Electric revolution

В октябрьском номере «Энерговектора» за 2016 г. мы рассказывали об истории создания двигателей постоянного тока и первых удачных опытах их применения более ста лет назад. Это был настоящий прорыв в электротехнике и вообще практическом применении электроэнергии. Однако вскоре у двигателя постоянного тока появился сильный конкурент – двигатель, работающий на переменном токе, который, как известно, уже к середине ХХ века выиграл борьбу за мировое лидерство. Об истории создания нового двигателя и причинах его успеха мы расскажем сегодня.

Передача энергии

В конце XIX века электрические двигатели постоянного тока приобретали всё большую популярность в промышленном производстве. Но уже в те годы зачастую возникала ситуация, когда крупные электростанции (особенно ГЭС) располагались за сотни километров от потребителей. И перед электротехниками остро встал вопрос о передаче электрической энергии на большие расстояния с минимальными потерями.

Было установлено, что потери в линии можно уменьшить за счёт увеличения сечения провода либо повышения напряжения. Первые проекты по применению провода большого сечения показали, что этот путь экономически невыгодный и фактически труднореализуемый. Так, в 1876 г. немецкий промышленник Вернер Сименс, посетив Ниагарский водопад, высоко оценил возможности его использования в энергетике. Но, по расчётам Сименса, для передачи энергии от водопада на расстояние 50 км требовалась линия с медным проводом, который должен иметь диаметр не менее 75 мм. Конечно, позволить себе потратить столько недешёвой меди промышленники не могли.

Гораздо более выгодным казался второй путь: увеличение напряжения в линии. Опыты, например, французского физика Марселя Депре (1882–1885 гг.), показывали, что, повышая напряжение (в его опытах до 6 кВ), можно значительно увеличить КПД линии, но для этого нужно было строить генераторы высокого напряжения, которые постоянно перегревались и выходили из строя. Кроме того, конечные потребители не могли использовать высокое напряжение. Для его понижения до сотни вольт приходилось строить сложную преобразовательную систему «высоковольтный мотор – низковольтный генератор». При этом потери ещё сильнее возрастали, в результате передача электроэнергии на большие расстояния становилась бессмысленной.

Работая над этой проблемой, к середине 1880-х годов электротехники установили, что легче изготовить высоковольтный генератор переменного напряжения, чем постоянного. Более того, необходимое для экономичной передачи высокое напряжение имеет смысл получать даже не в самой динамо-машине, а с помощью отдельного повышающего трансформатора (изобретённого в 1876 г. русским инженером П. Н. Яблочковым), что значительно проще и эффективнее. При этом на конце линии электропередачи устанавливался понижающий трансформатор. Однако в этом случае возникала необходимость в применении выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный, которые по тем временам были непростыми и обладали большими потерям. Так возникла насущная потребность в изобретении двигателя, способного работать на переменном токе.

Тесла и Феррарис

За работу по созданию такого двигателя одновременно принялись изобретатели со всего мира. Опыты Бейли (1879 г.), Марселя Депре (1883 г.), Бредли (1887 г.), Ф. Хазельвандера (1887 г.) и многих других изобретателей были интересны, но ни один из них не мог удовлетворить нужды промышленности: электродвигатели получались либо громоздкими и неэкономичными, либо сложными и ненадёжными.

Двухфазный электродвигатель Теслы

В 1888 г. произошёл долгожданный научный прорыв: независимо друг от друга сербский физик-изобретатель Никола Тесла и итальянский физик Галилео Феррарис научно описали явление вращающегося электромагнитного поля в современном его понимании. Однако Феррарис в своём докладе сделал ошибочный вывод о нецелесообразности применения переменных многофазных токов, главным образом из-за низкого КПД электрических установок (по его расчётам, не более 50%), и не стал продолжать исследования в этом направлении, тогда как Тесла видел будущее электротехники именно за переменным током.

В том же 1888 г. Тесла, исходя из принципа вращения магнитного поля, создал сложную систему, состоявшуюся из генератора, линии проводной связи и самого двигателя переменного тока. Стоит отметить, что еще в 1887 г. Тесла теоретически описал все возможные случаи сдвига фаз и получил патент на многофазные электрические машины с вращающимися полями. В своих опытах он остановился на двухфазном варианте со сдвигом фаз 90°, но обрисовал возможность внедрения машин и с большим числом фаз. Кроме того, Тесла также получил патенты на системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока.

Уже в июне 1888 г. компания Westinghouse Electric купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей. Эти двигатели по сравнению с ранее созданными были более надёжными и эффективными, но, тем не менее, имели и значительные недостатки. Выступающие полюса статора с сосредоточенной обмоткой, большое магнитное сопротивление, необходимость использования четырёх проводов – всё это ухудшало характеристики машины и удорожало сооружение линий электропередачи. Неудачным оказался и выбор двухфазной системы, хотя сам Тесла считал её оптимальной среди всех возможных многофазных систем.

Две фазы или три?

Двухфазные асинхронные двигатели и электрогенераторы Теслы, несмотря на ряд недостатков, получили достаточно широкое распространение в США. В 1895 г. на основе двухфазных генераторов и двухфазной системы электропередачи была построена Ниагарская ГЭС, которая на тот момент была крупнейшей в мире (её мощность составляла 50 тыс. л. с.). Однако со временем из экономических и технических соображений американцы полностью заменили двухфазные системы на трёхфазные, наибольшая заслуга в разработке которых среди учёных и инженеров разных стран принадлежит русскому электротехнику Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому.

Трёхфазный электродвигатель Доливо-Добровольского

М. О. Доливо-Добровольский в своих разработках взял за основу двигатель Теслы и усовершенствовал его, используя вместо двух обмоток три сдвинутые на 120° обмотки переменного тока. В 1888 г. он построил свой первый трёхфазный генератор переменного тока мощностью около 3 кВт, от которого привёл в действие трёхфазный двигатель со статором в виде кольца Грамма и ротором в виде сплошного медного цилиндра.

В 1889 г. конструкция двигателя была значительно улучшена. На этот раз в качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24 полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Н. Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки – разместил их в пазах по всей окружности статора, добившись более удачного распределения магнитного поля. Ротор же был выполнен в виде цилиндра с обмотками по типу «беличьего колеса». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали значительно больше. Опытная установка поражала всех электротехников весьма небольшими размерами для своей мощности.

Меньше проводов

Исследуя свойства трёхфазной системы, Михаил Осипович доказал, что в любой момент времени сумма токов системы равна нулю (при исправном оборудовании. – Прим. ред.), и поэтому для передачи энергии к электродвигателю достаточно трёх проводов, что позволяло при прочих равных условиях экономить четверть меди по сравнению с двухфазной цепью. Одновременно М. О. Доливо-Добровольский исследовал соединения звездой и треугольником, экспериментировал с токами различных напряжений и с машинами, имеющими разное число пар полюсов, разработал все элементы классических трёхфазных цепей переменного тока: трёхфазные трансформаторы, пусковые реостаты, измерительные приборы, схемы включения генераторов и двигателей звездой и треугольником.

По своим техническим показателям электродвигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы и были настолько удачны, что практически не претерпели существенных изменений до настоящего момента.

* * *

Конкуренция между системами постоянного и переменного тока на Западе, получив оригинальное название «войны токов», продолжалась вплоть до ноября 2007 г., когда энергосистема Нью-Йорка была окончательно переведена на переменный ток. Он предоставляет энергетикам несколько существенных преимуществ, таких как простота передачи энергии на большие расстояния, возможность лёгкой трансформации напряжения, более надёжная и простая конструкция генератора и электродвигателя. И именно поэтому сегодня подавляющее большинство потребителей использует для своих нужд переменный ток, а трёхфазная система переменного тока и трехфазные электродвигатели, доказав свою высокую эффективность, получили массовое распространение во всём мире.