8.1. Перші електричні машини

На кінець першої половини XIX століття були доведені взаємозв'язок між різними явищами природи і взаємоперетворення різних форм руху матерії: встановлений зв'язок теплової і механічної, електричної і теплової, електричної і хімічної, електричної і магнітної форм енергії.

Початок практичному використанню електрики поклали ті сфери застосування, які не вимагали значних витрат електроенергії – телеграфія, телефонія, військова справа (займання порохових зарядів, електричне підривання мін), дистанційне керування та ін. У процесі створення різних пристроїв при цьому використанні електрики важливо було вирішити ряд практичних і теоретичних проблем: удосконалювати джерела струму, створювати різноманітні прилади і пристрої, у тому числі автоматичні, виготовляти ізольовані провідники, досліджувати властивості різних матеріалів, розробляти методи вимірювань, встановлювати одиниці вимірювання величин. Все це привело до розроблення схем і методів, що одержали застосування в сучасній телемеханіці та телекеруванні.

Практично розширення сфери застосування електрики гальмувала відсутність досконалого, економічного джерела електричного струму. Приблизно до 1870 р. найбільш поширеними джерелами електричного струму були електрохімічні (гальванічні) елементи і акумулятори (у 1854 р. німецький лікар В.І. Зінстеден відкрив спосіб акумуляції, а в 1859 р. француз Г. Планте побудував свинцевий акумулятор).

Проблема економічного джерела електричної енергії була вирішена тільки створенням досконалої конструкції електромашинного генератора, в розвитку якого можна відзначити три основні етапи. Перший етап (1831–1851 рр.) характеризується створенням магнітоелектричних машин.

Як наголошувалося раніше, досліди Ерстеда з відхилення магнітної стрілки струмом стали тією іскрою прометеєвого вогню, яку дослідники і винахідники перетворили на величезне полум’я...

Відкриття Фарадеєм в 1831 році явища електромагнітної індукції вказало новий спосіб отримання електричного струму. Вже незабаром після цього відкриття вчені та винахідники стали прагнути до того, щоб застосувати це явище для отримання електрики за допомогою енергії руху.

Магнітоелектрична машина заснована на тому, що електричний струм може бути викликаний без жодної батареї одним пересуванням магніту відносно замкнутих провідників.

Перший винахідник електричного генератора, заснованого на явищі електромагнітної індукції, побажав залишитися невідомим. Відбулося це так. Незабаром після публікації доповіді Фарадея в Королівському товаристві, в якій було викладене відкриття явища електромагнітної індукції, учений знайшов в своїй поштовій скриньці лист, підписаний латинськими буквами Р.М., і прикладене до нього креслення. Воно містило опис першого в світі синхронного генератора із збудженням від постійних магнітів. Уважно розібравшись в цьому проекті, Фарадей надіслав лист і креслення в той же журнал, в якому була надрукована його доповідь. Він сподівався, що невідомий автор, стежачи за журналом, побачить опублікованим свій проект і супроводжуючий його лист Фарадея, винятково високо оцінюючий цей винахід. Дійсно, через майже півроку Р.М. надіслав у редакцію журналу додаткові роз'яснення і опис запропонованої ним конструкції електрогенератора, але і цього разу побажав залишитися невідомим. Ім'я дійсного творця першого електромагнітного генератора так і залишилося прихованим під ініціалами Р.М. Людство дотепер, не дивлячись на ретельні розшуки істориків електротехніки, не знає, кому ж воно зобов'язане одним з найважливіших винаходів.

Машина Р.М. була першим генератором змінного струму і не мала пристрою для випрямлення струму. За допомогою цього генератора вдалося розкласти воду (оскільки струм був змінним, то при електролізі вийшла суміш водню і кисню – гримучий газ). Необхідно було створити машину, в якій можна було б одержувати струм, постійний за величиною і напрямом.

Мал. 8.1. Перша магнітоелектрична машина братів ПіксіїМайже одночасно з невідомим автором конструюванням генераторів займалися в Парижі брати Піксії і професор фізики Лондонського університету, член Королівського товариства В. Річчі. Створені ними машини мали спеціальний пристрій для випрямлення змінного струму в постійний – так званий колектор. Перша магнітоелектрична машина братів Піксії (мал. 8.1) була побудована в 1832 році. Вона була попередницею всіх динамомашин в широкому сенсі слова, тобто всіх машин, що служать для перетворення енергії руху в електричну енергію. Її слід вважати родоначальницею цілого покоління різноманітних машин, призначених для отримання електричного струму.

Повз нерухомих котушок Е и Е', обладнаних сердечниками, рухаються за допомогою кривошипу і зубчатої передачі полюси підковоподібного магніту АВ, що лежать навпроти них, внаслідок чого в котушках викликаються струми змінного напряму. У генераторі братів Піксії потрібно було обертати важкі постійні магніти, що ускладнювало користування ним. З часом зрозуміли, що доцільніше зробити нерухомими постійні магніти, а легші котушки обертати між полюсами магнітів. Магнітоелектричні генератори такого типу виявилися значно зручнішими і саме в такій конструктивній формі вперше увійшли до практики.

Прагнучи підвищити потужність електричних машин, винахідники збільшували кількість магнітів і котушок. Сильний поштовх до створення потужніших магнітоелектричних генераторів дали дугові лампи з регуляторами, що знайшли застосування на маяках у зв'язку з розвитком морського транспорту. У 1854 році в Парижі була відкрита перша фабрика «Compagnie L’Alliance» по виготовленню крупних магнітоелектричних машин (мал. 8.2). У генераторі «Альянс» на чавунній станині були укріплені в декілька рядів підковоподібні постійні магніти, розташовані по колу і радіально у відношенні до валу. Різні варіанти таких генераторів мали різне число рядів магнітів (3, 5, 7). У проміжках між рядами магнітів встановлювалися на валу кільця з великим числом котушок-якорів. На валу був укріплений колектор з ізольованими один від одного і від валу машини металевими пластинами. Колекторними щітками служили спеціальні ролики. У машині був передбачений пристрій для зсуву роликів залежно від навантаження.

Мал. 8.2. Генератор «Альянс»У генераторі «Альянс» можна було змінювати з'єднання обмоток котушок, внаслідок чого змінювалася е.р.с. в колі. Тому генератор міг давати або великий струм низької напруги і служити, наприклад, для цілей гальванопластики і електролізу, або струм меншої сили, але вищої напруги (40–250 В) для живлення дугових ламп.

Мал. 8.3. Магнітоелектрична машина Сіменса

Мал. 8.4. Перша динамо машина постійного струму Сіменса
Використання постійних магнітів як збудника струму обмежувало можливість збільшення потужності генераторів. Для заміни ж пари електрикою потрібні були потужні електричні машини. Тому в 1851–1867 рр. створювалися генератори, в яких постійні магніти були замінені електромагнітами. Вперше пропозицію щодо заміни постійних магнітів електромагнітами, що збуджуються струмом від магнітоелектричної машини, висловив в 1851 році В. Зінстеден. Так почався другий етап розвитку електрогенераторів, що зайняв порівняно невеликий відрізок часу. У 1856 р. найважливіше удосконалення в конструкцію магнітоелектричної машини, а саме в конструкцію рухомих магнітних котушок і їх залізних сердечників, вніс Вернер Сіменс. Такі котушки із залізом всередині називаються якорем. Сіменс надав якорю зручнішу форму у вигляді «подвійного Т». Якір обертається між полюсами магнітів, що щільно охоплюють його, причому кількість магнітів може бути легко збільшена при відповідному збільшенні довжини якоря. Якір Сіменса дозволив надалі удосконалити конструкцію магнітоелектричної машини (мал. 8.3). Наприкінці того ж року Сіменс звернув увагу на те, що залізо сердечника електромагніту зберігає сліди магнетизму і після виключення струму. Цей залишковий магнетизм виявився достатнім для початку процесу самозбудження. Відпала необхідність в окремому генераторі для живлення обмотки електромагніту. Таким чином, Вернер Сіменс встановив принцип створення і побудував першу динамоелектричну машину постійного струму (мал. 8.4) для підривання мін, яку і продемонстрував наприкінці 1866 р. перед декількома видатними фізиками. 17 січня 1867 р. Сіменс виступив в Берлінській академії наук з доповіддю «Про перетворення робочої сили в електричний струм без застосування постійних магнітів». Ця доповідь закінчувалася словами: «...сучасній техніці надані засоби дешевим і зручним способом викликати електричні струми необмеженої сили всюди, де є робоча сила. Цей факт матиме велике значення в багатьох її галузях».

Великим кроком вперед в розвитку електричних генераторів було відкриття принципу самозбудження, який набув широку популярність після 1867 року. Саме після 1867 року, коли майже одночасно в різних країнах були побудовані генератори із самозбудженням, почався третій етап в розвитку електричного генератора.

Бельгієць Теофіл Грамм в 1869 р. створив генератор, який набув широкого застосування в промисловості. У своїй динамо-машині Грамм використав принцип самозбудження, а також удосконалив якір Сіменса, надавши йому форму кільця. Він обвив залізне кільце безперервним дротом, кінці якого з'єднав разом, і таким чином одержав спіраль. Обороти спіралі в кожній половині кільця сполучені послідовно, але обидві половини обмотки кільця сполучені протилежно один одному. Струми з обох боків прямують до верхньої точки кільця, утворюючи позитивний полюс. Подібним же чином в нижній точці, звідки беруть свій напрям струми, знаходитиметься негативний полюс. Кільцева машина Грамма (мал. 8.5) була першою практичною динамомашиною з барабанним якорем. Така вельми складна конструкція якоря з незначними удосконаленнями використовується і в даний час. Барабанний якір дозволяє досягти кругового шляху проходження максимальної кількості ліній сил, які збуджують струм в обмотці електромагнітів. Грамм запропонував декілька конструкцій своєї машини. В одній з перших його машин кільцевий якір був укріплений на горизонтальному валу. Він обертався між охоплюючими його полюсними наконечниками двох електромагнітів. Якір приводився в обертання через приводний шків. Обмотка електромагніту була включена послідовно з обмоткою. Генератор Грамма давав постійний струм, який відводився за допомогою металевих щіток, що ковзали по поверхні колектора.

Вернер Сіменс (1816–1892) – німецький електротехнік і підприємець, член Берлінської академії наук, засновник і головний власник електротехнічних концернів «Сіменс і Гальське», «Сіменс і Шуккерт» та ін. У 1834 році Вернер Сіменс з відзнакою закінчив Любекську гімназію і, успішно витримавши іспити, вступає до Артилерійського інженерного училища в Мальденбурзі. Щасливим відчував себе молодий Сіменс, коли його відрядили на три роки до Берліна для отримання технічної освіти в Об'єднаній інженерно-артилерійській школі. Це повністю відповідало його схильностям до навчання. Тут під керівництвом досвідчених вчителів, що викладали також в Берлінському університеті, він почав вивчати математику, фізику, хімію і, звичайно, балістику – основу артилерії. Це дало йому можливість задовольнити жадобу знань і виявити винахідницький талант, здобувши фундаментальну освіту у військовому учбовому закладі. У 1841 році Вернер Сіменс одержав патент на спосіб гальванічного сріблення і золочення. Це був перший винахід Сіменса в галузі електротехніки. Він займався винахідництвом і науковими дослідами із застосування вибухового бавовняного паперу. Вже в 1845 році Сіменс стає одним з найбільш помітних молодих учених в недавно створеному Фізичному товаристві. У цей час він робить ряд винаходів по телеграфній частині, а також винаходить стрілочний телеграф, оскільки оптичний телеграф тоді вже сприймався як такий, що не відповідає рівню технічного розвитку. У 1846 році Сіменс увійшов до складу комісії Політехнічного товариства Берліну по введенню електричних телеграфів в Пруссії. У цей час він винайшов спеціальну машину для покриття мідного дроту гутаперчею; машина ця увійшла в загальний вжиток при виробництві ізольованих провідників для підземних і підводних телеграфних кабелів.

17 січня 1867 р. в Берлінській академії наук Вернер Сіменс виклав теорію, що є вихідним моментом всієї сучасної електротехніки, й представив досконалу конструкцію генератора постійного струму із самозбудженням. Він же запропонував ртутну одиницю опору, згодом перетворену в ом, а одиниці електричної провідності було привласнене найменування «сименс».

Сіменс багато зробив для розвитку німецької і європейської електротехніки. Він був ініціатором створення Берлінської електротехнічної спілки (1879 р.), засновником і головою Товариства патентів у Берліні, меценатом в галузі науки і культури. На своїх підприємствах він проводив виважену соціальну політику. Дивовижні слова належать йому: «Мої капітали палитимуть мені руки подібно до розжареного заліза, якщо я не поділюся з тими, хто допо міг мені одержати цей прибуток, належною їм часткою».

Сіменс був новатором у всьому, чого торкався його геній. Наприкінці життя Сіменс написав: «Я вважаю своє життя таким, що вдалося, оскільки воно було сповнене зусиллями, які майже завжди були успішними, і роботою, що приносила користь людям».

 Мал. 8.5. Кільцева машина Грамма

Машина Грамма порівняно з магнітоелектричною машиною такої ж ваги розвивала в шість разів більшу потужність. Цей генератор швидко витіснив генератори інших типів і набув дуже широкого поширення. На початку 70-х років ХІХ століття був вже добре відомий принцип оборотності і машина Грамма використовувалася як в режимі генератора, так і в режимі двигуна.

Протягом 70–80-х років ХІХ століття машина постійного струму набула всіх основних рис сучасної машини. Подальші удосконалення не зачіпали основних принципів і конструктивних вузлів машини, а були спрямовані на підвищення якості, поліпшення використання активних матеріалів і удосконалення ізоляції, підвищення якості щіток тощо.

Дуже важливе удосконалення полягало в значному зниженні швидкості обертання якоря. Висока швидкість обертання була необхідна для отримання достатньої електрорушійної сили. Але такий же результат може бути одержаний і шляхом збільшення діаметру кільця. При цьому електромагніт був вміщений всередину кільця. Така багатополюсна динамо-машина була встановлена на центральній електричній станції і живила до 2000 освітлювальних електроламп розжарювання постійного струму.

У процесі еволюції конструкції динамо-машини було помічено, що для деяких цілей, а головним чином для живлення дугових освітлювальних ламп, можна користуватися невипрямленим струмом змінного напряму. При цьому конструкція машини значно спрощується, оскільки колектор стає зайвим і замінюється двома кільцями.

Першою причиною, яка спонукала розвиток динамо-машин змінного струму (так званих «альтернаторів»), став винахід Яблочковим його «електричної свічки».

На мал. 8.6 представлений альтернатор Ганца, конструкція якого складається з на садженого на вал променеподібного індуктора Е, проти кожного з десяти променів (полюсів) якого розташовано 10 котушок якоря, закріплених на внутрішній поверхні кільцеподібної залізної рами. При обертанні індуктора в обмотках котушок виникають струми, що постійно змінюють напрями. Обмотки ж цих котушок сполучені так, що при кожному положенні індуктора в них одночасно виникають струми одного напряму.
Мал. 8.6. Альтернатор Ганца

Незабаром берлінська фірма Сіменса запропонувала свою конструкцію динамо-машини змінного струму (мал. 8.7), конструкція якої цікава тим, що в індукторах немає залізних сердечників, а для збудження використовується додаткова маленька машина постійного струму. Така динамо-машина дозволяла одержувати змінний струм значно вищої напруги для живлення декількох незалежних електричних кіл з багатьма послідовно включеними дуговими лампами.

Другою спонукальною причиною широкого розповсюдження динамо-машин змінного струму стала легкість трансформації змінного струму. Ця чудова здатність перетворення (трансформації) змінного струму була вперше використана Голардом в 1883 р. і вдосконалена Ганцем.

Перші динамо-машини були призначені в основному для живлення різних освітлювальних пристроїв. Проте широке промислове застосування системи електричного освітлення одержали з вдосконаленням конструкції і технології будівництва потужних центральних міських електричних станцій і систем розподілу електричної енергії.

Для приведення в дію динамо-машин спочатку застосовувалися три види двигунів: парові, газові та гідравлічні.

Парові двигуни складалися з парового котла, паропровідної труби і власне парової машини. Внаслідок специфічних умов спорудження генераторних станцій (обмежене приміщення і відносна близькість житлових будівель) переважного поширення набули водотрубні котли, в яких вода, що випаровується, знаходиться в багатьох вузьких трубках, що сполучені між собою та охоплюються полум'ям. Парові двигуни, використовувані як привід динамо-машин, повинні були відповідати певним вимогам. Зокрема, динамо-машина вимагає від парового двигуна дуже рівномірного ходу не тільки щодо числа оборотів за хвилину, але і відносно швидкості обертання протягом окремих оборотів. Якщо ця рівномірність не досягається, то напруга на виході динамо-машини коливається в значному діапазоні, до чого дуже чутливі освітлювальні лампи розжарювання: вони мигтять, наприклад, коли по шківу проходить дуже товстий шов на ремені або коли ремінь дуже слабо натягнутий (мал. 8.8). Подібні випадковості примусили машинобудівників і електротехніків повністю відмовитися від ненадійних ременів. Проте зробити це було нелегко ще і тому, що у парових машин і динамо-машин була різна кутова швидкість обертання валів – відповідно 200 і 1000 оборотів за хвилину. Щоб зрівняти кутову швидкість, шківи машин доводилося робити різного діаметру, що обумовлювало необхідність з'єднання їх ременем. Перші швидкохідні парові машини, сполучені з динамо-машиною без допомоги ременя, були побудовані на заводах Вестінгауза. Суть пристрою полягає в застосуванні парових циліндрів з крівошипно-шатунним механізмом, якой приводиться в рух за допомогою пари. При цьому весь механізм вміщений в оболонку, так що з рухомих частин назовні видаються лише обидва кінці валу (мал. 8.9).
Мал. 8.7. Динамо машина змінного струму Сіменса

Мал. 8.8. Паровий двигун і динамо машина, сполучені ременем

Мал. 8.9. Швидкохідна пародинамічна машина Вестінгауза

Мал. 8.10. Газомотор Кертінга

Окрім парових машин, для обертання динамо-машин в тих місцях, де був газопровід, застосовувалися газомотори. Перевага газомоторів полягала в тому, що вони вимагають порівняно мало місця і можуть бути приведені в дію за декілька хвилин. Найширшого розповсюдження набули газомотори Отто, яких до кінця 1894 р. для отримання електричного освітлення було встановлено близько 3000. Газомоторний завод в Дейтці (Німеччина) займався спеціально розробкою газового двигуна для цілей електричного освітлення. Такий двигун забезпечував достатньо рівномірне обертання і, відповідно, абсолютно рівне світло. На заводах в Кергтіндорфі поблизу Ганновера відома у той час фірма братів Кертінг організувала масове виробництво газомоторів для цілей електричного освітлення (мал. 8.10).

Найбільш економічними з погляду вартості виробництва електроенергії є гідравлічні двигуни, що використовують енергію падаючої води. Як водяні двигуни застосовувалися гідротурбіни як з вертикальною, так і з горизонтальною віссю. Динамо-машина з приводом від гідротурбіни (мал. 8.11) була побудована фірмою «Есслінген» для заводу Терні в Італії. Вода подавалася на лопатки гідротурбін з висоти 280 м при тиску в 18 атмосфер. Завдяки можливості користування декількома турбінами в роботу вводилося стільки динамо-машин, скільки було необхідно на даний момент часу.

Мал. 8.11. Динамо машина з приводом від гідротурбіни