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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Trasformatore. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Il trasformatore è un dispositivo elettromagnetico statico che ha due o più avvolgimenti accoppiati induttivamente su qualsiasi circuito magnetico ed è progettato per convertire, attraverso l'induzione elettromagnetica, uno o più sistemi (tensioni) di corrente alternata in uno o più altri sistemi (tensioni), senza modificare la frequenza. Il trasformatore esegue la conversione della tensione alternata e/o l'isolamento galvanico in un'ampia varietà di applicazioni: energia elettrica, elettronica e radioingegneria. Strutturalmente, un trasformatore può essere costituito da uno (autotrasformatore) o più avvolgimenti di filo o nastro isolati (bobine), coperti da un flusso magnetico comune, avvolti, di regola, su un nucleo magnetico (nucleo) di materiale magnetico dolce ferromagnetico.
L'essenza fisica del fenomeno della trasformazione attuale è già stata riportata nel capitolo sul telefono. È necessario, tuttavia, spendere qualche parola in più sull'invenzione di questo straordinario dispositivo, che ha permesso di risolvere molti grandi e piccoli problemi di ingegneria elettrica. È abbastanza logico affermare che il primo trasformatore sia apparso contemporaneamente alla scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Uno degli esperimenti di Faraday è stato quello di far passare la corrente dalla batteria attraverso gli avvolgimenti della bobina. In questo caso si è formata una corrente negli avvolgimenti della seconda bobina, che era vicina, ma non era in alcun modo collegata alla prima. Il passaggio istantaneo della corrente è stato registrato da un galvanometro. Lo stesso Faraday, tuttavia, non ha mai utilizzato questo effetto per convertire la tensione.
Nel 1848, Ruhmkorff fu il primo ad attirare l'attenzione dei fisici sulla straordinaria capacità di un trasformatore di creare correnti ad altissima tensione. Ma sono passati diversi anni prima che riuscisse a creare un modello funzionante di questo dispositivo. Di conseguenza, nel 1852 apparve la famosa bobina di induzione Ruhmkorff, che ebbe un ruolo enorme nella storia della tecnologia. Nella realizzazione di questo primo trasformatore, l'inventore dovette superare notevoli difficoltà. Per aumentare il numero di spire nell'avvolgimento della bobina secondaria, Ruhmkorff ha dovuto utilizzare un filo molto sottile e allo stesso tempo osservare attentamente che l'alta tensione non rompesse il suo isolamento. Dopo aver acquistato diversi chilometri di filo sottile come un capello, lo isolò con cura e poi avvolse accuratamente bobina per bobina sulla bobina. Con l'aiuto della sua bobina, Ruhmkorff potrebbe generare oscillazioni di voltaggio molto elevate. La corrente continua non può essere trasformata. Per trasformare la corrente continua della batteria in corrente alternata, Ruhmkorff ha attivato un interruttore in serie con la bobina primaria, che periodicamente chiudeva e apriva la corrente del circuito primario (di solito con una frequenza da diverse decine a diverse centinaia di volte per secondo). Quando la corrente primaria è stata chiusa dalla batteria, è stata indotta una tensione nell'avvolgimento secondario, che era superiore al primario nello stesso rapporto del numero di spire negli avvolgimenti secondari e primari. Quando la corrente primaria è stata aperta, è stata indotta una tensione ancora più elevata nel secondario. Il suo valore era tanto maggiore quanto più veloce andava l'apertura della corrente. Come interruttore è stata utilizzata una piastra a molla, che è stata attratta dal nucleo della bobina e ha aperto il circuito. La frequenza delle interruzioni dipendeva dalla massa e dall'elasticità della molla, dal numero di spire dell'avvolgimento primario e dalla tensione della batteria.
Per diversi decenni, i trasformatori non sono stati quasi utilizzati nella tecnologia e hanno avuto applicazioni esclusivamente scientifiche. Fu solo alla fine degli anni '70 che le bobine a induzione iniziarono ad essere ampiamente utilizzate negli apparecchi telefonici e nell'illuminazione elettrica. Il fatto è che dopo la diffusione della candela Yablochkov in Europa, gli ingegneri elettrici hanno affrontato il cosiddetto problema della "frantumazione" dell'energia elettrica. Era la seguente. Di norma, molte lampadine dovevano essere alimentate da un gruppo elettrogeno. Nel frattempo, quando molte candele sono state collegate in serie, la modalità di funzionamento della rete è diventata instabile. L'estinzione di una sola candela equivaleva a rompere la rete, dopodiché il resto delle candele si è spento. Se le candele fossero collegate in parallelo al circuito, di solito si accenderebbe solo quella con la minor resistenza (perché la corrente, come sai, scorre sempre lungo la linea di minor resistenza). Quando questa candela si è completamente esaurita, quella successiva, la cui resistenza era minima, si è accesa e così via. Di fronte a questo problema, Yablochkov ha suggerito di utilizzare bobine di induzione per "frantumare" l'energia. Con questo collegamento, gli avvolgimenti primari delle bobine erano collegati in serie e una, due, tre o più candele potevano essere incluse nell'avvolgimento secondario, a seconda dei suoi parametri. Le bobine funzionavano contemporaneamente in modalità trasformatore, fornendo la tensione richiesta in uscita. Quando la lampada si è spenta, il circuito non è stato interrotto, tanto che le singole candele hanno continuato a bruciare. Con lo sviluppo della tecnologia della corrente alternata, i trasformatori sono diventati importanti. Nel 1882, Golyar e Gibbs hanno ottenuto un brevetto per un trasformatore, che è stato utilizzato non solo per "frantumare" l'energia, ma anche per convertire la tensione.
Un certo numero di bobine di induzione verticali erano fissate su un supporto di legno, i cui avvolgimenti primari erano collegati in serie. Gli avvolgimenti secondari erano divisi in sezioni e ciascuna sezione aveva una coppia di terminali per il collegamento di ricevitori di corrente, che agivano indipendentemente l'uno dall'altro. La resistenza nel circuito primario (e, di conseguenza, l'intensità della corrente) può essere regolata spostando i nuclei all'interno delle bobine. I nuclei degli avvolgimenti primario e secondario non erano interconnessi, quindi questi trasformatori avevano un sistema magnetico aperto. Tuttavia, è stato presto notato che se le bobine secondarie e primarie sono poste su un unico nucleo, il trasformatore funzionerà molto meglio: le perdite di energia saranno ridotte e l'efficienza aumenterà. Il primo trasformatore di questo tipo con un sistema magnetico chiuso fu creato nel 1884 dai fratelli Johns ed Edward Hopkinson, inventori inglesi.
Il nucleo di questo trasformatore era costituito da nastri o fili di acciaio separati da materiale isolante, che riduceva le perdite di energia dovute alle correnti parassite. Su questo nucleo sono state posizionate alternativamente bobine di tensione superiore e inferiore. Nel 1885, l'ingegnere elettrico ungherese Dery dimostrò che i trasformatori dovrebbero essere collegati in parallelo in un circuito e ottenne un brevetto per questo metodo di connessione. Solo in seguito iniziò la produzione industriale di trasformatori CA monofase. Poiché i potenti trasformatori hanno subito un surriscaldamento significativo durante il loro funzionamento, è stato sviluppato un sistema di raffreddamento dell'olio (un recipiente in ceramica con olio è stato posizionato all'interno del trasformatore). I trasformatori si sono rivelati estremamente utili anche in un sistema trifase. In generale, il sistema a corrente trifase non avrebbe ricevuto un uso così diffuso nei primissimi anni della sua esistenza se non avesse risolto i problemi di trasmissione dell'energia su lunghe distanze. Ma tale trasmissione, come verrà mostrato in seguito, è vantaggiosa solo ad alta tensione, che, nel caso di corrente alternata, è ottenuta per mezzo di un trasformatore. Il sistema trifase non presentava difficoltà fondamentali per la trasformazione di potenza, ma richiedeva tre trasformatori monofase invece di uno con sistema monofase. Un tale aumento del numero di dispositivi piuttosto costosi non poteva che suscitare il desiderio di trovare una soluzione più soddisfacente. Nel 1889 Dolivo-Dobrovolsky inventò un trasformatore trifase con una disposizione radiale dei nuclei. In questo caso, gli avvolgimenti di alta e bassa tensione di ciascuna fase erano posizionati sui corrispondenti nuclei radiali e il flusso magnetico era sul guscio esterno (giogo esterno). Quindi Dolivo-Dobrovolsky scoprì che era più facile posizionare le aste con gli avvolgimenti in parallelo e collegare le estremità delle aste (nuclei) con lo stesso giogo. Quindi l'intero sistema si è rivelato più compatto. Questo tipo di trasformatore è chiamato "prismatico".
Infine, nell'ottobre 1891, Dolivo-Dobrovolsky ottenne un brevetto per un trasformatore trifase con aste parallele posizionate sullo stesso piano. Il suo design si è rivelato un tale successo che è sopravvissuto fino ad oggi senza modifiche fondamentali. Autore: Ryzhov KV
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