История электротехники

Коллектив авторов

Примером крупной гидростанции, питавшей осветительную нагрузку в однофазной цепи, может служить станция, построенная в 1889 г. на водопаде вблизи г. Портленда (США). На этой станции гидравлические двигатели приводили в действие восемь однофазных генераторов общей мощностью 720 кВт. Кроме того, на электростанции были установлены 11 генераторов, предназначенных специально для питания дуговых ламп (по 100 ламп на каждый генератор). Энергия этой станции передавалась на расстояние 14 миль в г. Портленд.

Характерная особенность первых электростанций переменного тока — изолированная работа отдельных машин. Синхронизация генераторов еще не производилась, и от каждой машины шла отдельная цепь к потребителям. Легко понять, насколько неэкономичными при таких условиях оказались электрические сети, на сооружение которых расходовались колоссальные количества меди и изоляторов.

В России крупнейшие станции переменного тока были сооружены в конце 80-х и начале 90-х годов XIX в. Первая центральная

электростанция построена венгерской фирмой «Ганц и Кo» в г. Одессе в 1887 г. Основным потребителем энергии была однофазная система электрического освещения нового театра. Эта электростанция представляла собой для своего времени прогрессивное сооружение. Она имела четыре водотрубных котла общей производительностью 5 т пара в час, а также два синхронных генератора общей мощностью 160 кВт при напряжении на зажимах 2 кВ и частоте 50 Гц. От распределительного щита энергия поступала в линию длиной 2,5 км, ведущую к трансформаторной подстанции театра, где напряжение понижалось до 65 В (на которое были рассчитаны лампы накаливания). Оборудование электростанции было столь совершенным для своего времени, что, несмотря на то что топливом служил привозной английский уголь, стоимость электроэнергии была ниже, чем на более поздних петербургских и московских электростанциях. Расход топлива составлял 3,4 кг/(кВт•ч) [на петербургских электростанциях 3,9–5,4 кг/(кВт•ч)].

В том же году началась эксплуатация электростанции постоянного тока в Царском Селе (ныне г. Пушкин). Протяженность воздушной сети в Царском Селе уже в 1887 г. была около 64 км, тогда как два года спустя суммарная кабельная сеть «Общества 1886 г.» в Москве и Петербурге, составляла только 115 км. В 1890 г. Царскосельская электростанция и сеть были реконструированы и переведены на однофазную систему переменного тока напряжением 2 кВ. По свидетельству современников, Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.

Крупнейшей в России электростанцией для снабжения однофазной системы переменного тока была станция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н.В. Смирновым. Мощность ее составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существовавшей в то время станции постоянного тока. В качестве первичных двигателей использовались четыре вертикальные паровые машины мощностью 250 л.с. каждая. Применение переменного напряжения 2000 В позволило упростить и удешевить электрическую сеть и увеличить радиус электроснабжения (более 2 км при потере до 3% напряжения в магистральных проводах вместо 17–20% в сетях постоянного тока). Таким образом, опыт эксплуатации центральных станций и однофазных сетей показал преимущества переменного тока, но вместе с тем, как уже отмечалось, выявил ограниченность его применения. Однофазная система тормозила развитие электропривода, усложняла его. Так, например, при подключении силовой нагрузки к сети Дептфордской станции приходилось дополнительно помещать на валу каждого синхронного однофазного двигателя еще разгонный коллекторный двигатель переменного тока. Легко понять, что такое усложнение электропривода делало весьма сомнительной возможность его широкого применения.

3.5. ОТКРЫТИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СОЗДАНИЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX столетия, когда решение комплексной энергетической проблемы вызвало к жизни электропередачу и электропривод. Электрификация началась тогда, когда оказалось возможным строить крупные электрические станции в местах, богатых первичными ресурсами, объединять их работу на общую сеть и снабжать электроэнергией любые центры и объекты электропотребления.

Техническая сторона электрификации заключалась в разработке многофазных систем, из которых практика сделала выбор в пользу системы трехфазной. Наиболее важными и во всяком случае новыми элементами трехфазной системы были электродвигатели, действие которых основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.

Ранее упоминался опыт Д.Ф. Араго, в котором диск и вращающийся магнит отражали только возможность осуществления асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако это поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом.

^{Рис. 3.9. Прибор Бейли} 

Долгое время явление, открытое Д.Ф. Араго, не находило практического применения. Только в 1879 г. английский ученый Уолтер Бейли сконструировал прибор (рис. 3.9), в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства —: путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Намагничивание производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором.

Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так, что через восемь переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление в пространстве на 360°. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Д.Ф. Араго, был подвешен медный диск. У. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение магнитного поля. Прибор У. Бейли не нашел никакого применения. Тем не менее он был некоторым связующим звеном между опытом Д.Ф. Араго и более поздними исследованиями. С позиций сегодняшнего дня представляется крайне простым осуществление вращающегося магнитного поля в установке У. Бейли или в подобном приборе иной конструкции путем питания электромагнитов синусоидальными токами с различными начальными фазами. Однако в 80-х годах XIX столетия на это ушло несколько лет работы и поисков многих ученых, среди которых были Марсель Депре, разработавший в 1883 г. систему синхронной связи двух движений, изобретатель репульсионного двигателя американский ученый Илайю Томсон (1853–1937 гг.), американский электротехник Чарльз Бредли, немецкий инженер Фредерик Хазельвандер (1859–1932 гг.) и др. В связи с этим интересно привести фразу И. Томсона: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению». История открытия вращающегося магнитного поля и многофазных систем до крайности запутана. В 90-е годы XIX в. прошли многие судебные процессы, на которых разные фирмы, скупившие патенты изобретателей, пытались утвердить свои права на многофазные системы. Только американская фирма «Вестингауз» провела более 25 судебных процессов.

^{Рис. 3.10. К пояснению открытия Феррариса} 

Однако исчерпывающие и получившие наибольшую известность экспериментальные и теоретические исследования вращающегося магнитного поля выполнили независимо друг от друга выдающиеся ученые итальянец Галилео Феррарис (1847–1897 гг.) и серб Никола Тесла (1856–1943 гг.) [1.6; 3.6; 3.7].

Г. Феррарис утверждал, что суть явления вращающегося магнитного поля он осознал еще в 1885 г., но доклад «Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов» он сделал в Туринской академии (членом которой он состоял с 1880 г.) 18 марта 1888 г.

Н. Тесла в своей автобиографии рассказывал, что идея двухфазного асинхронного двигателя родилась у него еще в 1882 г., когда он работал в Будапештской телеграфной компании. Гуляя в парке с другом, он, осененный идеей, тростью сделал на песке набросок принципа, который изложил шесть лет спустя на конференции в американском Институте электроинженеров. Доклад в этом институте состоялся 16 мая 1888 г., т.е. на два месяца позднее доклада Г. Феррариса. Но первую заявку на получение патента на многофазные системы Н. Тесла подал еще 12 октября 1887 г, т.е. ранее выступления Г. Феррариса.

Остановимся сначала на работе Г. Феррариса, исходя не из приоритетных соображений, а из того, что в его работе дан более обстоятельный теоретический анализ, и еще потому, что именно перевод доклада Г. Феррариса в английском журнале попал в свое время в руки М.О. Доливо-Добровольскому и вызвал первый импульс в серии последующих замечательных изобретений.

^{Рис. 3.11. Модель двигателя Феррариса} 

Г. Феррарис умел в очень ясной форме объяснять трудные физические процессы. Вот как им было объяснено явление вращающегося магнитного поля. Рассмотрим показанную на рис. 3.10 пространственную диаграмму, на которой ось х представляет собой положительное направление вектора магнитной индукции, создаваемой одной из катушек, а ось у — положительное направление поля другой катушки. Для момента времени, когда одна магнитная индукция в точке О изображается отрезком ОА, а другая — ОБ, суммарная результирующая магнитная индукция изобразится отрезком OR. При изменении ОА и OB точка R перемещается по кривой, форма которой определяется законами изменений во времени двух полей. Если две напряженности магнитного поля имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на четверть периода, то геометрическим местом точки R станет окружность. Налицо вращение магнитного поля. Если фазу одной из напряженностей магнитного поля или возбуждающего его тока изменить на 180°, то изменится и направление вращения результирующего магнитного поля. Если поместить в это магнитное поле снабженный валом и подшипниками медный цилиндр, то он будет вращаться. Позднее асинхронные двигатели с полым ротором в виде медного стакана получили название двигателей Феррариса.