Михаил Шателен - Русские электротехники
Значительно большие возможности в смысле повышения напряжения электропередач представлял переменный ток. Применяя трансформаторы переменного тока, можно было легко получать токи практически любого напряжения. Однако, с другой стороны, известные в то время электродвигатели переменного тока отличались такими недостатками, которые делали их во многих случаях непригодными для технических целей. Главнейшими из этих недостатков были те, что двигатели при включении тока не приходили сами в движение, а их надо было разворачивать до определенной скорости, и что каждый двигатель мог работать затем только с одной скоростью, зависевшей от числа пар полюсов в нем и частоты питающего переменного тока. При таких свойствах широкое применение двигателей переменного тока не могло иметь места, и применение для электропередач переменного тока становилось вообще нецелесообразным.
Перед электриками стала задача найти выход из этого положения и найти возможность каким-либо способом использовать переменный ток и трансформаторы переменного тока не только для освещения, как это уже делал Яблочков для своих свечей и затем другие электрики для питания ламп накаливания, но также и для целей питания электродвигателей.
Первый шаг в этом направлении был сделан итальянским электриком Феррарисом, предложившим применять систему двух переменных токов, разнящихся по фазе на 90°, названную впоследствии «двухфазным» током. Феррарис показал, что при помощи двухфазных токов можно получить внутри железного кольца, снабженного четырьмя обмотками, так называемое «вращающееся магнитное поле», т. е. магнитное поле, остающееся постоянным по величине, но направление которого непрерывно меняется, вращаясь вокруг оси кольца. Если внутри такого кольца-статора поместить или массивный железный цилиндр, или железный цилиндрический сердечник, снабженный замкнутой на себя обмоткой, расположенной вдоль образующих цилиндра, ось которого совпадает с осью статора, то такой «ротор» придет во вращение и будет в состоянии производить механическую работу за счет энергии, получаемой статором от внешнего источника тока. Феррарис осуществил свою идею только в нескольких, почти демонстрационных приборах. В дальнейшем ее разработал и осуществил практически известный югославский электротехник Никола Тесла. Американской, фирмой Вестингауз, в которой работал Тесла, по его системе был построен ряд генераторов и двигателей. Двухфазный ток был применен даже на Ниагарской электростанции. Однако, несмотря на авторитет Тесла и на заинтересованность одной из мощнейших электротехнических фирм мира, двухфазный ток не получил дальнейшего распространения. Основной причиной этого неуспеха было то, что появилось новое изобретение, которое по-новому решало, проблему и об электродвигателе переменного тока, и о передаче энергии переменным током и притом гораздо лучше, чем ее решало применение двухфазного тока.
Это изобретение было сделано Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. Именно М. О. Доливо-Добровольский предложил применять для электрической передачи энергии не двухфазный переменный ток, а трехфазный. Под именем трехфазного тока понимают систему из трех переменных токов, сдвинутых по фазе на 1/3 периода, т. е. на 120°. Такая система имеет ряд преимуществ перед двухфазной, в частности ту, что для передачи энергии по этой системе требуется не четыре провода, как при двухфазной, но только три. Это обуславливается основным свойством трехфазного тока, заключающимся в том, что в этой системе в каждый момент времени сумма сил токов, проходящих по трем проводам, равна нулю. Точно так же равна нулю в каждый момент времени сумма электродвижущих сил, генерируемых в трех фазах обмотки генераторов трехфазного тока. Это свойство дает возможность соединять провода трехфазного тока так, что для передачи энергии можно ограничиться тремя проводами вместо шести, которые должны были бы итти от шести концов трехфазных обмоток генератора.
Опытным путем и теоретически Доливо-Добровольский доказал, что при помощи трехфазного тока можно получать такое же вращающееся магнитное поле, какое получали Феррарис и Тесла при помощи двухфазного. Основываясь на этом, Доливо-Добровольский и построил свой двигатель трехфазного тока, получивший в дальнейшем в электротехнике название «асинхронного» в отличие от «синхронного», в котором магнитное поле создается электромагнитами, питаемыми постоянным током, и скорость вращения которого постоянна и строго зависит от числа пар полюсов в двигателе и частоты (числа периодов в секунду) питающего тока.
Асинхронные двигатели в отличие от синхронных приходят во вращение самостоятельно при включении тока. Скорость их в определенных пределах может быть регулируема. Для питания они требуют, как было уже сказано, всего трех проводов, присоединяемых к трем концам трех обмоток статора, вторые концы которых соединяются определенным образом между собой.
Генераторы трехфазного тока по конструкции ничем не отличаются от генераторов обычного однофазного переменного тока, за исключением того, что в них обмотка, в которой индуктируется электродвижущая сила, разбивается на три группы — на три фазы.
Честь введения в электротехнику трехфазных токов, точно так же как честь изобретения трехфазных двигателей с короткозамкнутым ротором и с ротором с пусковым реостатом и изобретения трансформаторов трехфазного тока, несомненно, принадлежит Доливо-Добровольскому. Ему же принадлежит руководящая роль в организации первой в мире электрической передачи энергии на расстояние 175 км при помощи трехфазного тока, демонстрировавшейся на Электрической выставке 1891 г. во Франкфурте-на-Майне.
В своем докладе, сделанном на Первом всероссийском электротехническом съезде в 1899 г. в Петербурге, Доливо-Добровольский сказал: «Электрическая Выставка во Франкфурте-на-Майне была, главным образом, тем важна в истории электротехники, что на ней в первый раз выступил публично, как новая система, трехфазный ток».
Преимущества трехфазного тока основываются, по мнению М. О. Доливо-Добровольского, «главным образом, на двух свойствах его, которые эксплоатируются не только в совокупности, но и порознь. Это: 1) экономичная передача и на большие расстояния и 2) превосходные качества двигателей».
«Относительно проводки при трехфазном токе, — говорит Доливо-Добровольский в том же докладе на съезде, — мало можно сказать специального. В настоящее время общеизвестно, что при трехфазном токе требуется значительно меньше материала для проводников, чем при простом переменном токе того же напряжения. На это сбережение на проводах я указал еще в 1891 г. Именно эта экономия много способствовала тому, что прежние нападки на трехфазную систему скоро замолкли. Дальнейшие теоретические рассуждения о том, что двух- или четырехфазным током можно столь же хорошо передавать двигательную силу, должны были капитулировать, сдаться перед коммерческим преимуществом трехфазной системы с ее 25 % сбережения в проводах. В настоящее время это преимущество всесторонне оценено, и двухфазные установки встречаются лишь редко, как бы только для доказательства неискоренимости человеческого упрямства».
Фактически это «человеческое упрямство» в настоящее время вполне «искоренилось», и уже несколько десятков лет сооружаются лишь трехфазные установки. О двухфазных совсем забыли. Этой победой трехфазный ток обязан не только экономии в проводниковых материалах, но и второму преимуществу, указанному Доливо-Добровольским в его сообщении на съезде, — превосходным качествам трехфазных двигателей.
Появлению практически применяемых трехфазных двигателей, изобретателем которых он явился, Доливо-Добровольский придавал очень большое значение.
«Мы дошли теперь, — говорит он в своем сообщении на Электротехническом съезде, — до предмета, который, главным образом, придал значение этой системе, а именно до электродвигателей. Действительно, трехфазный ток обязан своим правом на существование электродвигателям, совершенно независимо от вопроса передачи на большие расстояния. Многие десятки тысяч лошадиных сил в трехфазных двигателях работают в настоящее время в промышленности прямо в соединении с генераторами низкого напряжения, причем, следовательно, специфическое свойство переменных токов (трансформировка) совсем не затрагивается. Принцип, открытый Феррарисом, равно как и образ действия многофазных и специально трехфазных двигателей, надо предположить в настоящее время общеизвестным. Конструкция их теперь (1899 г.) осталась в главных чертах такою же, какою она была показана мною в 1891 г. во Франкфурте, так как это было единственным расположением частей, способным сделать двигатель практически пригодным. Наоборот, конструкция Н. Тесла с ее нерациональным расположением «отдельных» магнитных полюсов, причем на каждом была насажена большая катушка соответствующей фазы, была одной из главных причин, почему первые успехи, или, скажем вернее, действительное нарождение многофазной техники, надо искать не в Америке, а в Европе. Американский многофазный ток до тех пор не подвинулся в развитии, пока тамошние техники не усвоили себе европейских представлений и методов и пока они не переняли сполна европейских форм и конструкций… Надо, однако, отдать американцам справедливость, что они скоро нагнали потерянное и по отношению к применению трехфазного тока стали теперь в числе первых».