Ян Шнейберг - История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника)

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.

Если когда-нибудь будет создан Всемирный музей науки и техники, то, несомненно, среди замечательных его экспонатов почетное место займет электрический двигатель, без которого невозможно представить жизнь современного общества.

Среди огромного разнообразия типов и конструкций электродвигателей удивительный простой и надежностью отличается трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М.О. Доливо-Добровольского, занимающим господствующее положение в системе промышленного электропривода.

Созданные ранее двухфазные электродвигатели Теслы хотя и получили некоторое применение, но их конструкция страдала существенными недостатками: выступающие полюса статора с сосредоточенной обмоткой, большое магнитное сопротивление, необходимость использования четырех проводов – все это ухудшало характеристики машины и удорожало сооружение электропередачи.

И как уже отмечалось, для решения актуальных научно-технических проблем должны быть объективные социальные и технические предпосылки. Поэтому новые открытия и изобретения, как правило, носят интернациональный характер, к ним почти одновременно подходят ученые и инженеры разных стран.

И не случайно одновременно с Доливо-Добровольским разработкой трехфазных систем занимались Ч. Бредли в Америке и Ф. Хазельвандер в Германии. Однако, как писал Доливо-Добровольский, «технический приоритет» принадлежит тому изобретателю, который «сумел сделать свое открытие жизнеспособным… и создать применимый технический агрегат». Именно М.О. Доливо-Добровольский стал тем человеком, чей талант ученого, инженера и изобретателя позволил разработать и внедрить в промышленность наиболее современную трехфазную систему, сохранившую до наших дней свои основные черты.

Михаил Осипович родился 2 января 1862 г. в дворянской семье в г. Гатчине, близ Санкт-Петербурга. После переезда родителей в Одессу он поступил в Реальное училище, а затем в Рижский политехнический институт: его с юных лет увлекали физика и химия, он много занимался в лаборатории, проводя различные эксперименты. Но в 1881 г. он был исключен из института за участие в студенческом революционном движении без права поступления в высшие учебные заведения России.

Стремление к знаниям было настолько велико, что он уезжает в Германию и становится студентом Дармштадского высшего технического училища, из стен которого вышло много известных инженеров-электриков.

В 1884 г. Михаил Осипович после успешного окончания училища был оставлен в нем в должности ассистента и начал преподавать курс электрохимии. Но вскоре его приглашают в Берлинскую электротехническую фирму АЭГ, где он занял должность шеф-электрика и увлекся проблемами создания трехфазных систем.

В 1888 г., изучив работы Феррариса, Доливо-Добровольский решил создать в статоре двигателя вращающееся магнитное поле и поместить в него короткозамкнутый ротор с малым сопротивлением. Тогда в роторе при небольшом скольжении и достаточно сильном магнитном поле статора возникают токи, вызывающие большой вращающий момент.

Медный цилиндр (ротор) в двигателе Феррариса имел небольшое сопротивление, но, как было известно, медь немагнитный материал, и КПД такого двигателя был бы небольшим. Если же заменить медный цилиндр стальным, тогда магнитный поток значительно возрастет, но электропроводность стального ротора значительно меньше, и это неизбежно снизит КПД двигателя. Как преодолеть это противоречие? И вот где проявился необычайный талант Михаила Осиповича, показавшего замечательный пример творческого инженерного мышления и смелости конструкторского решения. Он предложил выполнить ротор в виде стального цилиндра (это уменьшает его магнитное сопротивление), просверлить вдоль него по периметру каналы и заложить в них медные стержни (это уменьшит электрическое сопротивление ротора). Эти стержни на торцах ротора электрически соединяются с помощью медных пластин или колец. Этот ротор получил название «беличьей клетки», и патент на его изобретение был подан Доливо-Добровольским 8 марта 1889 г. Варианты конструкций ротора показаны на рис. 5.16. Поразительно! Прошло более 120 лет, за эти годы неузнаваемо изменились многие электротехнические устройства, появились новые материалы и технологические процессы, но «беличья клетка» остается в своем первозданном виде!

Первый асинхронный двигатель, построенный в конце 1889 г., имел мощность около 100 Вт, медные стержни «беличьей клетки» не имели изоляции, а воздушный зазор был очень небольшой – около 1 мм, что в те годы было тоже смелым инженерным решением (рис. 5.17).

Но для пуска двигателя нужен был трехфазный источник питания. Над его созданием Доливо-Добровольский провел «не одну бессонную ночь, изучая различные схемы многофазных цепей». И он пришел к идее использовать кольцевой якорь одноякорного преобразователя (известной конструкции для превращения машины постоянного тока в машину переменного тока), сделав отпайки от трех его точек, сдвинутых на 120°, и выведя их на три контактных кольца. Так он получил трехфазную систему токов с разностью фаз 120°.

Рис. 5.16. Варианты ротора с обмоткой в виде «беличьей клетки» (из патента Доливо-Добровольского):

1 – стальной цилиндр; 2 – медные стержни; 3 – медные пластины или кольца

Рис. 5.17. Первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского (в собранном и разобранном виде)

О первом впечатлении об испытаниях нового двигателя Доливо-Добровольский писал: «Уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представлений того времени действие. Электродвигатель, якорь которого имел диаметр около 75 мм и длину также около 75 мм и не обладал никакими особыми присоединениями к сети, мгновенно стал вращаться на полное число оборотов и был совершенно бесшумным. Попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась… Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашенных свидетелей».

Исследуя свойства трехфазной системы, Михаил Осипович показал, что в любой момент времени сумма всех трех токов равна нулю, и поэтому для передачи энергии к электродвигателю достаточно трех проводов. И еще несколько важных открытий: экономичность трехфазной системы – на три провода при прочих равных условиях требовалось затратить на 25 % меди меньше, чем в однофазной цепи; обмотки источника питания и потребителей могут соединяться звездой (четырехпроводная цепь) и треугольником (трехпроводная). Преимуществом четырехпроводной цепи стала возможность использования двух напряжений – линейного и фазного.

Достоинства трехфазной системы казались столь необычными, что Доливо-Добровольскому пришлось выступать в Берлинском электрическом обществе и в печати в ее защиту и доказывать, что трехфазная система является наиболее оптимальной, открывающей огромные перспективы при передаче электроэнергии и создании трехфазных генераторов и двигателей.

Заслугой Доливо-Добровольского является создание еще одной конструкции асинхронного двигателя – с фазным ротором, также сохранившимся до наших дней. Он установил, что при пуске более мощных двигателей пусковой момент снижался, а двигатель сильно вибрировал. Это объяснилось тем, что при малом сопротивлении ротора при пуске в нем возникали слишком большие токи, магнитный поток которых был направлен навстречу основному. И он создает электродвигатель с фазным ротором и пусковым реостатом. Патентные заявки на это изобретение он сделал в 1890 г. в Англии и Швейцарии. В этом двигателе в момент пуска включалось большое сопротивление, пусковой ток снижался, и двигатель (рис. 5.18) переходил в нормальный режим.