompakter heraus. Diese Art von Transformator wird "prismatisch" genannt.
Schließlich meldete Dolivo-Dobrovolsky im Oktober 1891 ein Patent für einen Dreiphasentransformator mit parallelen Stäben an, die sich in derselben Ebene befinden. Sein Design erwies sich als so erfolgreich, dass es bis heute ohne grundlegende Änderungen überlebt hat. Autor: Ryzhov K.V.
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