變壓器是根據電磁感應定律，將交流電變換為同頻率、不同電壓交流電的非旋轉式電機。因此，變壓器(qi)是隨著電磁感應(ying)現(xian)象的發現(xian)而誕(dan)生，經過(guo)許多(duo)科學(xue)家不斷完善(shan)、改進而形成的。

1  變壓器的雛形—感應線圈

    1888年，英國著(zhu)名(ming)物理(li)學家(jia)弗(fu)來明(J.A.Fleming,1849-1945)在他(ta)的(de)(de)名(ming)著(zhu)《The Alternating Current Transformers》(交流變(bian)壓(ya)器)中開宗明義地說：“At the head of this long line of illustrious investigators stand the pre-eminent names of Faraday and Henry. On the foundation-stons of truth laid done by them all subsequent builders have been content to rest”(在一大批研究變(bian)壓(ya)器的(de)(de)杰出人士(shi)中，領頭的(de)(de)是巨人法拉(la)弟和(he)亨利，他(ta)們奠定了真理(li)的(de)(de)基石，而所有后來者則致力于大廈的(de)(de)完成(cheng))。

    所以，追(zhui)溯變壓器的(de)發明(ming)史，還(huan)得從法拉弟和亨利說起。

1831年8月29日，法(fa)(fa)拉(la)第(di)采用圖1所(suo)示的(de)(de)實驗(yan)裝(zhuang)(zhuang)置進(jin)行磁(ci)(ci)生電(dian)(dian)的(de)(de)實驗(yan)。圖1中(zhong)，圓(yuan)(yuan)環用7/8英寸的(de)(de)鐵棍制(zhi)成(cheng)(cheng)，圓(yuan)(yuan)環外(wai)徑6英寸；A是(shi)(shi)(shi)三段各24英尺(chi)長銅(tong)(tong)線(xian)繞成(cheng)(cheng)的(de)(de)線(xian)圈(quan)(quan)(三段間可根據需要串聯(lian))；B是(shi)(shi)(shi)50英尺(chi)銅(tong)(tong)線(xian)繞成(cheng)(cheng)的(de)(de)2個線(xian)圈(quan)(quan)(2個線(xian)圈(quan)(quan)可以(yi)串聯(lian))；1為(wei)(wei)電(dian)(dian)池(chi)；2為(wei)(wei)開關；3為(wei)(wei)檢流器。實驗(yan)時，當合上開關2后(hou)，法(fa)(fa)拉(la)第(di)發(fa)(fa)(fa)現(xian)檢流器3擺動，即線(xian)圈(quan)(quan)B和檢流器3中(zhong)有電(dian)(dian)流流過。也就(jiu)是(shi)(shi)(shi)說(shuo)，法(fa)(fa)拉(la)第(di)通過這個實驗(yan)發(fa)(fa)(fa)現(xian)了(le)(le)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)感應現(xian)象。法(fa)(fa)拉(la)第(di)進(jin)行這個實驗(yan)的(de)(de)裝(zhuang)(zhuang)置(法(fa)(fa)拉(la)第(di)感應線(xian)圈(quan)(quan)，圖2)實際上是(shi)(shi)(shi)世(shi)界上第(di)一(yi)只變壓(ya)器雛形，以(yi)后(hou)法(fa)(fa)拉(la)第(di)又(you)作了(le)(le)數次實驗(yan)，同年10月28日還制(zhi)成(cheng)(cheng)了(le)(le)第(di)一(yi)臺圓(yuan)(yuan)盤式直(zhi)流發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)機(ji)。同年11月24日，法(fa)(fa)拉(la)第(di)向(xiang)英國(guo)皇(huang)家學會報告了(le)(le)他(ta)的(de)(de)實驗(yan)及其(qi)發(fa)(fa)(fa)現(xian)，從而使法(fa)(fa)拉(la)第(di)被(bei)公認為(wei)(wei)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)感應現(xian)象的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)現(xian)者(zhe)，他(ta)也順理成(cheng)(cheng)章地成(cheng)(cheng)為(wei)(wei)變壓(ya)器的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)明(ming)人。

圖1  法拉第實驗裝置原(yuan)理圖(1831年8月29日)

但實(shi)(shi)(shi)際(ji)上(shang)最早發明變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)是(shi)美(mei)國著名科學家亨(heng)利。1830年8月，時為紐約奧爾巴尼(Albang)學院教授的(de)亨(heng)利利用(yong)學院假(jia)期，采用(yong)圖(tu)3所示的(de)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)裝(zhuang)(zhuang)置進行(xing)磁(ci)生電(dian)(dian)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)。當(dang)他(ta)(ta)合上(shang)開(kai)(kai)關K，發現檢(jian)流(liu)計(ji)P的(de)指針擺(bai)動(dong)；打(da)開(kai)(kai)開(kai)(kai)關K，又發現檢(jian)流(liu)計(ji)P的(de)指針向(xiang)相反方向(xiang)擺(bai)動(dong)。實(shi)(shi)(shi)驗(yan)中，當(dang)打(da)開(kai)(kai)開(kai)(kai)關K時，亨(heng)利還(huan)(huan)在(zai)(zai)線(xian)圈(quan)(quan)B的(de)兩端間觀察到(dao)了(le)火花。亨(heng)利還(huan)(huan)發現，改變(bian)線(xian)圈(quan)(quan)A和(he)(he)B的(de)匝數，可以(yi)將(jiang)(jiang)大(da)(Intensity)電(dian)(dian)流(liu)變(bian)為小(Quantity)電(dian)(dian)流(liu)，也(ye)可將(jiang)(jiang)小電(dian)(dian)流(liu)變(bian)為大(da)電(dian)(dian)流(liu)。實(shi)(shi)(shi)際(ji)上(shang)，亨(heng)利這個(ge)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)是(shi)電(dian)(dian)磁(ci)感應現象的(de)非(fei)常直(zhi)觀的(de)關鍵性實(shi)(shi)(shi)驗(yan)，亨(heng)利這個(ge)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)裝(zhuang)(zhuang)置也(ye)實(shi)(shi)(shi)際(ji)上(shang)是(shi)一(yi)(yi)臺變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)雛形(xing)。但是(shi)，亨(heng)利做事(shi)謹慎，他(ta)(ta)沒有急于發表他(ta)(ta)的(de)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)成果(guo)，他(ta)(ta)還(huan)(huan)想再(zai)做一(yi)(yi)些實(shi)(shi)(shi)驗(yan)。然(ran)而假(jia)期已過，他(ta)(ta)只得將(jiang)(jiang)這件(jian)事(shi)擱置一(yi)(yi)旁。后來他(ta)(ta)又進行(xing)了(le)多次實(shi)(shi)(shi)驗(yan)，直(zhi)到(dao)1832年才將(jiang)(jiang)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)論(lun)文發表在(zai)(zai)《美(mei)國科學和(he)(he)藝術雜(za)志》第7期上(shang)。但是(shi)，在(zai)(zai)此以(yi)前(qian)，法(fa)拉第

圖2  法拉(la)第感應(ying)線圈

圖3  亨利實驗(yan)裝置原(yuan)理圖(1830年8月)

首先公布了(le)他(ta)的(de)(de)電磁(ci)感應(ying)實(shi)驗，介(jie)紹了(le)他(ta)的(de)(de)實(shi)驗裝(zhuang)置(zhi)(zhi)，因此電磁(ci)感應(ying)現(xian)(xian)象(xiang)的(de)(de)發(fa)明(ming)(ming)權(quan)只能歸法(fa)拉弟(di)(di)，變(bian)壓器的(de)(de)發(fa)明(ming)(ming)權(quan)也非法(fa)拉弟(di)(di)莫屬了(le)。亨利(li)雖(sui)然非常遺(yi)憾地與電磁(ci)感應(ying)現(xian)(xian)象(xiang)的(de)(de)發(fa)現(xian)(xian)權(quan)和變(bian)壓器的(de)(de)發(fa)明(ming)(ming)權(quan)擦肩而(er)過(guo)，但他(ta)在電學上的(de)(de)貢(gong)獻(xian)、對變(bian)壓器發(fa)明(ming)(ming)的(de)(de)貢(gong)獻(xian)則是有目共睹的(de)(de)。特別值得一提的(de)(de)是，亨利(li)實(shi)驗裝(zhuang)置(zhi)(zhi)比法(fa)拉弟(di)(di)感應(ying)線圈更接(jie)近于現(xian)(xian)代通用(yong)的(de)(de)變(bian)壓器。

    從現代(dai)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)器(qi)(qi)原理來看，法拉(la)弟(di)感應線圈是一(yi)只單心閉合磁(ci)路雙繞組(zu)式變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)器(qi)(qi)。由于(yu)當時沒有(you)交流電源，所以它是一(yi)種(zhong)原始的脈沖變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)器(qi)(qi)，而(er)亨利(li)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)器(qi)(qi)則是一(yi)種(zhong)原始的雙心開路磁(ci)路雙繞組(zu)式脈沖變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)器(qi)(qi)。

1835年，美(mei)國物理(li)學家(jia)佩奇(C.J.Page,1812～1868)制成圖(tu)4所示(shi)的(de)(de)感應線(xian)圈，該線(xian)圈是世界上第一只自耦變壓(ya)器，利用自動錘(chui)的(de)(de)振動使(shi)水銀接(jie)通或斷開電(dian)(dian)路。在副邊線(xian)圈感生的(de)(de)電(dian)(dian)動勢(shi)能使(shi)一個真空管的(de)(de)電(dian)(dian)火花達4.5英寸(cun)長。

圖4  佩(pei)奇感(gan)應(ying)線圈原理(li)圖

    1837年，英國(guo)牧師卡蘭(N.J.Callan)將(jiang)佩奇變壓器分(fen)成無電(dian)氣連接(jie)的兩部(bu)分(fen)(圖5)，當打開(kai)開(kai)關M、斷開(kai)線圈(quan)A的電(dian)路(lu)時，則線圈(quan)B的兩端(duan)間S將(jiang)會產生(sheng)火花。

圖5  卡蘭感應線圈原理(li)圖

    與(yu)法拉弟、亨利(li)的變壓器(qi)(qi)一樣，佩奇(qi)和(he)卡蘭變壓器(qi)(qi)都是(shi)利(li)用(yong)(yong)斷續(xu)直流工作的設備，只能用(yong)(yong)于(yu)實(shi)驗觀察(cha)，都無實(shi)際(ji)應用(yong)(yong)價值。

    德國技(ji)師魯(lu)姆(mu)(mu)科(ke)爾(er)夫(fu)(H.D.Ruhmkorff,1803～1877)在(zai)(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)發明史上(shang)(shang)是一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)貢獻(xian)較(jiao)大(da)的(de)人。他(ta)(ta)生于(yu)德國，后(hou)到巴黎定居(ju)，并(bing)自設(she)精密機(ji)械制造工場。魯(lu)姆(mu)(mu)科(ke)爾(er)夫(fu)在(zai)(zai)理論上(shang)(shang)并(bing)無建樹，但(dan)他(ta)(ta)善于(yu)研(yan)究他(ta)(ta)人的(de)建議(yi)，并(bing)利用(yong)(yong)他(ta)(ta)心靈手巧(qiao)的(de)特(te)長付(fu)諸實(shi)踐，制造了(le)一(yi)(yi)些優良(liang)的(de)感(gan)(gan)(gan)應(ying)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)。1842年(nian)，在(zai)(zai)Masson和(he)Brequet的(de)指導下，他(ta)(ta)開(kai)(kai)(kai)(kai)始對(dui)卡蘭(lan)變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)進(jin)行研(yan)究。1850年(nian)制成第(di)(di)一(yi)(yi)只感(gan)(gan)(gan)應(ying)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(Inductorium)。1851年(nian)，他(ta)(ta)提出(chu)第(di)(di)一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)感(gan)(gan)(gan)應(ying)火(huo)花線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(變(bian)壓(ya)器(qi)(qi))的(de)專利，魯(lu)姆(mu)(mu)科(ke)爾(er)夫(fu)感(gan)(gan)(gan)應(ying)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)如(ru)圖(tu)6、圖(tu)7所示。鐵(tie)心用(yong)(yong)軟鐵(tie)絲制成，原(yuan)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)包繞(rao)在(zai)(zai)鐵(tie)心上(shang)(shang)，副(fu)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)則(ze)包繞(rao)在(zai)(zai)原(yuan)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)上(shang)(shang)。原(yuan)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)由蓄電(dian)池供電(dian)，并(bing)通過一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)磁(ci)化鐵(tie)心機(ji)構反復開(kai)(kai)(kai)(kai)、合水(shui)銀開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)，使(shi)原(yuan)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)中通以(yi)(yi)脈動直流(liu)(liu)電(dian)反復改(gai)變(bian)方向(xiang)。副(fu)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)中則(ze)感(gan)(gan)(gan)應(ying)一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)交變(bian)電(dian)流(liu)(liu)。與以(yi)(yi)前(qian)的(de)感(gan)(gan)(gan)應(ying)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)相比(bi)，魯(lu)姆(mu)(mu)科(ke)爾(er)夫(fu)感(gan)(gan)(gan)應(ying)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)有較(jiao)大(da)的(de)改(gai)進(jin)。首先副(fu)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)的(de)絕(jue)緣(yuan)更加可(ke)靠，線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)用(yong)(yong)涂漆銅線(xian)(xian)(xian)(xian)繞(rao)成，線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)層間用(yong)(yong)紙或(huo)漆稠絕(jue)緣(yuan)，副(fu)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)與原(yuan)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)則(ze)用(yong)(yong)一(yi)(yi)只玻璃(li)管隔開(kai)(kai)(kai)(kai)；其次(ci)，魯(lu)姆(mu)(mu)科(ke)爾(er)夫(fu)采用(yong)(yong)E.English和(he)C.Bright的(de)發明，將副(fu)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)分(fen)成幾段，各(ge)段間彼此(ci)(ci)分(fen)開(kai)(kai)(kai)(kai)，然后(hou)串(chuan)在(zai)(zai)一(yi)(yi)起。這樣(yang)可(ke)使(shi)電(dian)位(wei)差最大(da)的(de)點(出(chu)線(xian)(xian)(xian)(xian)端S—S)之間的(de)距離最遠(yuan)。后(hou)來，魯(lu)姆(mu)(mu)科(ke)爾(er)夫(fu)對(dui)該線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)進(jin)行了(le)改(gai)進(jin)，如(ru)將以(yi)(yi)前(qian)采用(yong)(yong)的(de)水(shui)銀開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)改(gai)為酒(jiu)精開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)，不(bu)但(dan)可(ke)消除開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)火(huo)花，而且可(ke)防止氧(yang)化；此(ci)(ci)外，他(ta)(ta)還在(zai)(zai)原(yuan)邊(bian)(bian)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)接(jie)入(ru)電(dian)容器(qi)(qi)以(yi)(yi)提高感(gan)(gan)(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)。魯(lu)姆(mu)(mu)科(ke)爾(er)夫(fu)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)由于(yu)功率較(jiao)大(da)，不(bu)但(dan)可(ke)用(yong)(yong)作實(shi)驗，而且還可(ke)用(yong)(yong)于(yu)放電(dian)治(zhi)療。因(yin)此(ci)(ci)可(ke)以(yi)(yi)說，魯(lu)姆(mu)(mu)科(ke)爾(er)夫(fu)感(gan)(gan)(gan)應(ying)線(xian)(xian)(xian)(xian)圈(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)(quan)是第(di)(di)一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)有實(shi)用(yong)(yong)價值的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)。 

圖6  魯(lu)姆(mu)科爾夫感應線圈示意圖

圖7  魯姆科(ke)爾夫感(gan)應線圈(1850年)

圖(tu)8  魯姆科(ke)爾夫感(gan)應線圈及復(fu)原圖(tu)

    為(wei)了獲得更大的火花，1856年，英國電工技師瓦里(C.F.Varley,1828～1883)也對卡蘭變(bian)壓器作了改(gai)進(圖(tu)9、圖(tu)10)，他(ta)采用一只(zhi)雙刀(dao)雙擲開關來回改(gai)變(bian)電流(liu)(liu)方(fang)向(xiang)，使線(xian)圈A中的電流(liu)(liu)交替改(gai)變(bian)方(fang)向(xiang)，從而線(xian)圈B中感(gan)(gan)應(ying)出一個交變(bian)電流(liu)(liu)，因此可以(yi)說，瓦里感(gan)(gan)應(ying)線(xian)圈是交流(liu)(liu)變(bian)壓器的始祖(zu)。

圖(tu)9  瓦里感應(ying)線圈原理圖(tu)

圖10  瓦里感應線(xian)圈(quan)(1856年)

    1862年，莫里(li)斯(Morris)、魏爾(er)(Weave)和蒙克頓(Moncktom)取得一個將感應線(xian)圈用于交流電(dian)的專(zhuan)利權。

    1868年，英國(guo)物理學家格羅(luo)(luo)夫(W.R.Grove,1811～1896)采用圖9所示(shi)的裝置將交(jiao)流(liu)(liu)電源V與線圈A相連，在(zai)線圈B中(zhong)得到(dao)一個電壓不同的交(jiao)流(liu)(liu)電流(liu)(liu)。因此格羅(luo)(luo)夫感應線圈實際上(shang)是世(shi)界上(shang)第一只交(jiao)流(liu)(liu)變壓器。

圖11  格(ge)羅(luo)夫感應線圈(quan)原(yuan)理圖(1868年)

    繼格羅夫之后(hou)，許多人(ren)對感應(ying)線圈(quan)進(jin)行(xing)了(le)研究(jiu)，提出了(le)一些改(gai)進(jin)建議。例(li)如(ru)，美國人(ren)富勒(J.B.Fuller)在19世(shi)紀70年(nian)代(dai)初對感應(ying)線圈(quan)進(jin)行(xing)了(le)理(li)論研究(jiu)，提出感應(ying)線圈(quan)應(ying)采用閉合鐵心(xin)，原邊線圈(quan)采用并(bing)聯(lian)而不是當時(shi)大多數(shu)感應(ying)線圈(quan)所采用的(de)(de)(de)串(chuan)聯(lian)。但(dan)是他(ta)的(de)(de)(de)想(xiang)法生前只(zhi)向他(ta)的(de)(de)(de)上司(si)談過，直到(dao)他(ta)死后(hou)不久，人(ren)們發現他(ta)的(de)(de)(de)手(shou)(shou)稿。1879年(nian)2月，人(ren)們將他(ta)的(de)(de)(de)手(shou)(shou)稿整理(li)發表，他(ta)關于(yu)感應(ying)線圈(quan)的(de)(de)(de)設想(xiang)才(cai)得(de)以公諸于(yu)世(shi)。

    1876年，俄國(guo)物理學家(jia)雅勃洛奇科夫(fu)(Л.Н.Яълочков，1847～1894)發明“電(dian)(dian)燭”，采用一只兩個(ge)繞組的感應線圈，原邊與交流電(dian)(dian)源相連，為高壓側，副(fu)邊低壓側的交流電(dian)(dian)向“電(dian)(dian)燭”供電(dian)(dian)。這只感應線圈實際上是一臺不閉合磁芯的單相變壓器。

    1882年，俄國(guo)工(gong)程師И.Ф.烏薩金(jin)在莫斯科首次(ci)展出了有升壓(ya)、降壓(ya)感應線圈的高壓(ya)變(bian)電裝(zhuang)置。

2  高蘭(lan)德(de)—吉布斯二次發電機

    19世(shi)紀80年代后，交(jiao)流電(dian)(dian)進(jin)入人(ren)(ren)類社會(hui)生(sheng)活，變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)的原理(li)也為許多人(ren)(ren)所了解，人(ren)(ren)們(men)自然(ran)而然(ran)想到將變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)用(yong)于實(shi)際交(jiao)流電(dian)(dian)路中。在這(zhe)方面(mian)邁出第一(yi)步并做出重(zhong)大貢獻的是(shi)法國人(ren)(ren)高蘭德(L.Gauland,1850～1888)和英國人(ren)(ren)吉(ji)布(bu)斯(si)(J.D.Gibbs)。1882年9月13日，它們(men)在英國申(shen)請了第一(yi)個感應(ying)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)及其供電(dian)(dian)系統(tong)的專利(№.4362)，他們(men)稱(cheng)這(zhe)種感應(ying)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)為“Secondary generator”(二(er)次發(fa)電(dian)(dian)機)。圖12為高蘭德—吉(ji)布(bu)斯(si)二(er)次發(fa)電(dian)(dian)機原理(li)圖，原邊(bian)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)數與副邊(bian)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)數之比(bi)為1∶1，原邊(bian)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)串(chuan)聯，而副邊(bian)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)均分為數段，分別與電(dian)(dian)燈1相連(lian)。高蘭德—吉(ji)布(bu)斯(si)二(er)次發(fa)電(dian)(dian)機(變壓(ya)(ya)器(qi)(qi))是(shi)一(yi)種開路鐵(tie)心變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)，它通過推進(jin)、拉出鐵(tie)心來控制(zhi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，原邊(bian)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)他們(men)仍堅(jian)持采用(yong)串(chuan)聯(雖然(ran)麥(mai)克(ke)斯(si)韋(wei)在1865年就證明，原邊(bian)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)如果采用(yong)串(chuan)聯，副邊(bian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)就不能單(dan)獨控制(zhi))。

圖12  高蘭(lan)德—吉布斯二次發(fa)電機原理(li)圖

1—電(dian)燈  2—開關  3—交流電(dian)源

    1882年(nian)10月7日(ri)，他們(men)(men)制成(cheng)(cheng)了(le)第(di)一(yi)臺3000V/100V的(de)二次發(fa)電(dian)(dian)機，1983年(nian)又制成(cheng)(cheng)一(yi)臺容量約5kVA的(de)二次發(fa)電(dian)(dian)機在(zai)(zai)倫(lun)敦(dun)郊(jiao)外一(yi)個小(xiao)型電(dian)(dian)工展(zhan)覽會上(shang)展(zhan)出表演。當年(nian)，他們(men)(men)為倫(lun)敦(dun)市區鐵路(lu)提供了(le)幾臺小(xiao)型變壓器(qi)(圖13)。1884年(nian)，他們(men)(men)在(zai)(zai)意大利(li)都靈技術博覽會上(shang)展(zhan)出了(le)

圖13  高蘭德(de)—吉布(bu)斯(si)二次發電機(1883年(nian))

他們的(de)(de)變(bian)(bian)壓(ya)(ya)器(qi)，并表演了(le)交(jiao)流遠(yuan)距離輸電。采用開(kai)磁路(lu)變(bian)(bian)壓(ya)(ya)器(qi)串聯(lian)交(jiao)流輸電系統(tong)，將30kW、133Hz的(de)(de)交(jiao)流電輸送到40km遠(yuan)處。當年他們還售(shou)出(chu)了(le)幾臺(tai)類似的(de)(de)變(bian)(bian)壓(ya)(ya)器(qi)，其中(zhong)圖14為(wei)售(shou)給意(yi)大利物(wu)理(li)學家費拉里斯(G.Ferraris,1847～1897)的(de)(de)實驗用變(bian)(bian)壓(ya)(ya)器(qi)。該變(bian)(bian)壓(ya)(ya)器(qi)鐵(tie)心為(wei)鐵(tie)絲組(zu)(zu)成的(de)(de)開(kai)路(lu)鐵(tie)心，原邊線圈(quan)由0.25mm厚(hou)銅(tong)片繞成的(de)(de)445個環(匝(za))組(zu)(zu)成，但(dan)它們在高度(du)方向

圖14  高蘭德—吉布斯(si)二次發(fa)電機(1884年(nian))

分(fen)成4段，通過正前方(fang)的(de)塞子將副邊線圈的(de)4段串(chuan)聯或并(bing)路，從(cong)而(er)改變副邊的(de)輸出電壓。圖15為另一種(zhong)高蘭德—吉(ji)布(bu)斯(si)二次發(fa)電機，這臺二次發(fa)電機可(ke)以通過調節輸出電壓而(er)改變輸出功率的(de)大小。

圖15  高蘭德—吉布(bu)斯二次發電機

1884年3月4日，高蘭德和吉布斯在美(mei)國(guo)申請第一個有關(guan)開路(lu)鐵心變(bian)壓(ya)器的專利(№.297924)—“產生和利用二次電流的裝(zhuang)置(zhi)”(圖16)；

    1885年(nian)，高(gao)蘭德和吉布斯受(shou)崗茨(ci)工廠變(bian)(bian)壓器(qi)的(de)啟發，研究采用閉路(lu)(lu)鐵(tie)心結構的(de)變(bian)(bian)壓器(qi)。1886年(nian)3月6日，他(ta)們在(zai)美國申請(qing)有關閉合磁路(lu)(lu)變(bian)(bian)壓器(qi)的(de)專利(№.351589)。圖(tu)17為1886年(nian)制造的(de)閉路(lu)(lu)鐵(tie)心式(shi)高(gao)蘭德—吉布斯二次發電機(ji)。 

圖16  高蘭德—吉(ji)布斯在(zai)美(mei)國申請的第(di)一個變壓器專利(№.297924)的附圖

圖17  高蘭德—吉布斯閉路鐵心式二次發電機(1886年)

3  齊(qi)伯(bo)諾夫斯基—德里—布(bu)拉什(Z-D-B)變壓器

    高蘭德—吉布(bu)斯二次發電機(變壓(ya)器(qi))雖然(ran)開(kai)辟(pi)了(le)變壓(ya)器(qi)的(de)實際(ji)應用領域，但早期這種(zhong)變壓(ya)器(qi)存在某些先天不足(zu)，如開(kai)路(lu)鐵(tie)心、原邊線圈串(chuan)聯(lian)等。首先對此質(zhi)疑和作出改(gai)進(jin)的(de)是匈(xiong)牙利崗(gang)茨工(gong)廠(Ganz)的(de)三個年輕工(gong)程師布(bu)拉什(O.T.Blathy,1860～1939)、齊伯諾夫斯基(ji)(C.Zipernowsky, 1853～1942)和德里(M.Deri,1854～1938)。

    布(bu)(bu)拉(la)什1883年進入崗茨工廠(chang)，長(chang)期擔(dan)任(ren)技術(shu)(shu)負責人(ren)。他一(yi)生發(fa)明頗豐，曾獲得100多(duo)(duo)項專(zhuan)利權，包(bao)括變(bian)(bian)壓器、電壓調整(zheng)器、汽輪發(fa)電機(ji)等(deng)。布(bu)(bu)拉(la)什是首次(ci)研(yan)究交(jiao)流發(fa)電機(ji)并(bing)聯運行人(ren)之一(yi)，他還(huan)發(fa)明了許多(duo)(duo)電機(ji)設計(ji)程序(xu)和設計(ji)計(ji)算(suan)方法。另外，他在1885年首先引入單詞(ci)“Transformer”(變(bian)(bian)壓器)，這一(yi)簡明傳神的術(shu)(shu)語(yu)很(hen)快(kuai)為人(ren)們所認同和接(jie)受，迅速取代(dai)以往采用的“感(gan)應線圈”、“二次(ci)發(fa)電機(ji)”等(deng)術(shu)(shu)語(yu)，一(yi)直沿用至今(jin)。

   齊伯諾夫斯基是(shi)1878年(nian)成立的(de)崗茨工廠電(dian)氣(qi)部(bu)的(de)奠基人(ren)之一(yi)。1893年(nian)，他提任(ren)(ren)匈(xiong)牙(ya)利布達佩(pei)斯技術大學的(de)電(dian)氣(qi)教授。他一(yi)生取得40多項專利權，曾任(ren)(ren)匈(xiong)牙(ya)利電(dian)工學會(hui)主席30年(nian)。

    德里1882年加入崗茨工廠，他長期在銷售(shou)部工作，但對(dui)電(dian)(dian)機和(he)變壓器頗有研究(jiu)。他曾(ceng)設計(ji)復激交流發(fa)電(dian)(dian)機，還發(fa)明(ming)了以他名字命名的雙電(dian)(dian)刷推斥(chi)式電(dian)(dian)動機—德里電(dian)(dian)動機。

    1884年，意大利都靈技(ji)術博覽會(hui)召開(kai)，布(bu)(bu)拉什和(he)崗茨工廠(chang)一批技(ji)術人員參觀(guan)了該博覽會(hui)，見到(dao)了會(hui)上展(zhan)(zhan)出的高(gao)蘭德—吉布(bu)(bu)斯二次發(fa)電機(ji)。布(bu)(bu)拉什當時敏銳地覺察到(dao)這(zhe)種(zhong)二次發(fa)電機(ji)有很(hen)大發(fa)展(zhan)(zhan)前途，注意到(dao)這(zhe)種(zhong)變壓器的優點及(ji)不足之處。在博覽會(hui)上，布(bu)(bu)拉什曾問(wen)高(gao)蘭德：“為什么你們的二次發(fa)電機(ji)不采用(yong)閉路鐵心(xin)?”高(gao)蘭德不假思(si)索(suo)地回答：“采用(yong)閉路鐵心(xin)非(fei)常(chang)危險(xian)，而且很(hen)不經濟(ji)。”

    1884年7月，布拉什(shen)從都靈(ling)回到布達佩斯后，立即(ji)將都靈(ling)博覽會上的(de)所見所聞告訴了(le)齊伯諾(nuo)夫(fu)斯基和(he)達里，他們(men)決定(ding)立即(ji)進行(xing)變壓(ya)器的(de)改進實(shi)驗。布拉什(shen)建(jian)議采(cai)用閉(bi)(bi)路鐵心(xin)，齊伯諾(nuo)夫(fu)斯基建(jian)議將原邊線(xian)圈串聯(lian)改為并聯(lian)，并和(he)德里一道進行(xing)研(yan)究(jiu)實(shi)驗。1884年8月7日，他們(men)在崗茨工廠實(shi)驗雜志上介紹了(le)有關閉(bi)(bi)合(he)磁路鐵心(xin)的(de)變壓(ya)器(圖(tu)18)。

圖(tu)18  Z-D-B變壓器(qi)示意(yi)圖(tu)

1884年冬(dong)，德里在維也納貿易聯合會展示(shi)了他(ta)們的發明。1885年1月(yue)2日，齊伯諾夫斯基和(he)德里在奧地利(li)申(shen)請第(di)(di)一個有關(guan)并聯運行變(bian)壓(ya)器的專利(li)(№.37/101)，圖(tu)19為該專利(li)中的附圖(tu)。同年2月(yue)2日他(ta)們三人在奧地利(li)和(he)德國(guo)申(shen)請第(di)(di)二個變(bian)壓(ya)器專利(li)(奧地利(li)專利(li)№.35/2446，德國(guo)專利(li)№.40414)。

圖19  奧地利專利№.37/101的附圖

1884年(nian)9月16日，崗茨工廠(chang)制成的(de)第一臺(tai)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)(1400W，f=Hz,120/72V，變(bian)(bian)比1.67)，它是一臺(tai)單相殼(ke)式、閉路鐵心(鐵絲(si))變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)。同年(nian)，崗茨工廠(chang)還制造了另外4臺(tai)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)。圖(tu)20為最原始(shi)的(de)Z-D-B變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)。

    1885年(nian)5月(yue)1日，匈牙利布拉(la)佩斯(si)國(guo)家博覽(lan)會開(kai)幕，一(yi)(yi)臺150V、70Hz單(dan)相交流發電機發出的電流，經過75臺崗茨工廠(chang)5kVA變壓器(qi)(閉路鐵心，并(bing)聯，殼式)降(jiang)壓，點燃(ran)了博覽(lan)會場的1067只愛迪生(sheng)燈泡，其光耀奪目的壯觀場面轟動(dong)了世界。所以(yi)，后(hou)來(lai)人們把1885年(nian)5月(yue)1日作為現(xian)代(dai)實用變壓器(qi)的誕生(sheng)日而加以(yi)紀念。布達佩斯(si)博覽(lan)會使崗茨工廠(chang)名(ming)揚四海，博覽(lan)會期(qi)間工廠(chang)就接(jie)到一(yi)(yi)批訂單(dan)。

圖20  最原始的Z-D-B變壓(ya)器(1884年)

圖21和圖22分別為(wei)1885年和1887年的崗茨變壓器。從圖可以看出(chu)，它們均為(wei)心式變壓器，與現代變壓器已十分接近。

   21  Z-D-B為(wei)G.費蘭里斯(si)實驗室制造的變壓器(1885年)(3000W，變比1∶2或(huo)1∶4)

  1885年6月(yue)至10月(yue)，Z-D-B變壓器(qi)(qi)參加了倫敦發明展(zhan)覽會，并在會上作了演示。高(gao)蘭德(de)—吉布斯(si)公司的工程師(shi)貝爾費爾德(de)(R.Belfield)參觀了倫敦發明展(zhan)覽會，對Z-D-B變壓器(qi)(qi)很感興(xing)趣。1885年5月(yue)7日，齊伯諾夫(fu)斯(si)基、德(de)里和布拉什在美國(guo)申請第(di)一個閉路鐵心

圖22  Z-D-B全金屬變壓器(1887年) (E形鐵片鐵心，4000VA，1926/105V，2.19/38A，42Hz)

變(bian)壓器(qi)及交流配(pei)電系統的專利(№.352105)。

   齊伯諾(nuo)夫斯基—德里—布拉什(Z-D-B)變壓(ya)器(qi)是變壓(ya)器(qi)技(ji)術發展(zhan)史上的重要(yao)里程碑，它(ta)所采用(yong)的閉路鐵心(xin)、原邊并聯等基本(ben)結構一直沿用(yong)至今。可以(yi)說(shuo)Z-D-B變壓(ya)器(qi)已(yi)使現(xian)代變壓(ya)器(qi)的結構基本(ben)定型，從此變壓(ya)器(qi)正式進(jin)入交流(liu)電流(liu)的輸電、配(pei)電領域，有力(li)地推動了交流(liu)電流(liu)的普及應用(yong)，促進(jin)了現(xian)代交流(liu)電機的發展(zhan)。

1888年(nian)，崗茨(ci)工(gong)廠向德(de)國(guo)西門子—哈爾斯克(ke)(Simens-Halske)公司轉讓(rang)變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)專利權。不久，另外兩家(jia)德(de)國(guo)公司也(ye)購買(mai)了崗茨(ci)工(gong)廠的變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)專利權。1890年(nian)，法國(guo)、西班(ban)牙的公司也(ye)購買(mai)了崗茨(ci)的變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)專利。從19世(shi)(shi)紀(ji)80年(nian)代后期(qi)開始，變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)在歐洲(zhou)迅速(su)推廣，到(dao)1889年(nian)已總共生(sheng)產1000臺(tai)變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)，到(dao)1899年(nian)突破10000臺(tai)。在20世(shi)(shi)紀(ji)20年(nian)代前，崗茨(ci)工(gong)廠在變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)制造領域一直保持世(shi)(shi)界領先水平(ping)。

4  變壓(ya)器技術在(zai)美國的傳播和發展

    19世紀80年代初，當(dang)歐洲人正(zheng)(zheng)致力于改進變壓(ya)器、探索變壓(ya)器應用領域(yu)的(de)(de)(de)時候，大洋彼(bi)岸美(mei)(mei)國的(de)(de)(de)愛迪生公司(si)正(zheng)(zheng)沉醉(zui)于在(zai)直流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)系(xi)統(tong)方面的(de)(de)(de)成(cheng)功及由(you)此帶來的(de)(de)(de)豐厚利潤之中(zhong)，對交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)系(xi)統(tong)、對變壓(ya)器不(bu)屑一顧。但此時，由(you)火車空氣(qi)制(zhi)動(dong)器起家(jia)的(de)(de)(de)威(wei)斯汀豪斯(W.Westinghouse,1846～1914)正(zheng)(zheng)想涉足交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)領域(yu)。1885年春，他漫(man)游歐洲，參觀了倫敦和布達佩斯，與當(dang)時歐洲發(fa)明家(jia)也(ye)有(you)接觸(chu)，對高(gao)蘭(lan)德—布吉斯二次發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機很(hen)感興趣(qu)，當(dang)即決定(ding)購(gou)買(mai)幾臺(tai)二次發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機。1885年5月，西屋(wu)空氣(qi)制(zhi)動(dong)器公司(si)的(de)(de)(de)年輕工程師潘(pan)(pan)(pan)塔(ta)(ta)倫里(Pantaleoni)因父親病逝，回意大利奔(ben)喪，他到都(dou)靈拜會他的(de)(de)(de)大學老師時，遇(yu)到正(zheng)(zheng)在(zai)都(dou)靈技術博覽會的(de)(de)(de)高(gao)蘭(lan)德，當(dang)時高(gao)蘭(lan)德正(zheng)(zheng)安裝(zhuang)Lanzo和Circe間的(de)(de)(de)交(jiao)流(liu)系(xi)統(tong)。潘(pan)(pan)(pan)塔(ta)(ta)倫里對此十分(fen)感興趣(qu)，立(li)即給威(wei)斯汀豪期打(da)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)報，報告他的(de)(de)(de)觀感。威(wei)斯汀豪斯十分(fen)重視，回電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)潘(pan)(pan)(pan)塔(ta)(ta)倫里，要(yao)(yao)他與高(gao)蘭(lan)德聯系(xi)，買(mai)下高(gao)蘭(lan)德、吉布斯在(zai)美(mei)(mei)國申請的(de)(de)(de)有(you)關變壓(ya)器的(de)(de)(de)獨家(jia)專有(you)權。經友好(hao)協商，高(gao)蘭(lan)德同意了威(wei)斯汀豪斯的(de)(de)(de)要(yao)(yao)求。

    1885年9月(yue)1日，西屋(wu)空(kong)氣制動器公司訂購的高蘭德—吉布斯二次發(fa)電(dian)機和西門(men)子Siemens公司單(dan)相交流(liu)發(fa)電(dian)機從歐洲運(yun)到美(mei)國。

    1885年(nian)11月(yue)23日(ri)，貝爾費爾德(R.Belfield)作為高蘭德—吉布斯(si)的(de)全權代表(biao)到達(da)美國匹茲堡，向(xiang)西屋空氣制動器(qi)公(gong)司(si)(si)轉讓變壓(ya)器(qi)技術，并幫助該(gai)公(gong)司(si)(si)設(she)計新型(閉(bi)路鐵心)變壓(ya)器(qi)。1886年(nian)1月(yue)5日(ri)，他到Great Barrington，幫助斯(si)坦(tan)利(li)(W.Stanley，時為威斯(si)汀豪斯(si)的(de)助手)建設(she)。運行(xing)Great Barrington 3000V交流輸(shu)(shu)電(dian)線(xian)。1886年(nian)3月(yue)20日(ri)，美國第(di)一條交流輸(shu)(shu)電(dian)線(xian)建成(cheng)投入運行(xing)，這標(biao)志美國電(dian)氣時代的(de)真正開始!

    威斯汀豪(hao)斯除了以(yi)實業家(jia)膽識招攬人才、購買專(zhuan)利(li)、訂購設(she)備、發展交流(liu)電(dian)系(xi)統和變(bian)壓器(qi)外，還(huan)身(shen)體力行，潛心于變(bian)壓器(qi)的(de)研究。1886年1月(yue)8日，他(ta)組建威斯汀豪(hao)斯電(dian)氣(qi)公司(si)(si)(西屋(wu)電(dian)氣(qi)公司(si)(si))，大踏(ta)步地進入(ru)電(dian)氣(qi)(主要(yao)是交流(liu)電(dian))領域(yu)，正(zheng)式(shi)進入(ru)變(bian)壓器(qi)的(de)研究和工業化生產。1886年2月(yue)，他(ta)申請了有關(guan)配電(dian)系(xi)統和閉路鐵心變(bian)壓器(qi)的(de)2項美國專(zhuan)利(li)(№.342552和№.342553)。圖23為西屋(wu)公司(si)(si)最早的(de)變(bian)壓器(qi)。1888年，西屋(wu)公司(si)(si)制成40盞電(dian)燈用2kW變(bian)壓器(qi)。1891年，西屋(wu)公司(si)(si)制成第一臺充(chong)油(you)變(bian)壓器(qi)(10kV電(dian)壓)(圖24)。

圖(tu)23  西屋(wu)公(gong)司(si)早期變壓(ya)器

圖24  西屋(wu)公司(si)充油變壓(ya)器(qi)(1891年)

    與威斯汀豪斯積極開拓、發(fa)展(zhan)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)工業成為(wei)(wei)鮮明對(dui)照的(de)(de)(de)，是(shi)愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)對(dui)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)漠視(shi)和(he)短視(shi)態(tai)度。當時(shi)，愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)燈公(gong)司(si)(si)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)燈和(he)直流(liu)(liu)發(fa)電(dian)(dian)(dian)機獨(du)霸北美大(da)陸(lu)，遠(yuan)銷歐洲(zhou)。愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)躊躇滿(man)志，對(dui)剛剛出(chu)現的(de)(de)(de)交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)供(gong)電(dian)(dian)(dian)系(xi)統(tong)(tong)既不(bu)屑一(yi)顧，又懷有一(yi)絲敵(di)意(yi)(這為(wei)(wei)以后的(de)(de)(de)美國(guo)交(jiao)(jiao)直流(liu)(liu)之戰埋(mai)下了(le)(le)(le)(le)種子)。1885年(nian)(nian)，愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)公(gong)司(si)(si)代(dai)表李(li)博(bo)(J.W.Lieb)參(can)觀(guan)都靈博(bo)覽會(hui)，見到(dao)了(le)(le)(le)(le)展(zhan)出(chu)的(de)(de)(de)交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)配電(dian)(dian)(dian)系(xi)統(tong)(tong)和(he)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)。但(dan)李(li)博(bo)與愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)一(yi)樣，是(shi)一(yi)名頑(wan)固的(de)(de)(de)直流(liu)(liu)主義者，他向(xiang)愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)打了(le)(le)(le)(le)一(yi)報告(gao)，報告(gao)了(le)(le)(le)(le)他的(de)(de)(de)觀(guan)感，對(dui)會(hui)上展(zhan)出(chu)的(de)(de)(de)交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)配電(dian)(dian)(dian)系(xi)統(tong)(tong)和(he)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)橫加挑剔指責。這份報告(gao)也更堅定(ding)了(le)(le)(le)(le)愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)反對(dui)交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)決心。1886年(nian)(nian)，布(bu)拉什到(dao)美國(guo)，會(hui)見愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)，雙方簽(qian)訂(ding)了(le)(le)(le)(le)一(yi)個協議，由(you)愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)公(gong)司(si)(si)出(chu)資(zi)2萬美元購買崗茨(ci)工廠在美國(guo)申請的(de)(de)(de)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)獨(du)家(jia)專利使(shi)用權。但(dan)是(shi)，愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)公(gong)司(si)(si)出(chu)資(zi)壓(ya)(ya)根就不(bu)想發(fa)展(zhan)交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)系(xi)統(tong)(tong)和(he)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)，簽(qian)訂(ding)這項協議只不(bu)過(guo)是(shi)讓(rang)其它公(gong)司(si)(si)發(fa)展(zhan)交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)、發(fa)展(zhan)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)一(yi)種策略。因(yin)此，這一(yi)紙協議的(de)(de)(de)直接后果是(shi)阻(zu)礙了(le)(le)(le)(le)Z-D-B變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)在美國(guo)的(de)(de)(de)推廣應用。這種情況直到(dao)1892年(nian)(nian)，愛迪(di)(di)生(sheng)(sheng)(sheng)公(gong)司(si)(si)合并(bing)為(wei)(wei)通用電(dian)(dian)(dian)氣公(gong)司(si)(si)后才(cai)得以根本改變。

    在(zai)美國變壓器發展史上，還有兩(liang)個人也作出了(le)不可(ke)磨滅的貢獻。他們是斯(si)坦(tan)利(W.Stanley,1856～1927)和斯(si)特拉(N.Tesla,1856～1943)。

    斯(si)(si)(si)坦利(li)(li)(li)1883年(nian)(nian)開(kai)始接觸交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)，對變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)在(zai)交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)中(zhong)(zhong)的(de)(de)作用(yong)有(you)深刻(ke)的(de)(de)論述。他(ta)(ta)曾(ceng)多次稱變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)是“heart of the alternating current system”(交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)心(xin)(xin)臟)。1883～1884年(nian)(nian)，他(ta)(ta)在(zai)自己(ji)的(de)(de)小型實驗(yan)室里就進(jin)行過(guo)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)研(yan)究。1884年(nian)(nian)2月(yue)(yue)(yue)，他(ta)(ta)受雇(gu)于威斯(si)(si)(si)汀豪斯(si)(si)(si)，成為他(ta)(ta)的(de)(de)助手(shou)，主持設(she)計制(zhi)造交(jiao)流(liu)系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)及變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)。1885年(nian)(nian)9月(yue)(yue)(yue)29日(ri)(ri)制(zhi)成美國(guo)第(di)一(yi)臺原邊線圈(quan)并(bing)聯、閉合磁路鐵(tie)(tie)心(xin)(xin)的(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)(圖(tu)(tu)25)，并(bing)在(zai)西(xi)(xi)屋空氣制(zhi)動器(qi)(qi)(qi)(qi)公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)車間(jian)里進(jin)行了(le)試驗(yan)。1885年(nian)(nian)10月(yue)(yue)(yue)23日(ri)(ri)，他(ta)(ta)在(zai)美國(guo)申(shen)請第(di)一(yi)個(ge)有(you)關閉路鐵(tie)(tie)心(xin)(xin)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)專(zhuan)利(li)(li)(li)(№.349612)；同(tong)年(nian)(nian)11月(yue)(yue)(yue)23日(ri)(ri)，他(ta)(ta)提(ti)出(chu)3個(ge)專(zhuan)利(li)(li)(li)，其中(zhong)(zhong)2個(ge)帶變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)配電(dian)(dian)系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)的(de)(de)專(zhuan)利(li)(li)(li)(№.372943和(he)№.372944)，1個(ge)是開(kai)路鐵(tie)(tie)心(xin)(xin)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)專(zhuan)利(li)(li)(li)(№.349611)，這(zhe)4個(ge)專(zhuan)利(li)(li)(li)都轉讓給了(le)威斯(si)(si)(si)汀豪斯(si)(si)(si)。1885年(nian)(nian)12月(yue)(yue)(yue)，他(ta)(ta)主持建(jian)(jian)設(she)美國(guo)第(di)一(yi)個(ge)交(jiao)流(liu)輸電(dian)(dian)系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)—Great Barringto交(jiao)流(liu)輸電(dian)(dian)系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)。1886年(nian)(nian)3月(yue)(yue)(yue)20日(ri)(ri)，該系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)建(jian)(jian)成投運。1890年(nian)(nian)他(ta)(ta)離開(kai)西(xi)(xi)屋電(dian)(dian)氣公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)，1891年(nian)(nian)他(ta)(ta)在(zai)Pittsfield組建(jian)(jian)斯(si)(si)(si)坦利(li)(li)(li)電(dian)(dian)氣制(zhi)造公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)，繼(ji)續研(yan)制(zhi)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)。圖(tu)(tu)26為斯(si)(si)(si)坦利(li)(li)(li)公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)的(de)(de)一(yi)種商用(yong)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)。1891年(nian)(nian)，斯(si)(si)(si)坦利(li)(li)(li)公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)制(zhi)成25kVA商用(yong)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)(圖(tu)(tu)27)。1892年(nian)(nian)，斯(si)(si)(si)坦利(li)(li)(li)公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)研(yan)制(zhi)成15kV變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)，使(shi)美國(guo)交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)輸電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)一(yi)舉突破10kV，從而(er)打開(kai)了(le)高電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)輸電(dian)(dian)的(de)(de)大門。斯(si)(si)(si)坦利(li)(li)(li)也因而(er)贏得了(le)“電(dian)(dian)氣傳輸之父”的(de)(de)美名。1903年(nian)(nian)，他(ta)(ta)將公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)并(bing)入GE公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)。在(zai)GE公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)，他(ta)(ta)繼(ji)續指導GE公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)開(kai)發變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)。因此使(shi)西(xi)(xi)屋公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)和(he)GE公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)早期(qi)的(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)技術(shu)同(tong)宗同(tong)源(yuan)，都是采用(yong)殼(ke)式變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)結構，直到1918年(nian)(nian)GE公(gong)(gong)(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)改用(yong)心(xin)(xin)式變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(qi)(qi)后，兩者(zhe)才分道揚轆(lu)。

圖(tu)25  斯坦利主持設計制造的第一臺變壓器(1885年)(500V/100V)    

圖26  斯坦利公司(si)商用變壓器

圖27  斯(si)坦利公司25kVA變壓器(1891年)

特斯拉是譽為“電工天才”的美籍克羅地亞科學家，他在交流電系統和交流電動機方面的貢獻享譽世界。1888年，他受聘到西屋公司工作后也在變壓器方面作出了成績。1890年，他離開西屋公司自立門戶，繼續研究變壓器。圖28為1891年發明的特斯拉高頻變生器原理，圖29為特斯拉高頻變壓器復原圖。變壓器原邊線圈為12匝Φ5mm的銅線，繞在一個Φ55mm的玻璃管上。副邊線圈380匝，Φ0.2mm銅線，繞在一個Φ113mm的玻璃管上。原副邊線圈放入一個高1250px、內徑Φ412.5px的玻璃管內，浸入絕緣礦物油內。原邊線圈與振蕩電路相連，副邊線圈兩端可獲得10⁵～10⁶Hz的(de)高(gao)頻電流，并可觀察(cha)到明(ming)顯(xian)的(de)火花。這臺變壓器曾用于研究高(gao)頻電振蕩(dang)現象，并曾藉此觀察(cha)到集膚效(xiao)應。

圖28  特斯拉高頻發生器原理圖(1891年)

5  三相變壓器的誕(dan)生

高蘭特—吉布(bu)斯二(er)次發電機和Z-D-B變壓器(qi)都是(shi)單相變壓器(qi)，發明三相變壓器(qi)的則是(shi)被(bei)

圖29  特斯(si)拉(la)高頻變壓器(1891年)

　　譽為“三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)交(jiao)流(liu)(liu)電之父(fu)”的俄國科學(xue)家多(duo)利(li)沃—多(duo)布羅夫斯基(ji)。1888年(nian)，他提出(chu)(chu)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)電流(liu)(liu)可以產生旋轉(zhuan)磁場，并(bing)發(fa)明(ming)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)同步發(fa)電機和三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)鼠籠式電動機。1889年(nian)，他為解(jie)決(jue)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)電流(liu)(liu)的傳輸及供電問題，開始研究三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變壓(ya)器(qi)。與(yu)當時的單相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變壓(ya)器(qi)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比，多(duo)利(li)沃—多(duo)布羅夫斯基(ji)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變壓(ya)器(qi)的原邊(bian)、副邊(bian)線圈(quan)并(bing)無太大(da)差別，主要區別是在(zai)鐵(tie)心(xin)布置(zhi)方(fang)面(mian)。當年(nian)，他申請第1個(ge)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變壓(ya)器(qi)鐵(tie)心(xin)的專(zhuan)利(li)，3個(ge)心(xin)柱在(zai)周向垂直對稱布置(zhi)，上、下與(yu)兩個(ge)軛(e)環相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)連(lian)。這種(zhong)結構類似歐洲中(zhong)世紀(ji)的修道院，故(gu)稱為“Tempeltype(寺院式)”，如圖(tu)(tu)(tu)(tu)30(a)所(suo)示。“寺院式”結構后來又發(fa)展(zhan)出(chu)(chu)圖(tu)(tu)(tu)(tu)30(b)和圖(tu)(tu)(tu)(tu)30(c)式。1891年(nian)，西門子公司又首先采用了框式鐵(tie)心(xin)，見圖(tu)(tu)(tu)(tu)30(d)。

圖30  三相變壓器鐵心

　　世界上第(di)一(yi)臺(tai)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)出現于1891年(nian)。當年(nian)8月，世界博覽會(hui)在德國(guo)法蘭(lan)(lan)克福(fu)(Frankfurt)召開，會(hui)議(yi)組織者為(wei)(wei)(wei)了(le)展示交流(liu)電(dian)的(de)(de)輸送和(he)應用，在175km外(wai)的(de)(de)德國(guo)勞芬(Lauffen)的(de)(de)波(bo)特蘭(lan)(lan)(Portland)水泥(ni)廠內裝設了(le)一(yi)套三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)水輪發電(dian)機組(210kVA，150r/min，40Hz，相(xiang)(xiang)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)55V)，向博覽會(hui)上的(de)(de)1000盞電(dian)燈和(he)一(yi)臺(tai)100馬力的(de)(de)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)感(gan)應電(dian)動機供電(dian)。為(wei)(wei)(wei)此，德國(guo)通用電(dian)氣(qi)公司(AEG)和(he)瑞(rui)士奧(ao)立康(Oerlikon)廠分(fen)別(bie)為(wei)(wei)(wei)勞芬-法蘭(lan)(lan)克福(fu)工程提供了(le)4臺(tai)和(he)2臺(tai)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)。在勞芬，AEG公司提供了(le)2臺(tai)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)升壓(ya)(ya)(ya)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(每臺(tai)100kVA，變(bian)(bian)(bian)(bian)比為(wei)(wei)(wei)1∶160，Y-Y接(jie))，Oerlikon工廠提供了(le)一(yi)臺(tai)升壓(ya)(ya)(ya)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(150kVA，變(bian)(bian)(bian)(bian)比為(wei)(wei)(wei)1∶155)；在法蘭(lan)(lan)克福(fu)的(de)(de)兩座(zuo)降壓(ya)(ya)(ya)變(bian)(bian)(bian)(bian)電(dian)所，則分(fen)別(bie)裝有2臺(tai)AEG公司生產的(de)(de)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)降壓(ya)(ya)(ya)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(變(bian)(bian)(bian)(bian)比為(wei)(wei)(wei)123∶1)向電(dian)動機供電(dian)，以及一(yi)臺(tai)Oerlikon工廠生產的(de)(de)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)降壓(ya)(ya)(ya)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)(變(bian)(bian)(bian)(bian)比為(wei)(wei)(wei)116∶1)向1000盞電(dian)燈供電(dian)。實測變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)的(de)(de)最高效率已達到96%。圖31為(wei)(wei)(wei)AEG公司制(zhi)造的(de)(de)三(san)(san)(san)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)(qi)。

6  其(qi)它變壓(ya)器

    除上面介紹的多(duo)種變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)外，19世(shi)紀(ji)后期(qi)及20世(shi)紀(ji)初期(qi)，還有許多(duo)人(ren)也(ye)進行了(le)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)的研(yan)究工作，制成(cheng)了(le)形(xing)形(xing)色(se)色(se)的變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)，使早期(qi)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)異彩紛呈，也(ye)為(wei)后期(qi)各型(xing)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)的發展積累了(le)寶貴的經驗和教訓。

英國科學家費蘭特(S.Z.Ferranti,1864～1930)對變壓器進行了研究，并于1885年取得有關閉合磁路變壓器專利權。1888年研制成鐵片彎成圓形組成鐵心的變壓器(圖32)。1891年制成一臺10kV/2kV的較大容量的變壓器，其鐵心由10段組成，每段鐵心均由彎成圓形的鐵片組成，各段鐵心間的間隙用作通風冷卻(圖33)。   

圖31  AEG公司(si)三相(xiang)變壓器(1891年)

圖32  費蘭特變壓器(1888年)

    1884年，英(ying)國(guo)電工學家J.霍(huo)普(pu)金(jin)森(J.Hopkinson,1849～1898)和(he)他的(de)弟弟E.霍(huo)普(pu)金(jin)森(E.Hopkinson,1859～1922)申(shen)請閉(bi)合磁(ci)路變壓器(qi)的(de)專(zhuan)利。

  ;  1891年，莫(mo)迪(M.W.Mordey)為布拉什(Brush)公司設(she)計制成一臺采用疊片(pian)鐵(tie)心的變壓器(圖34)。

    美國電工(gong)學(xue)家湯姆(mu)森(E.Thomson,1853～1937)早在(zai)1879年就在(zai)弗朗克林(Franklin)學(xue)院研究過變壓器。1886年，他制成(cheng)第一臺電焊變壓器，其副邊線圈為單匝，不久又制成(cheng)恒(heng)流(liu)變壓器(圖35)。

迪克(Disk)和肯尼迪(R.Kennedey)發明了一種采用H形鐵心的(de)變(bian)壓器結(jie)構(圖36)。

    1889年，英國(guo)斯溫伯恩(M.Swinburne)發明(ming)“刺猬式”油浸(jin)變(bian)壓(ya)器，這種變(bian)壓(ya)器現(xian)在仍有(you)應用。

    除此之外，在19世紀80、90年代研究變壓器的人士還有Masson, Feldmann, W.Sturgeon, J.A.Fleming, W.B.Esson, I.Chenut, G.Ferrais, R.Ruhlman, W.Peukert, K.Zickier, G.Kapp, E.Hospitalier, F.Uppenborn, A.Urbanitzky, R.E.Crompton, K.D.Mackenzie, G.Forbes, S.Straub, F.Wilking, M.A.A.Roiti, M.Swinburne, Kittler,等等。 

圖33  費(fei)蘭特10kV/2kV變壓器(qi)(1891年)

 
圖34  莫迪疊(die)片鐵(tie)心變壓器(1891年)

圖35  湯姆森(sen)恒流變壓器(qi)(1886年)

圖(tu)36  迪克(ke)—肯(ken)尼迪變壓器剖面圖(tu)