Elektromos fogyasztásmérő (Bláthy Ottó)

Előzmények: A villamos energia mérését 1889-től Bláthy világhírű találmánya tette lehetővé. 1885-ból származik Bláthy váltakozó áramú wattmérője. Ennek későbbi 1910-es változata a Kellner József-féle wattméter volt, amely a mágneses, és a dielektromos veszteségeket is pontosan mutatta. A Ganz gyár egyre több váltakozó áramú motort szállított üzletfeleinek, akik mind jobban igényelték a felhasznált energia mérését. Bláthy kísérletbe kezdett, hogy az eddig használt fogyasztásmérők hibáit kiküszöbölje.

A wattórák mérésére az Elihu Thomson dinamometrikus számlálója szolgált. Az 1888. évi párizsi kiállításon mutatták be, de bizonytalanul mért. A mérési pontatlanság viszont jelentős pénzveszteséget okozott az áramszolgáltatóknak. Egyébként is a Thomson-mérő használata feltételezte, hogy a feszültségi körben folyó áram a feszültséggel arányos és azonos fázisú.

A feladat tehát adott volt: olyan számláló szerkesztése, amelyiknek fordulatszáma követi a mindenkori terhelést (azaz a fékezőnyomaték függjön a fordulatszámtól), mert a fordulatszám arányos a fogyasztott munkával. Minőségileg pedig meg kellett oldani, hogy a számláló a névleges terhelés 0,5-1%-ánál biztosan induljon, és terhelés nélkül, még 120%-os feszültségnél se járjon üresen. (hiszen P=U*I*cosφ, és ha I=0, akkor P=0!) Bláthy 1889 márciusában kiadta a gyártási utasításokat és 1889 végére a Ganz-gyár forgalmazta a világon az első, indukciós elven működő váltakozó áramú fogyasztásmérőket. Az első darabok súlya 20–25 kg között mozgott, a forgatónyomaték 100 cmgr, saját fogyasztás 17 W, fordulatszám 240 fordulat/perc volt. Ezt később csökkentette Bláthy: forgatónyomaték 35 cmgr, fogyasztás 6-7W, fordulatszám 100 fordulat/perc, a forgórész vörösréz tárcsából készült. A forgórész súlya a Thomson számlálókkal összehasonlítva, annak 1/10 része volt. Bláthy mintegy 77 szabadalma közül 27 a számlálógyártással kapcsolatos!

Működése: A készülék hajtóelemét a Ferraris tárcsa képezte. Bláthy jól választotta meg az áram és a feszültség mágneses tere között a 90°-os fáziseltolást. A számláló így a tiszta wattórákat mutatta a terhelés fáziseltolásától függetlenül. A későbbiekben ez lett minden számláló alapelve. A Bláthy-féle indukciós számláló, bár számlálólapja a korabeli szokások szerint amperórákra volt osztva, mégis mutatta a wattfogyasztást a 90°-os fáziseltolás révén. Bláthy ugyanis mágneses mellékzárral vezette át az (így nem teljes) áramkör fluxusát a forgórészen. Ez korszerű megoldásnak számított, mert a konkurencia ezt párhuzamosan kötött ohmikus és soros kötésű induktív ellenállásokkal tudta megoldani.

Továbbfejlesztése: A fejlesztés újabb sikereként 2 évi munka után megjelent az „N” típusú fogyasztásmérő egyenáramra. Az olcsó, 3 kg súlyú mérő kiállta a versenyt a hasonló 6–7 kg súlyú külföldi mérőkkel szemben. A Ganz-gyár eközben lemaradt a váltakozó áramú mérők fejlesztésében. Déri Lajos, és Bláthy ekkor ismét munkához láttak. Az új típus 1913 nyarára készült el. Bláthy, még egy kézzel összeállított prototípussal azonnal elutazott Rómába, s az Anglo-Romanának bemutatta az új mérőt. Néhány napi vizsgálat után egy levelet írt haza, melyhez egy 5000 darabos megrendelés volt mellékelve!

A II. világháború után a Ganz gyár államosításra került. A Ganz Árammérőgyár N. V. 1948. november 1.-el kivált a Ganz és Társa-Danubius Villamossági-, Gép-, Wagon- és Hajógyár Rtból. Az ÁMGY Gödöllőre költözött. A háború miatt elmaradt fejlesztést Vecsei Géza, és Mondl Ferenc vette át. Az eredményes fejlesztésért 1955-ben Kossuth-díjban részesültek. Az új konstrukciókat már tipizált alkatrészekből, nagyüzemi módon állították elő.

Transzformátor (Bláthy Ottó, Zipernowsky Károly, Déri Miksa)

A transzformátor vasmagján legalább két tekercsrendszer van, ezek egymástól vezetőileg többnyire el vannak különítve, szigetelve. Az elektromágneses energiát az egyik rendszer veszi át valamely hálózatból: ez a transzformátor primer tekercsrendszere. A másik rendszer továbbítja az energiát egy másik hálózat felé: ez a szekunder tekercsrendszer. Az energia felvétele és továbbítása nem szerkezeti tulajdonság, hanem üzemviteli állapot, akármelyik tekercs működhet primer vagy szekunder rendszerként. Ennek megfelelően a transzformátor több hálózat energiacseréjét is elláthatja.

Elvi felépítése, működése:

Legegyszerűbb esetben két tekercs (primer és szekunder) helyezkedik el a közös, többnyire zárt vasmagon. Az ábrán + illetve - jelű polaritás egy meghatározott időpillanatban értendő! A primer tekercs huzaljában folyó áram a jobbkézszabállyal meghatározható irányú mágneses erővonalakat hoz létre, ezek a mágneses erővonalak a tekercs belsejében összegződve hozzák létre az ábrán jelölt mágneses fluxust. Mivel ez a mágneses fluxus pillanatról pillanatra változó, a szekunder tekercsben feszültséget indukál. Ha a szekunder kapcsok egy terheléssel zárt áramkört képeznek, a körben áram folyik. Működése során a transzformátor primer oldalán a váltakozó áram a nyitott vagy zárt vasmagban változó mágneses fluxust kelt, ami a szekunder áramkörben feszültséget indukál. A szekunder oldalra villamos terhelést kapcsolva megindul a szekunder áram, és ezzel valósul meg az energiaátvitel. A működés alapfeltétele a primer oldali váltakozóáramú táplálás, mivel csak a változó mágneses fluxus képes a szekunder oldalon feszültséget kelteni.

A működési alapelvekből adódik az is, hogy a két áramkörben a frekvencia azonos, míg a primer és szekunder oldali feszültségek aránya jó közelítéssel a megfelelő oldali tekercsek menetszámainak arányával egyezik meg. A transzformátorban állandósult állapotban az átmenő energia nem halmozódhat, tehát a bemenő és a továbbmenő teljesítmény különbsége a transzformátor veszteségeivel egyenlő. Mivel a transzformátorok jó hatásfokkal működnek, a két teljesítmény gyakorlatilag ugyanakkora. Ebből adódik, hogy a primer és szekunder oldali áramok aránya durva közelítéssel megegyezik a menetszám áttétel reciprokjával.

A transzformátort leggyakrabban a nagy teljesítményű (erőátviteli) villamos hálózatokban használják a feszültségszint, és ezzel az áramszint megváltoztatására. Ennek jelentősége abban áll, hogy azonos teljesítményt magasabb feszültségű átviteléhez kisebb áramra van szükség, így az átviteli hálózat ohmos veszteségei, valamint a vezetékek keresztmetszetei jelentősen csökkenthetők, és így lehetővé válik a villamos energia nagy távolságokra történő gazdaságos továbbítása.

Kidolgozása:

Michael Faraday 1831-ben határozta meg az elektromágneses indukció törvényeit. Az első energiaátvitelre alkalmas, zárt vasmagú transzformátort Bláthy Ottó, Zipernowsky Károly és Déri Miksa szabadalmaztatta 1885-ben. Ezek a transzformátorok a Ganz gyárban készültek Budapesten.
Közülük a képen látható két példány (egy magtranszformátor és egy köpenytranszformátor) jelenleg (2010) Nagycenken, a Széchenyi István Emlékmúzeum egyik kiállításán látható. (Mindkét darab a Magyar Műszaki és Közlekedési Múzeum egyik szakmúzeumának, az Elektrotechnikai Múzeumnak a tulajdona.)

A transzformátor működése a gyakorlatban:

A gyakorlatban a tökéletes csatolás nem valósítható meg, mindig van valamennyi úgynevezett szórt fluxus, ami vagy csak a primer, vagy csak a szekunder tekerccsel kapcsolódik (feltételezve, hogy a vas nem kerül telítésbe, és minden erővonal a vason keresztül záródik). Emiatt a primer és szekunder feszültségek aránya még terheletlen transzformátor esetén is kismértékben eltér a menetszámok arányától.
A primer tekercsre feszültséget kapcsolva a primer tekercsben áram folyik. Ennek nagysága függ a primer tekercs ohmos ellenállásától, az induktív reaktanciájától, valamint a vas átmágnesezéséhez szükséges teljesítménytől. (Üresjárat, ahol I2 = 0). Amennyiben a szekunder oldalt terheljük, a szekunder tekercsben megindul a szekunder áram. Ez az áram a tekercs ohmos ellenállásán és induktív reaktanciáján feszültségesést hoz létre, ami csökkenti a szekunder kapcsokon lévő feszültséget. (Üzemi állapot, ahol 0 < I2 < ∞.)

A gyakorlatban tehát üzemszerű állapotban a szekunder feszültség kisebb, mint az ideális, a primer és szekunder feszültségek aránya a menetszám áttételtől akár 6-50%-kal is eltérhet. Nagyobb transzformátoroknál az eltérés kisebb.

Az ellenállások és a szórt fluxust reprezentáló úgynevezett szórási reaktanciák határozzák meg a transzformátor rövidre zárási áramát (rövidre zárt szekunder oldal). A tervezés során ezért mindig ügyelnek arra, hogy legyen valamennyi szórt fluxus a rövidzárási áram csökkentése érdekében.

Forrás: Wikipédia