变压器

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变压器发展

  1831年8月29日,法拉第采用磁生电的实验。用7/8英寸的铁棍,圆环外径6英寸;A是三段各24英尺长铜线绕成的线圈(三段间可根据需要串联);B是50英尺铜线绕成的2个线圈(2个线圈可以串联);1为电池;2为开关;3为检流器。实验时,当合上开关2后,法拉第发现检流器3摆动,即线圈B和检流器3中有电流流过。也就是说,法拉第通过这个实验发现了电磁感应现象。法拉第进行这个实验的装置(法拉第感应线圈)实际上是世界上第一只变压器雏形,以后法拉第又作了数次实验,同年10月28日还制成了第一台圆盘式直流发电机。同年11月24日,法拉第向英国皇家学会报告了他的实验及其发现,从而使法拉第被公认为电磁感应现象的发现者,他也顺理成章地成为变压器的发明人。

  但实际上最早发明变压器的是美国著名科学家亨利。1830年8月,时为纽约奥尔巴尼(Albang)学院教授的亨利利用学院假期,采用实验装置进行磁生电实验。当他合上开关K,发现检流计P的指针摆动;打开开关K,又发现检流计P的指针向相反方向摆动。实验中,当打开开关K时,亨利还在线圈B的两端间观察到了火花。亨利还发现,改变线圈A和B的匝数,可以将大(Intensity)电流变为小(Quantity)电流,也可将小电流变为大电流。实际上,亨利这个实验是电磁感应现象的非常直观的关键性实验,亨利这个实验装置也实际上是一台变压器的雏形。但是,亨利做事谨慎,他没有急于发表他的实验成果,他还想再做一些实验。然而假期已过,他只得将这件事搁置一旁。后来他又进行了多次实验,直到1832年才将实验论文发表在《美国科学和艺术杂志》第7期上。1884年3月4日,高兰德和吉布斯在美国申请第一个有关开路铁心变压器的专利(№.297924)—“产生和利用二次电流的装置”

  1885年,高兰德和吉布斯受岗茨工厂变压器的启发,研究采用闭路铁心结构的变压器。1886年3月6日,他们在美国申请有关闭合磁路变压器的专利(№.351589)。图17为1886年制造的闭路铁心式高兰德—吉布斯二次发电机。
3 齐伯诺夫斯基—德里—布拉什(Z-D-B)变压器

  高兰德—吉布斯二次发电机(变压器)虽然开辟了变压器的实际应用领域,但早期这种变压器存在某些先天不足,如开路铁心、原边线圈串联等。首先对此质疑和作出改进的是匈牙利岗茨工厂(Ganz)的三个年轻工程师布拉什(O.T.Blathy,1860~1939)、齐伯诺夫斯基(C.Zipernowsky, 1853~1942)和德里(M.Deri,1854~1938)。

  布拉什1883年进入岗茨工厂,长期担任技术负责人。他一生发明颇丰,曾获得100多项专利权,包括变压器、电压调整器、汽轮发电机等。布拉什是首次研究交流发电机并联运行人之一,他还发明了许多电机设计程序和设计计算方法。另外,他在1885年首先引入单词“Transformer”(变压器),这一简明传神的术语很快为人们所认同和接受,迅速取代以往采用的“感应线圈”、“二次发电机”等术语,一直沿用至今。

  齐伯诺夫斯基是1878年成立的岗茨工厂电气部的奠基人之一。1893年,他提任匈牙利布达佩斯技术大学的电气教授。他一生取得40多项专利权,曾任匈牙利电工学会主席30年。

  德里1882年加入岗茨工厂,他长期在销售部工作,但对电机和变压器颇有研究。他曾设计复激交流发电机,还发明了以他名字命名的双电刷推斥式电动机—德里电动机。

  1884年,意大利都灵技术博览会召开,布拉什和岗茨工厂一批技术人员参观了该博览会,见到了会上展出的高兰德—吉布斯二次发电机。布拉什当时敏锐地觉察到这种二次发电机有很大发展前途,注意到这种变压器的优点及不足之处。在博览会上,布拉什曾问高兰德:“为什么你们的二次发电机不采用闭路铁心?”高兰德不假思索地回答:“采用闭路铁心非常危险,而且很不经济。”

  1884年7月,布拉什从都灵回到布达佩斯后,立即将都灵博览会上的所见所闻告诉了齐伯诺夫斯基和达里,他们决定立即进行变压器的改进实验。布拉什建议采用闭路铁心,齐伯诺夫斯基建议将原边线圈串联改为并联,并和德里一道进行研究实验。1884年8月7日,他们在岗茨工厂实验杂志上介绍了有关闭合磁路铁心的变压器

  1884年冬,德里在维也纳贸易联合会展示了他们的发明。1885年1月2日,齐伯诺夫斯基和德里在奥地利申请第一个有关并联运行变压器的专利(№.37/101),图19为该专利中的附图。同年2月2日他们三人在奥地利和德国申请第二个变压器专利(奥地利专利№.35/2446,德国专利№.40414)。
1884年9月16日,岗茨工厂制成的第一台变压器(1400W,f=Hz,120/72V,变比1.67),它是一台单相壳式、闭路铁心(铁丝)变压器。同年,岗茨工厂还制造了另外4台变压器。图20为最原始的Z-D-B变压器。

  1885年5月1日,匈牙利布拉佩斯国家博览会开幕,一台150V、70Hz单相交流发电机发出的电流,经过75台岗茨工厂5kVA变压器(闭路铁心,并联,壳式)降压,点燃了博览会场的1067只爱迪生灯泡,其光耀夺目的壮观场面轰动了世界。所以,后来人们把1885年5月1日作为现代实用变压器的诞生日而加以纪念。布达佩斯博览会使岗茨工厂名扬四海,博览会期间工厂就接到一批订单。

  1885年6月至10月,Z-D-B变压器参加了伦敦发明展览会,并在会上作了演示。高兰德—吉布斯公司的工程师贝尔费尔德(R.Belfield)参观了伦敦发明展览会,对Z-D-B变压器很感兴趣。1885年5月7日,齐伯诺夫斯基、德里和布拉什在美国申请第一个闭路铁心
变压器及交流配电系统的专利(№.352105)。

  齐伯诺夫斯基—德里—布拉什(Z-D-B)变压器是变压器技术发展史上的重要里程碑,它所采用的闭路铁心、原边并联等基本结构一直沿用至今。可以说Z-D-B变压器已使现代变压器的结构基本定型,从此变压器正式进入交流电流的输电、配电领域,有力地推动了交流电流的普及应用,促进了现代交流电机的发展。

  1888年,岗茨工厂向德国西门子—哈尔斯克(Simens-Halske)公司转让变压器专利权。不久,另外两家德国公司也购买了岗茨工厂的变压器专利权。1890年,法国、西班牙的公司也购买了岗茨的变压器专利。从19世纪80年代后期开始,变压器在欧洲迅速推广,到1889年已总共生产1000台变压器,到1899年突破10000台。在20世纪20年代前,岗茨工厂在变压器制造领域一直保持世界领先水平。

  19世纪80年代初,当欧洲人正致力于改进变压器、探索变压器应用领域的时候,大洋彼岸美国的爱迪生公司正沉醉于在直流电系统方面的成功及由此带来的丰厚利润之中,对交流电系统、对变压器不屑一顾。但此时,由火车空气制动器起家的威斯汀豪斯(W.Westinghouse,1846~1914)正想涉足交流电领域。1885年春,他漫游欧洲,参观了伦敦和布达佩斯,与当时欧洲发明家也有接触,对高兰德—布吉斯二次发电机很感兴趣,当即决定购买几台二次发电机。1885年5月,西屋空气制动器公司的年轻工程师潘塔伦里(Pantaleoni)因父亲病逝,回意大利奔丧,他到都灵拜会他的大学老师时,遇到正在都灵技术博览会的高兰德,当时高兰德正安装Lanzo和Circe间的交流系统。潘塔伦里对此十分感兴趣,立即给威斯汀豪期打电报,报告他的观感。威斯汀豪斯十分重视,回电潘塔伦里,要他与高兰德联系,买下高兰德、吉布斯在美国申请的有关变压器的独家专有权。经友好协商,高兰德同意了威斯汀豪斯的要求。

  1885年9月1日,西屋空气制动器公司订购的高兰德—吉布斯二次发电机和西门子Siemens公司单相交流发电机从欧洲运到美国。

  1885年11月23日,贝尔费尔德(R.Belfield)作为高兰德—吉布斯的全权代表到达美国匹兹堡,向西屋空气制动器公司转让变压器技术,并帮助该公司设计新型(闭路铁心)变压器。1886年1月5日,他到Great Barrington,帮助斯坦利(W.Stanley,时为威斯汀豪斯的助手)建设。运行Great Barrington 3000V交流输电线。1886年3月20日,美国第一条交流输电线建成投入运行,这标志美国电气时代的真正开始!

  威斯汀豪斯除了以实业家胆识招揽人才、购买专利、订购设备、发展交流电系统和变压器外,还身体力行,潜心于变压器的研究。1886年1月8日,他组建威斯汀豪斯电气公司(西屋电气公司),大踏步地进入电气(主要是交流电)领域,正式进入变压器的研究和工业化生产。1886年2月,他申请了有关配电系统和闭路铁心变压器的2项美国专利(№.342552和№.342553)。图23为西屋公司最早的变压器。1888年,西屋公司制成40盏电灯用2kW变压器。1891年,西屋公司制成第一台充油变压器10kV电与威斯汀豪斯积极开拓、发展变压器工业成为鲜明对照的,是爱迪生对变压器的漠视和短视态度。当时,爱迪生电灯公司的电灯和直流发电机独霸北美大陆,远销欧洲。爱迪生踌躇满志,对刚刚出现的交流电供电系统既不屑一顾,又怀有一丝敌意(这为以后的美国交直流之战埋下了种子)。1885年,爱迪生公司代表李博(J.W.Lieb)参观都灵博览会,见到了展出的交流电配电系统和变压器。但李博与爱迪生一样,是一名顽固的直流主义者,他向爱迪生打了一报告,报告了他的观感,对会上展出的交流配电系统和变压器横加挑剔指责。这份报告也更坚定了爱迪生反对交流电的决心。1886年,布拉什到美国,会见爱迪生,双方签订了一个协议,由爱迪生公司出资2万美元购买岗茨工厂在美国申请的变压器的的独家专利使用权。但是,爱迪生公司出资压根就不想发展交流电系统和变压器,签订这项协议只不过是让其它公司发展交流电、发展变压器的一种策略。因此,这一纸协议的直接后果是阻碍了Z-D-B变压器在美国的推广应用。这种情况直到1892年,爱迪生公司合并为通用电气公司后才得以根本改变。

  在美国变压器发展史上,还有两个人也作出了不可磨灭的贡献。他们是斯坦利(W.Stanley,1856~1927)和斯特拉(N.Tesla,1856~1943)。

  斯坦利1883年开始接触交流电,对变压器在交流电系统中的作用有深刻的论述。他曾多次称变压器是“heart of the alternating current system”(交流电系统的心脏)。1883~1884年,他在自己的小型实验室里就进行过变压器的研究。1884年2月,他受雇于威斯汀豪斯,成为他的助手,主持设计制造交流系统及变压器。1885年9月29日制成美国第一台原边线圈并联、闭合磁路铁心的变压器(图25),并在西屋空气制动器公司车间里进行了试验。1885年10月23日,他在美国申请第一个有关闭路铁心变压器的专利(№.349612);同年11月23日,他提出3个专利,其中2个带变压器的配电系统的专利(№.372943和№.372944),1个是开路铁心变压器的专利(№.349611),这4个专利都转让给了威斯汀豪斯。1885年12月,他主持建设美国第一个交流输电系统—Great Barringto交流输电系统。1886年3月20日,该系统建成投运。1890年他离开西屋电气公司,1891年他在Pittsfield组建斯坦利电气制造公司,继续研制变压器。图26为斯坦利公司的一种商用变压器。1891年,斯坦利公司制成25kVA商用变压器(图27)。1892年,斯坦利公司研制成15kV变压器,使美国交流电输电电压一举突破10kV,从而打开了高电压输电的大门。斯坦利也因而赢得了“电气传输之父”的美名。1903年,他将公司并入GE公司。在GE公司,他继续指导GE公司开发变压器。因此使西屋公司和GE公司早期的变压器技术同宗同源,都是采用壳式变压器结构,直到1918年GE公司改用心式变压器后,两者才分道扬辘。