Köpenytranszformátor

 

Köpenytranszformátor

1885. Bláthy Ottó Titusz, Déri Miksa és Zipernovszky Károly zárt vasmagú transzformátora

A találmány előzményei

A villamosság nagyobb arányú hasznosítását a villamos hajtás és a világítás területén a dinamógép tette lehetővé a XIX. század utolsó felében.

A Magyarországra bevándorolt Ganz Ábrahám (1814-1867) 1844-ben vasöntödét alapított, amely rövidesen Magyarország legjelentősebb gépgyára lett. Ganz halála után a gyár vezetését Németországból idetelepült barátja, Mechwart András (1834-1907) mérnök vette át. Korán felismerte az elektrotechnika jelentőségét, és 1878-ban létrehozta a gyár villamos osztályát, amelynek vezetésével a 25 éves Zipernowsky Károlyt (1853-1942) bízta meg. A kis műhelyben kezdetben egyenáramú dinamókat és ívlámpákat gyártottak. (1879-ben, a nagy szegedi árvíznél egyenáramú Ganz-ívlámpák segítették a körtöltés éjszakai építését.) Zipernowsky azonban rövidesen a váltakozó árammal is foglalkozni kezdett. Ez merész kezdeményezés volt, mert a váltakozó áramot akkor gyakorlati célokra alkalmatlannak tartották. 1880-ra ugyan kiderült, hogy ívlámpák és izzólámpák működtetésére váltakozó áram is használható, de az elektrotechnikai hagyományok az egyenáram mellett szóltak. A Ganz fiatal mérnökeit nem korlátozták régi megszokások az új utak keresésében. 1882-ben Déri Miksa (1854-1938), majd 1883-ban Bláthy Ottó Titusz (1860-1939) is Zipernowsky munkatársa lett, akik szintén a váltakozó áram alkalmazására vonatkozó kutatás hívei voltak.

Az 1880-as években tehát előtérbe került az energiaelosztás, ahogyan akkor nevezték a fény elosztásának problémája. Egy-egy áramfejlesztővel meg tudták oldani egy színház, pályaudvar vagy szálloda áramellátását, de ekkor már az volt a cél, hogy egy erőművel nagyobb városrész, távolabb eső területek világítását is biztosítsák. Az akkor szokásos 110 V-os egyenárammal a vezetékek vesztesége miatt csupán 600-700 m-es körzetet lehetett villamos energiával ellátni. Ez csak kisebb erőművek üzemét tette lehetővé, ráadásul a környezetszennyező erőművet a zsúfolt belvárosok közepén kellett felépíteni. Azt tudták, hogy a feszültség növelésével - adott vezeték esetén - négyzetesen nő a kívánt teljesítménnyel elérhető távolság, azt is, hogy az egyenáram feszültsége egyszerű eszközökkel nem alakítható át, ezért új megoldást kellett keresni. A Ganz-gyár mérnökei a váltóáram használatát tartották célravezetőnek Thomas Alva Edisonnal és munkatársaival szemben. (Edison egy alkalommal kijelentette, hogy a váltakozó áram ipari használatáról még csak hallani sem akar.)

Ekkor már az indukció Faraday általi felfedezésén jócskán túl vagyunk. Azonban általában az egyenáram ki- és bekapcsolásánál fellépő jelenségeket vizsgálták, és rendszerint nyitott vasmagra felcsévélt tekercseket használtak. Az egyenáram használata érthető: kezdetben ez állt rendelkezésre, de amikor váltakozó árammal kezdtek kísérletezni, a nyitott vasmagot még mindig megtartották. A nyitott vasmag használatának oka egy általánosan elfogadott vélemény volt, mégpedig az, hogy a nyitott vasmag két végén fellépő pólusok játsszák a döntő szerepet a jelenségekben. Ennek a nyitott vasmagos megoldásnak a megvalósítója William Grove, aki egyebek mellett a tüzelőanyag-cella feltalálója is volt, aki egyazon nyitott vasmagra elhelyezett két tekercs egyikére kapcsolt váltakozó áramú áramforrást és ugyanarra a nyitott vasmagra még egy tekercset (lásd felső ábra).
Gaulard és Gibbs szabadalma (középső ábra) sorba kapcsolt, nyitott vasmagra tekercselt primer, és 1:1 áttételű, szekunder tekercsekkel szándékozta megoldani azt a problémát, hogy a világítási hálózatban sorba kapcsolt égők egyikének kiégése a világítás megszűnését okozta az egész hálózaton. Szabadalmukban külön szekunder tekercsekhez csatlakoztak a terhelések, pl. lámpacsoportok (ezért szekunder generátor volt az elrendezés neve). A rendszer működött, a turini kiállítástól 40 km-re levő lámpák világítottak. A sorba kapcsolt szekunder generátornak nevezett berendezéseket 2000 V-os generátor táplálta. Ezzel a feszültséggel sikerült először villamos energiát nagy távolságra eljuttatni. A siker ellenére megmutatkoztak a rendszer alapvető hibái. A lámpák ki-bekapcsolásakor megváltozott az egész áramkör árama, amit a generátor gerjesztésével lehetett ellensúlyozni. Ez volt a kisebb gond, hiszen egyetlen áramszabályozóval el lehetett intézni. Nagyobb bajt okozott, hogy a szekunder generátor feszültsége rendkívül terhelésfüggő volt. Ha több izzólámpát táplált, s azokból egyet kikapcsoltak, vagy egy kiégett, bár a többi nem aludt ki, de azonnal felugrott a feszültség, ami előbb-utóbb tönkretette a többi izzót is. Ezért minden egyes szekunder körbe külön feszültségszabályozót is el kellett helyezni, ami nagyon bonyolulttá és költségessé tette a rendszert.

Bláthy, aki a Ganz gyárat képviselte, megkérdezte Gaulardot, miért nem használnak zárt vasmagot. Az nagyon káros és gazdaságtalan lenne - volt a válasz. Említés történik arról, hogy Bláthy a kiállításon egy vasrúddal titokban rövidre zárta a Gaulard-készülék vastestét, és a leendő konkurens kritikus szemével vizsgálta a hatást.

A találmány

A rúd alakú vasmag mágneses erővonalai a levegőn keresztül záródnak, ami a keletkező jelentős mágneses ellenállás miatt a feszültséget erősen terhelésfüggővé teszi. A Ganz mérnökei tehát felismerték a baj okait. Alapvetően új megoldást választottak: a nyitott mágneskör szekunder generátor helyett zárt vasmagú, indukciós készüléket alkottak, amit köpenytranszformátornak neveztek el (alsó ábra).

A feltalálók két új szabadalommal védték találmányukat. Első szabadalmukat 1885. január 2-án jelentették be: "Újítások villamos áramok elosztásában váltakozó áramú induktorok segítségével" címmel. Zipernowskynak és Dérinek ez a bejelentése a transzformátorok párhuzamos kapcsolására vonatkozott (osztrák szabadalom 37/101 szám).

A transzformátort Bláthy javaslatára készítették az új konstrukciójú vasmaggal. A már említett zárt vasmagkialakítás mellett teljesen új ötlet volt az egyes fogyasztókhoz tartozó, primer és szekunder tekercsek párhuzamos kapcsolása, ami Zipernowsky érdeme. A méréseket és próbákat Déri Miksa végezte. Közös munkájuk eredményeképpen született meg tehát az elektrotechnika egyik legfontosabb találmánya, a zárt vasmagú transzformátor. Mivel Magyarországon szabadalmi hivatal még nem létezett, ezért szabadalmi igényüket az osztrák és a német hivatalnál jelentették be, szinte egy időben.

A német Kaiserliches Patemtamtnál, a PATENTSCHRIFT N-40414 számában, az 1885. március 6-án bejelentett, zárt vasmagú transzformátornak két kiviteli formája, a magtranszformátor és köpenytranszformátor található. Találmányukat a világ a három feltaláló nevének rövidítése után "ZBD-model" néven ismerte meg. A bejelentésben érdekes módon Faraday telefontechnikában használt, "teljesen vasból készült mágneses körét" említették meg a technika állásaként. "Eddig elektromos áram transzformálására előállított és használt ipari tekercsekben a mágneses erővonalaknak csak egy része húzódik vasban, a nagyobbik része a levegőben. Ezt azonban el kell kerülni, mivel a levegőben a mágneses áramnak több százszor nagyobb ellenállással kell szembenézni, mint a vasban" - írják. Majd így folytatják: "Kétségtelenül vannak olyan indukciós tekercsek, amelyeknek nem volt szabad mágneses pólusuk, de ezek a készülékek nem alkalmasak elektromos áram transzformálására."

Nagyon érdekes az is, hogy a szabadalmi leírásban többször is kihangsúlyozzák - a huzalból, tekercsből, esetleg lemezekből álló vasmag egyes részei egymástól való elszigetelésének fontosságát, "mert ezek káros Foucault áramokat (örvényáramokat - a szerk.) és nem kívánatos melegedést okoznának." Különbséget tesznek a mag- és a köpenytranszformátor között. A magtranszformátornál leírás és a szabadalmi leíráshoz tartozó ábra szerint a vasmag van belül, ezt öleli át a rézhuzalból álló áramtekercs a ma ismeretes, toroid transzformátorhoz hasonló elrendezésben. A köpenytranszformátor viszont tulajdonképpen egy fordított, mai toroid transzformátor, ahol a réztekercset és vastekercset felcserélik. Tehát a rézhuzalból készült, gyűrű formájú sokmenetű gerjesztőtekercset acélhuzalból vagy inkább vékony lemezből készült (tekercselt) vastest veszi körül. A ma szokásos megoldások ismeretében láthatjuk, hogy a mágneses kör kialakításának szempontjából nincs lényegi különbség e két elrendezés között, mivel - mint a zseniális feltalálók is leírták - a levegőben a mágneses áramnak (fluxusnak) hozzávetőlegesen a permeabilitások arányával nagyobb ellenállással kell szembenéznie, mint a vasban (a vas permeabilitása a levegőének kb. ezerszerese), ezért a magtranszformátornál jobban jelen lévő, ún. szórt mágneses tér hatása - amely a kettő közötti igazi különbséget jelenhetné - is gyakorlatilag elhanyagolható.

Találmányukat azonban nem csupán a transzformátornak, hanem a transzformátoros párhuzamos energiaelosztás egészének szánták. Érdekességként még érdemes megemlíteni, hogy a transzformátor áttételi aránya találmányukban már nem 1:1 volt, mert a párhuzamos kapcsolásnál a teljes tápfeszültség (1300- 2000 V) a transzformátor primer tekercsére jutott. Ezt a lámpák feszültségére kellett letranszformálni. Ezért az áttétel kb. 20:1 körüli értékű volt.
A rendszer nyilvános próbájára az 1885-ös Országos Iparkiállításon került sor. Az 1300 V-os generátor 16 db 1300/60 V-os transzformátoron keresztül 1067 izzólámpát táplált. A bemutató kitűnően sikerült, a berendezés hónapokig hibátlanul működött. A transzformátoros megoldás sikere azonban nem jelentette a váltakozó áram győzelmét, ellenkezőleg, csak a kezdete volt az egyenáram és a váltakozó áram versenyének.

A találmány viszont kétségtelenül hatalmas eredményt hozott: minimális veszteség mellett nyílt lehetőség az elektromos energia továbbítására hatalmas távolságokon át.


Az összeállítást készítette: Zombory László, Magyar Szabadalmi Hivatal