電力變壓器——線圈的游戲

1831年8月29日，法拉第通過實驗發現了電磁感應現象。法拉第進行這個實驗的裝置(法拉第感應線圈)實際上是世界上只電力變壓器雛形，以后法拉第又作了數次實驗，同年10月28日還制成了臺圓盤式直流發電機。同年11月24日，法拉第向英國皇家學會報告了他的實驗及其發現，從而使法拉第被公認為電磁感應現象的發現者，他也順理成章地成為電力變壓器的發明人。

　　電力變壓器根據電磁感應定律，將交流電變換為同頻率、不同電壓交流電，因此，變壓器是隨著電磁感應現象的發現而誕生，經過許多科學家不斷完善、改進而形成的。

　　現代變壓器主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵芯(磁芯)。主要功能有:電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩壓(磁飽和變壓器)等。按用途可以分為:電力變壓器和特殊變壓器(電爐變、整流變、工頻試驗變壓器、調壓器、礦用變、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、沖擊變壓器、儀用變壓器、電子變壓器、電抗器、互感器等)。

法拉第

　　但實際上最早發明電力變壓器的是美國科學家亨利。1830年8月，時為紐約奧爾巴尼(學院教授的亨利利用學院假期，進行磁生電實驗。實際上，亨利這個實驗是電磁感應現象的非常直觀的關鍵性實驗，亨利這個實驗裝置也實際上是一臺變壓器的雛形。但是，亨利做事謹慎，他沒有急于發表他的實驗成果，他還想再做一些實驗。然而假期已過，他只得將這件事擱置一旁。后來他又進行了多次實驗，直到1832年才將實驗論文發表在《美國科學和藝術雜志》第7期上。但是，在此以前，法拉第首先公布了他的電磁感應實驗，介紹了他的實驗裝置，因此電磁感應現象的發明權只能歸法拉弟，變壓器的發明權也非法拉弟莫屬了。亨利雖然非常遺憾地與電磁感應現象的發現權和變壓器的發明權擦肩而過，但他在電學上的貢獻、對變壓器發明的貢獻則是有目共睹的。特別值得一提的是，亨利實驗裝置比法拉弟感應線圈更接近于現代通用的電力變壓器。

　　從現代變壓器原理來看，法拉弟感應線圈是一只單心閉合磁路雙繞組式變壓器。由于當時沒有交流電源，所以它是一種原始的脈沖變壓器，而亨利變壓器則是一種原始的雙心開路磁路雙繞組式脈沖變壓器。

現代電力變壓器

　　德國技師魯姆科爾夫在電力變壓器發明史上是一個貢獻較大的人。他制造了一些優良的感應線圈。1851年，他提出個感應火花線圈(變壓器)的專利，后來，魯姆科爾夫對該線圈進行了改進，如將以前采用的水銀開關改為酒精開關，不但可消除開關火花，而且可防止氧化；此外，他還在原邊線圈接入電容器以提高感應電壓。魯姆科爾夫線圈由于功率較大，不但可用作實驗，而且還可用于放電治療。因此可以說，魯姆科爾夫感應線圈是個有實用價值的變壓器。

　　之后，許多人對感應線圈進行了研究，提出了一些改進建議。例如，美國人富勒在19世紀70年代初對感應線圈進行了理論研究，提出感應線圈應采用閉合鐵心，原邊線圈采用并聯而不是當時大多數感應線圈所采用的串聯。但是他的想法生前只向他的上司談過，直到他死后不久，人們發現他的手稿。1879年2月，人們將他的手稿整理發表，他關于感應線圈的設想才得以公諸于世。

　　19世紀80年代后，交流電進入人類社會生活，變壓器的原理也為許多人所了解，人們自然而然想到將變壓器用于實際交流電路中。在這方面邁出步并做出重大貢獻的是法國人高蘭德和英國人吉布斯。1882年9月13日，它們在英國申請了個感應線圈及其供電系統的專利(№.4362)，他們稱這種感應線圈為“Secondary generator”(二次發電機)。

　　1882年10月7日，他們制成了臺3000V/100V的二次發電機，1983年又制成一臺容量約5kVA的二次發電機在倫敦郊外一個小型電工展覽會上展出表演。當年，他們為倫敦市區鐵路提供了幾臺小型電力變壓器。1884年，他們在意大利都靈技術博覽會上展出了他們的變壓器，并表演了交流遠距離輸電。采用開磁路變壓器串聯交流輸電系統，將30kW、133Hz的交流電輸送到40km遠處。

應用廣泛的電力變壓器

　　高蘭德—吉布斯二次發電機(變壓器)雖然開辟了電力變壓器的實際應用領域，但早期這種變壓器存在某些先天不足，如開路鐵心、原邊線圈串聯等。首先對此質疑和作出改進的是匈牙利崗茨工廠的三個年輕工程師布拉什、齊伯諾夫斯基和德里。

　　1884年，意大利都靈技術博覽會召開，布拉什和崗茨工廠一批技術人員參觀了該博覽會，見到了會上展出的高蘭德—吉布斯二次發電機。布拉什當時敏銳地覺察到這種二次發電機有很大發展前途，注意到這種變壓器的優點及不足之處。

　　1884年7月，布拉什從都靈回到布達佩斯后，立即將都靈博覽會上的所見所聞告訴了齊伯諾夫斯基和達里，他們決定立即進行變壓器的改進實驗。布拉什建議采用閉路鐵心，齊伯諾夫斯基建議將原邊線圈串聯改為并聯，并和德里一道進行研究實驗。1884年8月7日，他們在崗茨工廠實驗雜志上介紹了有關閉合磁路鐵心的變壓器。

　　1885年5月1日，匈牙利布拉佩斯博覽會開幕，一臺150V、70Hz單相交流發電機發出的電流，經過75臺崗茨工廠5kVA變壓器(閉路鐵心，并聯，殼式)降壓，點燃了博覽會場的1067只愛迪生燈泡，其光耀奪目的壯觀場面轟動了世界。所以，后來人們把1885年5月1日作為現代實用變壓器的誕生日而加以紀念。布達佩斯博覽會使崗茨工廠名揚四海，博覽會期間工廠就接到一批訂單。

電力變壓器有利于遠程輸電減少損耗

　　齊伯諾夫斯基—德里—布拉什(Z-D-B)變壓器是電力變壓器技術發展史上的重要里程碑，它所采用的閉路鐵心、原邊并聯等基本結構一直沿用至今。可以說Z-D-B變壓器已使現代變壓器的結構基本定型，從此變壓器正式進入交流電流的輸電、配電領域，有力地推動了交流電流的普及應用，促進了現代交流電機的發展。