Анатолий Томилин - Мир электричества

Демонстрировалось изобретение Голяра и на Туринской выставке в 1884 году. Но к этому времени братья Джон и Эдуард Гопкинсоны в Англии придумали первый трансформатор с замкнутым сердечником, который обладал существенно лучшими характеристиками по сравнению с катушкой, снабженной простым стержневым сердечником.

После создания однофазного трансформатора с замкнутым сердечником и параллельным включением обмоток стала возможна передача электроэнергии переменным током высокого напряжения на большие расстояния с малыми потерями.

«Вторичный генератор» – трансформатор Голяра и Гиббса

Трансформаторы послужили одним из решающих аргументов в пользу перехода на переменный ток. Но и сторонники более изученного и привычного постоянного тока не сдавались. Постоянный ток был необходим для телеграфии, в электрометаллургии, на транспорте, для прокатных станов и блюмингов, в судостроении.

Споры между приверженцами разных систем получили название «трансформаторных битв», настолько они были непримиримыми. Среди сторонников постоянного тока нашлось немало талантливых конструкторов. Они нашли способ заставить ток высокого напряжения вращать электродвигатель, соединенный с динамо-машиной, которая давала ток низкого напряжения. Это определило создание трансформаторов постоянного тока.

Промышленный интерес к подобным машинам проявила фирма «Шуккерт и Ко» в Германии. Во Франкфурте-на-Майне изобретатель Лемейер придумал разместить на одном якоре машины две обмотки: одну со множеством витков тонкой проволоки, а другую с малым количеством витков толстого провода. Каждую обмотку он соединил со своим коллектором. Получилась машина, объединяющая в себе и двигатель, и генератор. Назвали ее умформером, машиной, способной преобразовывать постоянный ток одного напряжения в постоянный же ток другого напряжения, то есть трансформатор постоянного тока.

Трансформатор постоянного тока Лемейера

Напряжение в однофазных цепях легко было повышать и понижать с помощью трансформаторов в любых пределах. Это снимало главную проблему передачи электроэнергии на расстояние. Но однофазные синхронные двигатели либо не имели пускового момента, либо запускались с большим трудом. И это сужало область применения однофазного переменного тока. На его долю оставалось только электрическое освещение. Существующее производство такое решение не устраивало. И в бурно развивающейся электроэнергетике возник научно-технический кризис…

Вы, наверное, не забыли, как в 1824 году талантливый французский физик Доминик Франсуа Араго демонстрировал коллегам по академии феномен «магнитного вращения». Напомню, он вращал постоянный магнит под немагнитным медным диском, и тот послушно следовал за магнитным стержнем или подковкой.

Полвека спустя английский физик У. Бейли заставил вращаться медный диск в меняющемся магнитном поле неподвижных электромагнитов. Он доказал, что, будь таких электромагнитов бесконечное множество, магнитное поле стало бы равномерно вращающимся. Это было явление, довольно трудно постигаемое электриками той поры. Многие интересовались им, но больше всех, пожалуй, сделали для понимания и практической реализации феномена итальянский профессор, член Туринской академии наук Галилео Феррарис и перебравшийся в Америку сербский инженер Никола Тесла. Оба независимо друг от друга и почти одновременно сконструировали модели двухфазных индукционных (асинхронных) двигателей и объяснили их действие.

Схема первоначального двигателя Н. Теслы

Двухфазный индукционный (асинхронный) двигатель Н. Теслы, изготовленный на заводах Вестингауза

Феррарис полагал получать сдвинутые по фазе токи от одного генератора при помощи сконструированной им фазосмещающей системы. В отличие от итальянского коллеги, Тесла был всю жизнь сторонником двухфазной системы, считая ее наиболее экономичной. Это была его ошибка. Но выяснилась она позже.

Двухфазная система требовала четырех проводов, что делало строительство более дорогим. Провода были, как правило, из меди. Именно медь имеет наименьшее электрическое сопротивление, потому и потери в медной линии были меньше, чем в стальной.

Тесла предложил четыре провода двухфазной линии передачи заменить тремя, объединив два из них в один – нулевой. Но по этому проводу шел больший ток, и его приходилось делать существенно толще. Выигрыш в металле оказывался ничтожным.

Тесла оказался не только исключительно талантливым инженером-изобретателем, но и весьма оборотистым дельцом. Так, только за 80-е годы он получил более 40 патентов на многофазные системы и в 1888 году продал их фирме Вестингауза, с которой сотрудничал несколько лет.

В то время конструкторы разных стран разрабатывали многофазные системы. В Англии много сил потратил на это Ч. Бредли. Он построил несколько оригинальных двухфазных и трехфазных генераторов. Однако, не будучи знаком с результатами опытов с вращающимся магнитным полем, он рассматривал все многофазные системы просто как сумму однофазных. И потребители на конце линии передачи энергии должны были включаться в свою однофазную пару проводов.

Схема пятипроводной системы распределения энергии между потребителями

Одну из первых многопроводных схем предложил швейцарский инженер Рене Тюри. И по его проекту была сооружена французская линия электропередачи Мутье-Лион длиной 180 км с напряжением 57 кВ. В строй она вошла в 1906 году.

На гидростанции Мутье последовательно были включены несколько динамо-машин. Напряжение подавалось в линию. В Лионе, на приемном конце, стояли также последовательно соединенные двигатели постоянного тока, которые, в свою очередь, вращали трехфазные генераторы переменного тока. И уж от них ток шел на предприятия и в дома города. Система получилась довольно сложной.

Тем не менее в мире было построено несколько многопроводных линий. Наибольшее распространение получила трехпроводная система распределения с двумя генераторами и вдвое большим напряжением в линии передачи. На нее в ряде городов стали переделывать даже уже имеющиеся двухпроводные системы.

Наибольший успех выпал на долю молодого русского инженера-конструктора германской фирмы «АЕG» Михаила Осиповича Доливо-Добровольского.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1861–1919)

Михаил Доливо-Добровольский родился в Санкт-Петербурге в семье чиновника. В шестнадцать лет поступил в Рижский политехнический институт, но в результате студенческих волнений был исключен и закончил образование в Германии на электротехническом отделении машиностроительного факультета Дармштадтского высшего технического училища. По окончании учебы получил предложение остаться преподавателем в том же училище. Он согласился, но скоро перешел на заводы фирмы «Всеобщая электрическая компания» (Allgemeine Electricitats-Gesellschaft – AEG). Здесь и прошла почти вся его трудовая и творческая жизнь.

Он много занимался проблемами электротехнических измерений и, естественно, не мог не интересоваться проблемами передачи и распределения электроэнергии. Так, он изобрел очень простой и экономичный трехпроводный «делитель напряжения», который позволил использовать в линиях передачи постоянного тока напряжение вдвое большее, чем у потребителей.

В 1888 году он познакомился с текстом доклада Г. Феррариса и сразу же стал думать о применении не двухфазного тока, как у Феррариса и Теслы, а трехфазного, то есть трех переменных токов, сдвинутых по фазе на одну треть периода (на 120°), создающих вращающееся магнитное поле. Но для широкого практического использования трехфазного тока следовало создать прежде всего соответствующий двигатель. И Доливо-Добровольский его изобретает. Это была удивительная машина с ротором, имеющим короткозамкнутую обмотку в виде «беличьего колеса». Михаил Осипович сразу же получает на него патент. Кстати, его конструкция асинхронного двигателя в принципе сохранилась и до наших дней, как, впрочем, и вся созданная Доливо-Добровольским трехфазная электрическая система.

Далеко не все видели в трехфазной системе панацею от всех бед передачи энергии на большие расстояния. Для обеспечения в линии высокого напряжения переменного тока нужны были трансформаторы. А система Доливо-Добровольского требовала сразу трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе или двух – при двухфазной. Но трансформаторы были дорогие. Нужно было считать, что дешевле: три провода трехфазной системы плюс лишний трансформатор или три провода двухфазной системы с двумя трансформаторами, при условии, что нулевой провод будет иметь больший диаметр.