Ян Шнейберг - История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)
Рис. 5.14. Электрический генератор с барабанным якорем
Машина Грамма являлась машиной постоянного тока современного типа и получила широкое промышленное применение. Открытый Э.Х. Ленцем еще в 1838 г. принцип обратимости электрических машин с успехом стал использоваться в машине Грамма, и она могла работать как в режиме генератора, так и двигателя. С начала 70-х гг. XIX в. пути развития генераторов и двигателей объединились. Вскоре, в 1873 г., немецкий электротехник Ф. Гефнер-Альтенек предложил заменить кольцевой якорь более современным – барабанным (рис. 5.14). В последующие десятилетия благодаря успехам в изучении магнитных свойств стали, конструирования обмоток и др. электрическая машина постоянного тока к концу 80-х гг. получила современные конструктивные черты.
Создание многофазных систем. Двухфазные генератор и двигатель Н. Теслы, трехфазные системы и асинхронный двигатель М.О. Доливо-Добровольского
Изобретение самовозбуждающихся генераторов и двигателей постоянного тока положило начало массовому применению электрической энергии, и в 80 – 90 гг. XIX в. зарождаются основные электротехнические устройства промышленного и бытового назначения.
Первым массовым потребителем электроэнергии явилась система электрического освещения. В эти же годы зарождается электропривод различных исполнительных механизмов – вентиляторов, насосов, подъемников. Начинается применение электроэнергии на транспорте: в 1879 г. В. Сименсом была построена первая небольшая электрическая дорога на промышленной выставке, а в 1880 г. инженер Ф.А. Пироцкий осуществил опытный пуск электрического трамвая в Петербурге. Тяговые электродвигатели постоянного тока имели хорошие характеристики с удобным плавным регулированием скорости. В 1883-1884 гг. начали действовать трамвайные линии в Англии и Германии, первый трамвай в России был пущен в Киеве в 1892 г.
Для снабжения электроэнергией при крупных предприятиях начали строить «домовые» блок-станции. Но вскоре в связи с увеличением мощности потребителей стало необходимым вырабатывать электроэнергию на центральных электростанциях. Первая крупная электростанция была сдана в эксплуатацию в 1882 г. Эдисоном в Нью-Йорке мощностью около 500 кВт. Она обслуживала главным образом устройства электрического освещения при напряжении 110 В. Но в связи с большими потерями напряжения в сетях станция располагалась в центре города. Точно также первая центральная электростанция в Москве была построена в 1886 г. в Георгиевском переулке близ Охотного ряда. Однако вскоре возможности увеличения радиуса электроснабжения на постоянном токе были исчерпаны (напомним, что потери в сетях обратно пропорциональны напряжению, а постоянный ток было невозможно трансформировать). И уже в конце 80-х – начале 90-х гг. начинается строительство электростанции однофазного переменного тока. Но при этом возникли новые проблемы: однофазные системы, пригодные для питания осветительных установок, усложняли и тормозили развитие электропривода. Однофазные электродвигатели не имели начального пускового момента и требовали для пуска специального «разгонного» двигателя.
Стало очевидным, что электрификация промышленности возможна при условии строительства крупных электростанций в местах, богатых первичными энергоресурсами, с последующей передачей электроэнергии на дальние расстояния и снабжения различных объектов электропотребления.
В 80-х – 90-х гг. XIX в. со всей остротой возникла потребность в решении важнейшей комплексной научно-технической проблемы: осуществления экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создание надежного в эксплуатации электродвигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Ученые и инженеры в разных странах пришли к выводу, что эта проблема может быть успешно решена на основе многофазных систем, из которых наиболее рациональной оказалась трехфазная система.
Исследованиями и экспериментами было установлено, что двухфазные и трехфазные двигатели можно создать, используя явление вращающегося магнитного поля.
К открытию вращающегося магнитного поля независимо друг от друга и почти одновременно пришли два выдающихся ученых – серб Никола Тесла (1856-1943) и итальянец Галилео Феррарис (1847-1897).
Получение вращающегося магнитного поля можно понять из рисунка схемы двухфазных генератора и двигателя Теслы. На статоре электродвигателя (рис. 5.15) укреплены два электромагнита, расположенные взаимно перпендикулярно – один вертикально, другой горизонтально. На полюсах электромагнитов расположена обмотка, концы которой выведены к зажимам источника питания (в данном случае – синхронного генератора). Если к обмоткам электромагнитов подключить два переменных тока, сдвинутых по фазе на 90°, то внутри статора возникнет вращающееся магнитное поле и ротор – в виде двух взаимно перпендикулярных замкнутых катушек начнет вращаться с постоянной скоростью. Если вместо катушек поместить на оси медный цилиндр, то и он придет во вращение.
Рис. 5.15. Двухфазные генератор и двигатель Теслы
Первую заявку на получение патента на многофазные системы Тесла подал в октябре 1887 г, а в мае 1888 г. в докладе на конференции в Американском институте электроинженеров он продемонстрировал свое изобретение. Г. Феррарис сделал свой доклад «Электродинамическое вращение с помощью переменных токов» в Туринской академии наук в марте 1888 г. Профессор Феррарис был известным в Европе ученым, разработавшим теорию переменных токов. Действие вращающегося магнитного поля он наглядно продемонстрировал на модели двухфазного двигателя, хранящейся в музее г. Турина. Но если Феррарис не видел практического применения двигателя, то Тесла не только создал двухфазные генератор и двигатель. По его проекту компания Вестингауз изготовила три двухфазных генератора по 5000 л.с., которые были установлены на самой крупной по тому времени гидростанции на величайшем в мире Ниагарском водопаде, открытие которой состоялось в 1896 г. «под гром пушек и при всеобщем ликовании».
Генератор Теслы (как видно из рисунка) представлял собой статор, на котором укреплялись два постоянных магнита, а ротор состоял из двух независимых катушек, расположенных под прямым углом. Концы катушек выводились на кольца, укрепленные на валу (для наглядности на рисунке эти кольца имеют разные диаметры). Н. Тесла получил более 40 патентов на многофазные системы, в том числе и трехфазные.
Н. Тесла был необыкновенно одаренным человеком. Он родился в хорватском селении Смиляны в семье священника. Уже в реальном училище он обратил внимание учителей на свои способности в математике и физике, в изучении иностранных языков, в умении создавать оригинальные механизмы и устройства. Будучи студентом Высшей технической школы в г. Граце, он проводил в электротехнической лаборатории много экспериментов и высказал своему профессору идею о создании двигателя переменного тока. Видный ученый перед всем курсом пытался опровергнуть доводы своего ученика: «Тесла, – сказал он, – несомненно, совершит великие дела, но осуществить высказанную им идею ему никогда не удастся».
После окончания Высшей технической школы в 1878 г. Тесла начал работать инженером-электриком в Телеграфной компании в Будапеште, но все свое время уделял созданию электродвигателя, пытаясь найти наиболее совершенные конструктивные формы. И в феврале 1882 г. во время прогулки он, взяв трость у своего коллеги, нарисовал на песке схему электродвигателя, принцип действия которого был основан на явлении вращающегося магнитного поля.
Вскоре Тесла уезжает в Париж, где изготавливает модель своего двигателя, демонстрирует его действие группе предпринимателей с целью наладить массовое производство двухфазных двигателей, отличавшихся простотой и надежностью. Но предприниматели не спешили вкладывать деньги в новое, еще неизвестное производство. В 1884 Тесла уезжает в Америку, к Эдисону. Но, как известно, Эдисон долгое время не признавал преимущество переменного тока, поэтому Тесла был вынужден покинуть мастерские Эдисона. Два года Тесла занимался электрическим освещением, но часто был вынужден подрабатывать на жизнь и даже работать грузчиком!
Наконец, весной 1887 г. Тесле с группой единомышленников – сотрудников Телеграфной компании удалось создать общество «Tesla Electric Company» и реализовать свои теоретические разработки. Вскоре им были созданы первые двухфазные генераторы, двигатели и все необходимое оборудование для их практического использования.
Диапазон выдающихся открытий Теслы поистине поразителен: он был автором более 800 изобретений в области электротехники, радиотехники, техники высоких частот, автоматики и телемеханики. В 1891 г. он создал знаменитый «резонанс- трансформатор », позволявший получать высокочастотные напряжения до сотен тысяч вольт. Он много работал над проблемой «передачи осмысленных сигналов и, быть может, даже энергии на любое расстояние вовсе без помощи проводов». В 1898 г. он создал радиосистему для дистанционного управления суднами на расстоянии более 25 миль и ввел термин «телеавтоматика» – технику «управления движениями и действиями автоматов, удаленных на расстояния». Как уже отмечалось, в 1900 г. он писал о возможности создания автоматического устройства, «аналогичного человеческому мозгу». Он сделал огромный вклад в радиотехнику, и американский суд признал его приоритет перед Маркони в создании радио (см. гл. 9). Тесла утверждал возможность осуществления межпланетных радиосообщений. К сожалению, многие прогрессивные идеи Теслы по разным причинам не могли быть претворены в жизнь, но они проложили дорогу многим отраслям современной электротехники и радиотехники и до сих пор – как писал один из биографов – «продолжают волновать исследователей, звать к новым поискам». И не случайно имя Николы Теслы начертано на знаменитой Стене Почета в Страсбурге рядом с именами всемирно известных ученых – Лапласа, Планка, Бора, Эйнштейна, Резерфорда.
