8.1. Первые электрические машины

К концу первой половины XIX века были доказаны взаимосвязь между различными явлениями природы и взаимопревращение различных форм движения материи: установлена связь тепловой и механической, электрической и тепловой, электрической и химической, электрической и магнитной форм энергии.

Начало практическому использованию электричества положили те области применения, которые не требовали значительных затрат электроэнергии, – телеграфия, телефония, военное дело (воспламенение пороховых зарядов, электрическое взрывание мин), дистанционное управление и др. В процессе создания различных устройств при этом использовании электричества важно было решить ряд практических и теоретических проблем: совершенствовать источники тока, создавать разнообразные приборы и приспособления, в том числе автоматические, изготовлять изолированные проводники, исследовать свойства различных материалов, разрабатывать методы измерений, устанавливать единицы измерения величин. Все это привело к разработке схем и методов, получивших применение в современной телемеханике и телеуправлении.

Практически расширение области применения электричества тормозило отсутствие хорошего, экономичного источника электрического тока. Примерно до 1870 г. наиболее распространенными источниками электрического тока были электрохимические (гальванические) элементы и аккумуляторы (в 1854 г. немецкий врач В.И. Зинстеден открыл способ аккумулирования, а в 1859 г. француз Г. Планте построил свинцовый аккумулятор). Проблема экономичного источника электрической энергии была решена только созданием совершенной конструкции электромашинного генератора, в развитии которого можно отметить три основных этапа. Первый этап (1831–1851) характеризуется созданием магнитоэлектрических машин.

Как отмечалось ранее, опыты Эрстеда по отклонению магнитной стрелки током стали той искрой прометеева огня, которую исследователи и изобретатели превратили в громадное пламя...

Открытие Фарадеем в 1831 году явления электромагнитной индукции указало новый способ получения электрического тока. Уже вскоре после этого открытия ученые и изобретатели стали стремиться к тому, чтобы применить данное явление к получению электричества при помощи энергии движения.

Магнитоэлектрическая машина основана на том, что электрический ток может быть вызван без всякой батареи одним передвижением магнита относительно замкнутых проводников.

Первый изобретатель электрического генератора, основанного на явлении электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования доклада Фарадея в Королевском обществе, в котором было изложено открытие явления электромагнитной индукции, ученый нашел в своем почтовом ящике письмо, подписанное латинскими буквами Р. М., и приложенный к нему чертёж. Оно содержало описание первого в мире синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов. Внимательно разобравшись в этом проекте, Фарадей направил письмо и чертёж в тот же журнал, в котором был напечатан его доклад. Он надеялся, что неизвестный автор, следя за журналом, увидит опубликованным свой проект и сопровождавшее его письмо Фарадея, исключительно высоко оценивающее это изобретение. Действительно, спустя почти полгода Р.М. прислал в редакцию журнала дополнительные разъяснения и описание предложенной им конструкции электрогенератора, но и на этот раз пожелал остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым под инициалами Р.М. Человечество до сих пор, несмотря на тщательные розыски историков электротехники, не знает, кому же оно обязано одним из важнейших изобретений.

Машина Р.М. была первым генератором переменного тока и не имела устройства для выпрямления тока. С помощью этого генератора удалось разложить воду (поскольку ток был переменным, то при электролизе получилась смесь водорода и кислорода – гремучий газ). Необходимо было создать машину, в которой можно было бы получать ток, постоянный по величине и направлению.

Почти одновременно с неизвестным автором конструированием генераторов занимались в Париже братья Пиксии и профессор физики Лондонского университета, член Королевского общества В. Риччи. Созданные ими машины имели специальное устройство для выпрямления переменного тока в постоянный – так называемый коллектор. Первая магнитоэлектрическая машина братьев Пиксии (рис. 8.1) была построена в 1832 году. Она явилась предшественницей всех динамо-машин в широком смысле слова, т.е. всех машин, служащих для превращения энергии движения в электрическую энергию. Ее следует считать родоначальницей целого поколения разнообразных машин, предназначенных для получения электрического тока. Мимо неподвижных катушек Е и Е ', снабженных сердечниками, движутся посредством кривошипа и зубчатой передачи лежащие против них полюсы подковообразного магнита А, В, вследствие чего в катушках вызываются токи переменного направления. В генераторе братьев Пиксии нужно было вращать тяжелые постоянные магниты, что затрудняло пользование им. Со временем поняли, что целесообразнее сделать неподвижными постоянные магниты, а вращать более легкие катушки между полюсами магнитов. Магнитоэлектрические генераторы такого типа оказались значительно удобнее и именно в такой конструктивной форме впервые вошли в практику.

Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Сильный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие применение на маяках в связи с развитием морского транспорта. В 1854 году в Париже была открыта первая фабрика «Compagnie L’Alliance» по изготовлению крупных магнитоэлектрических машин (рис. 8.2). В генераторе

«Альянс» на чугунной станине были укреплены в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные по окружности и радиально по отношению к валу. Различные варианты таких генераторов имели разное число рядов магнитов (3,5,7). В промежутках между рядами магнитов устанавливались на валу кольца с большим числом катушек-якорей. На валу был укреплен коллектор с изолированными друг от друга и от вала машины металлическими пластинами. Коллекторными щетками служили специальные ролики. В машине было предусмотрено устройство для смещения роликов в зависимости от нагрузки.

 

Рис. 8.1. Первая магнитоэлектрическая машина братьев Пиксии

Рис. 8.2. Генератор «Альянс»

 

 

В генераторе «Альянс» можно было изменять соединение обмоток катушек, в результате чего менялась э.д.с. в цепи. Поэтому генератор мог давать или большой ток низкого напряжения и служить, например, для целей гальванопластики и электролиза, или ток меньшей силы, но более высокого напряжения (40–250 В) для питания дуговых ламп.

постоянных магнитов электромагнитами, возбуждаемыми током от магнитоэлектрической машины, высказал в 1851 году В. Зинстеден. Так начался второй этап развития электрогенераторов, занявший сравнительно небольшой отрезок времени.

 

Рис. 8.3. Магнитоэлектрическая машина Сименса

 

Рис. 8.4. Первая динамо-машина постоянного тока Сименса

В 1856 г. важнейшее усовершенствование в конструкцию магнитоэлектрической машины, а именно в конструкцию движущихся магнитных катушек и их железных сердечников, внес Вернер Сименс. Такие катушки с железом внутри называются якорем. Сименс придал якорю более удобную форму в виде «двойного Т». Якорь вращается между полюсами плотно обхватывающих его магнитов, причем количество магнитов может быть легко увеличено при соответствующем увеличении длины якоря. Якорь Сименса позволил в дальнейшем усовершенствовать конструкцию магнитоэлектрической машины (рис. 8.3). В конце того же года Сименс обратил внимание на то, что железо сердечника электромагнита сохраняет следы магнетизма и после выключения тока. Этот остаточный магнетизм оказался достаточным для начала процесса самовозбуждения. Отпала необходимость в отдельном генераторе для питания обмотки электромагнита. Таким образом, Вернер Сименс установил принцип создания и построил первую динамоэлектрическую машину постоянного тока (рис. 8.4) для взрывания мин, которую и продемонстрировал в конце 1866 г. перед несколькими выдающимися физиками. 17 января 1867 г. Сименс выступил в Берлинской академии наук с докладом «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». Этот доклад заканчивался словами: «…современной технике даны средства дешевым и удобным способом вызывать электрические токи неограниченной силы повсюду, где имеется рабочая сила. Этот факт будет иметь большое значение во многих ее отраслях».

Большим шагом вперед в развитии электрических генераторов было открытие принципа самовозбуждения, который получил широкую известность после 1867 года. Именно после 1867 года, когда почти одновременно в разных странах были построены генераторы с самовозбуждением, начался третий этап в развитии электрического генератора.

Бельгиец Теофил Грамм в 1869 г. создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине Грамм использовал принцип самовозбуждения, а также усовершенствовал якорь Сименса, придав ему форму кольца. Он обвил железное кольцо непрерывной проволокой, концы которой соединил вместе, и таким образом получил спираль. Обороты спирали в каждой половине кольца соединены последовательно, но обе половины обмотки кольца соединены противоположно друг другу. Токи с обеих сторон направляются к верхней точке кольца, образуя положительный полюс. Подобным же образом в нижней точке, откуда берут свое направление токи, будет находиться отрицательный полюс. Кольцевая машина Грамма (рис. 8.5) явилась первой практической динамо-машиной с барабанным якорем. Такая весьма сложная конструкция якоря с незначительными усовершенствованиями используется и в настоящее время. Барабанный якорь позволяет достичь кругового пути прохождения максимального количества линий сил, возбуждающих ток в обмотке электромагнитов. Грамм дал несколько конструкций своей машины. В одной из первых его машин кольцевой якорь был укреплен на горизонтальном валу. Он вращался между охватывавшими его полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводный шкив. Обмотка электромагнита была включена последовательно с обмоткой. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводился с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора.

Вернер Сименс (1816–1892) – немецкий электротехник и предприниматель, член Берлинской академии наук, основатель и главный владелец электротехнических концернов «Сименс и Гальске», «Сименс и Шуккерт» и др. В 1834 году Вернер Сименс с отличием окончил Любекскую гимназию и, успешно выдержав экзамены, поступил в Артиллерийское инженерное училище в Мальденбурге. Счастливым чувствовал себя молодой В. Сименс, когда его командировали на три года в Берлин для получения технического образования в Объединенной инженерноартиллерийской школе. Это полностью отвечало его склонностям к учебе. Здесь под руководством опытных учителей, преподававших также в Берлинском университете, он начал изучать математику, физику, химию и, конечно, баллистику – основу артиллерии. Это дало ему возможность удовлетворить жажду знаний и проявить изобретательский талант, получив фундаментальное образование в военном учебном заведении. В 1841 году Вернер Сименс получил патент на способ гальванического серебрения и золочения. Это было первое изобретение Сименса в области электротехники. Он занимался изобретательством и научными опытами по применению взрывчатой хлопчатой бумаги. Уже в 1845 году Вернер становится одним из наиболее заметных молодых ученых в недавно образованном Физическом обществе. В это время он делает ряд изобретений по телеграфной части, а также изобретает стрелочный телеграф, поскольку оптический телеграф в то время воспринимался как не соответствующий уровню технического развития. В 1846 году Сименс вошел в состав комиссии Политехнического общества Берлина по введению электрических телеграфов в Пруссии. В это время он изобрел специальную машину для покрывания медной проволоки гуттаперчей; машина эта вошла во всеобщее употребление при производстве изолированных проводников для подземных и подводных телеграфных кабелей.17 января 1867 г. в Берлинской академии наук Вернер Сименс изложил теорию, являющуюся исходным моментом всей современной электротехники, и представил совершенную конструкцию генератора постоянного тока с самовозбуждением. Он же предложил ртутную единицу сопротивления, впоследствии преобразованную в Ом, а единице электрической проводимости было присвоено наименование сименс.Сименс много сделал для развития немецкой и европейской электротехники. Он был инициатором образования Берлинского электротехнического союза (1879), основателем и председателем Общества патентов в Берлине, меценатом в области науки и культуры. На своих предприятиях он проводил обдуманную социальную политику. Удивительные слова принадлежат ему: «Мои капиталы будут жечь мне руки подобно раскаленному железу, если я не поделюсь с теми, кто помог мне получить этот доход, причитающейся им долей». Сименс был новатором во всем, чего касался его гений. В конце жизни Сименс написал: «Я считаю свою жизнь удавшейся, так как она была заполнена усилиями, которые почти всегда были успешными, и работой, приносящей пользу людям».

Рис. 8.5. Кольцевая машина Грамма

Машина Грамма в сравнении с магнитоэлектрической машиной такого же веса развивала в шесть раз большую мощность. Этот генератор быстро вытеснил генераторы других типов и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов XIX века был уже хорошо известен принцип обратимости и машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

В течение 70–80-х годов XIX века машина постоянного тока приобрела все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов машины, а были направлены на повышение качества, улучшение использования активных материалов и усовершенствование изоляции, повышение качества щеток и пр.

Очень важное усовершенствование заключалось в значительном снижении скорости вращения якоря. Высокая скорость вращения была необходима для получения достаточной электродвижущей силы. Но такой же результат может быть получен и путем увеличения диаметра кольца. При этом электромагнит был помещен внутрь кольца. Такая многополюсная динамо-машина была установлена на центральной электрической станции и питала до 2000 осветительных электроламп накаливания постоянного тока.

В процессе эволюции конструкции динамомашины было подмечено, что для некоторых целей, а главным образом для питания дуговых осветительных ламп, можно пользоваться невыпрямленным током переменного направления. При этом конструкция машины значительно упрощается, так как коллектор становится лишним и заменяется двумя кольцами.

Первой побудительной причиной развития динамо-машин переменного тока (так называемых «альтернаторов») послужило изобретение Яблочковым его «электрической свечи».

На рис. 8.6 представлен альтернатор Ганца, конструкция которого состоит из насаженного на вал лучеобразного индуктора Е, против каждого из десяти лучей (полюсов) которого расположено 10 катушек якоря, закрепленных на внутренней поверхности кольцеобразной железной рамы. При вращении индуктора в обмотках катушек возникают токи, постоянно меняющие направления. Обмотки же этих катушек соединены так, что при каждом положении индуктора в них одновременно возникают токи одного направления.

Рис. 8.6. Альтернатор Ганца

Вскоре берлинская фирма Сименса предложила свою конструкцию динамо-машины переменного тока (рис.8.7), конструкция которой интересна тем, что в индукторах не имеется железных сердечников, а для возбуждения используется дополнительная маленькая машина постоянного тока. Такая динамо-машина позволяла получать переменный ток значительно более высоких напряжений для питания нескольких независимых электрических цепей со многими последовательно включенными дуговыми лампами.

Второй побудительной причиной широкого распространения динамо-машин переменного тока явилась легкость трансформации переменного тока. Эта замечательная способность преобразования (трансформации) переменного тока была впервые использована Голардом в 1883 г. и усовершенствована Ганцем.

Рис. 8.7. Динамо-машина переменного тока Сименса

Первые динамо-машины были предназначены в основном для питания различных осветительных устройств. Однако широкое промышленное применение системы электрического освещения получили с совершенствованием конструкции и технологии строительства мощных центральных городских электрических станций и систем распределения электрической энергии.

Для приведения в действие динамо-машин в первое время применялись три вида двигателей: паровые, газовые и гидравлические.

Паровые двигатели состояли из парового котла, паропроводной трубы и собственно паровой машины. Из-за специфических условий сооружения генераторных станций (ограниченное помещение и относительная близость жилых зданий) преимущественное распространение получили водотрубные котлы, в которых испаряющаяся вода помещается во многих узких сообщающихся между собой трубках, охватываемых пламенем. Паровые двигатели, используемые в качестве привода динамо-машин, должны были отвечать определенным требованиям. В частности, динамо-машина требует от парового двигателя очень равномерного хода

не только относительно числа оборотов в минуту, но и в отношении скорости вращения в течение отдельных оборотов. Если эта равномерность не достигается, то напряжение на выходе динамо-машины колеблется в значительном диапазоне, к чему очень чувствительны осветительные лампы накаливания: они мигают, например, когда по шкиву проходит слишком толстый шов на ремне или когда ремень слишком слабо натянут (рис. 8.8). Подобные случайности заставили машиностроителей и электротехников полностью отказаться от ненадежных ремней. Однако сделать это было нелегко еще и потому, что у паровых машин и динамо-машин была различная угловая скорость вращения валов – соответственно 200 и 1000 оборотов в минуту. Чтобы уравнять угловую скорость шкивы машин приходилось делать различного диаметра, что обуславливало необходимость соединения их ремнем. Первые быстроходные паровые машины, соединенные с динамо-машиной без помощи ремня, были построены на заводах Вестингауза. Сущность устройства заключается в применении паровых цилиндров с кривошипно-шатунным механизмом, приводимым в движение паром. При этом весь механизм заключен в оболочку, так что из движущихся частей наружу выдаются лишь оба конца вала (рис. 8.9).

Рис. 8.8. Паровой двигатель и динамо-машина, соединенные ремнем

Рис. 8.9. Быстроходная паро-динамическая машина Вестингауза

Рис. 8.10. Газомотор Кертинга

 

Кроме паровых машин, для вращения динамо-машин в тех местах, где имелся газопровод, применялись газомоторы. Преимущество газомоторов заключалось в том, что они требуют сравнительно мало места и могут быть приведены в действие за нескольких минут. Самое широкое распространение получили газомоторы Отто, которых к концу 1894 г. для получения электрического освещения было установлено около 3000. Газомоторный завод в Дейтце (Германия) занимался специально разработкой газового двигателя для целей электрического освещения. Такой двигатель обеспечивал достаточно равномерное вращение и, соответственно, совершенно ровный свет. На заводах в Кергтиндорфе близ Ганновера известная в то время фирма братьев Кертинг организовала массовое производство газомоторов для целей электрического освещения (рис. 8.10).

Наиболее экономичными с точки зрения стоимости производства электроэнергии являются гидравлические двигатели, использующие энергию падающей воды. В качестве водяных двигателей применялись гидротурбины как с вертикальной, так и с горизонтальной осью. Динамо-машина с приводом от гидротурбины (рис. 8.11) была построена фирмой «Эсслинген» для завода Терни в Италии. Вода подавалась на лопатки гидротурбин с высоты 280 м при давлении в 18 атмосфер. Благодаря возможности пользования несколькими турбинами в работу вводилось столько динамо-машин, сколько было необходимо в данный момент времени.

Рис. 8.11. Динамо-машина с приводом от гидротурбины