Работы м о доливо добровольский. Доливо–Добровольский Михаил Осипович. © Изобретения и изобретатели России
(21-12-1861 г. - 15-11-1919 г.)
Достижения России в области электротехники связаны с именем Михаила Осиповича Доливо-Добровольского — талантливого инженера и изобретателя, который считается одним из основоположников техники применения переменных токов.
Михаил Осипович появился на свет 2 января 1862 года и стал первенцем в многодетной дворянской семье Доливо-Добровольских, проживавшей в Гатчине, а потом переехавшей в Одессу в 1873 году. Именно там прошли детство и юность будущего изобретателя.
В 1878 году он окончил реальное училище и поступил в Рижский Политехнический институт. Проучившись несколько лет, Михаил оказался замешанным в деле об анти-правительственной агитации. Добровольского исключили из института и лишили права обучаться в любом высшем учебном заведении Российской империи. Доливо-Добровольскому пришлось уехать за границу, чтобы продолжить свое образование. Он поступил в Дармштадское высшее техническое училище, в котором ученые занимались вопросами практического применения электричества. Для развития этой области науки в 1882 году была учреждена кафедра электротехники, возглавленная профессором Э. Киттлером, и введен курс электротехники (впервые в истории высшего учебного заведения). Михаил Осипович с отличием окончил высшее техническое училище и остался в нем ассистентом в недавно открывшейся электротехнической лаборатории. Позднее молодой ученый преподавал студентам курс, который назывался «Электрохимия с особым вниманием к гальванопластике и металлургии».
В 1884-1885 годах появляются первые публикации в прессе Доливо-Добровольского в области электрохимии. В журнале «Электричество» Михаил Осипович раскрыл способ получения алюминия из его окиси при высокой температуре и поведал о другом открытии, связанном с топливными элементами. Достижения молодого ученого не остались без внимания. Он стал считаться одним из самых выдающихся инженеров своего времени и был приглашен в 1887 году в немецкую фирму AEG, а через несколько лет стал ее бессменным директором до конца своей жизни.
Погрузившись в исследование электротехники и задумываясь о перспективах широкого использования электроэнергии, Доливо-Добровольский за очень короткое время пришел к изобретению трехфазной электрической системы. Экспериментируя с различными схемами обмоток, Михаил Осипович сконструировал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока, благодаря чему получил токи с разностью фаз 120° и создал связанную систему, в которой использовалось только три провода для передачи и распределения электроэнергии.
Работая над практическим применением переменного тока, Доливо-Добровольский продолжил традиции своих знаменитых соотечественников. Впервые переменный ток для практических целей применил П. Н. Яблочков, а академик Б. С. Якоби разработал двигатель постоянного тока.
Конструкция созданного Михаилом Осиповичем асинхронного электродвигателя дошла до наших дней в практически неизменном виде. Прогрессивной особенностью изобретенного двигателя был ротор с обмоткой в виде беличьей клетки. Сам ротор представлял собой стальной цилиндр с медными стержнями, которые заложены в просверленные по периферии каналы и соединяются электрически друг с другом на лобовых частях ротора. На это изобретение Михаил Осипович получил патент в 1889 году. Весной того же года был построен первый трехфазный асинхронный двигатель. Он имел мощность 100 Вт и питался током от трехфазного одноякорного преобразователя.
Изобретенный Доливо-Добровольским двигатель прошел успешные испытания. Впоследствии был создан более мощный второй одноякорный преобразователь, после чего стали изготавливаться трехфазные асинхронные генераторы. В первых генераторах были использованы два основных способа соединения обмоток - в треугольник и в звезду. Дальнейшие испытания позволили электротехнику улучшить использование статора. Он применил способ, суть которого заключается в разрезной обмотке и соединении встречно противолежащих катушек. Этот метод широко используется и в настоящее время.
Дальнейшие достижения Доливо-Добровольского привели к появлению асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором современного вида: обмотку статора он сделал распределенной по всей его окружности, затем кольцевую обмотку статора заменил барабанной.
1889-м годом датируется и изобретение Доливо-Добровольским трехфазного трансформатора, который первоначально был с радиальным расположением сердечников. Впоследствии был сконструирован трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. Именно эту конструкцию, сохранившуюся до нашего времени, Михаил Осипович запатентовал в 1891 году. В этом же году на электрической выставке во Франкфурте произошло зна-менательное событие, которое считается ключевым в современной технике электропередачи, использующейся в настоящее время во всем мире.
На речке Неккар в городе Лауфен (175 км от Франкфурта) Доливо-Добровольский построил водяную турбину (мощность 300 лошадиных сил), которая приводила в движение генератор трехфазного тока. Генератор вырабатывал 200 кВт, ток поступал на трансформаторы, повышающие напряжение до 12 500 и 25 000 Вт, преодолевал по медным проводам (4 мм) расстояние в 175 км и достигал Франкфурта. Далее трансформаторы снижали напряжение до 100 Вт, которое и использовалось для питания двигателей и электрических ламп.
Успех лауфен-франкфуртской электропередачи, которая являлась первой в мире передачей переменным током, послужил началом господства переменного тока, начавшегося с 1891 года и продолжающегося до наших дней.
Трехфазная система Доливо-Добровольского в короткий срок получила очень широкое распространение. Заслуга русского инженера состоит не только в изобретении способа передачи переменного тока на большие расстояния, но в создании двигателей и других устройств, необходимых для работы трехфазного переменного тока, большинство из которых используются современными электроэнергетиками в неизменном виде.
У практического применения переменного трехфазного тока было немало противников. Даже человек с прогрессивными взглядами Т. Эдисон пытался в 80-х годах XIX века принять в Америке законы, которые должны были запретить использование переменного тока. Он сравнивал прокладку подземных кабелей переменного тока с закапыванием взрывчатых веществ. А Браун, являясь агентом Эдисона, демонстративно показывал уничтожение животных переменным током, разъезжая по городам США.
28 декабря 1899 года Доливо-Добровольский выступил на Первом Всероссийском электротехническом съезде. В докладе «Современное развитие техники трехфазного тока» он подвел некоторые итоги своей деятельности: разработка теории трансформатора, конструирование новых измерительных приборов, двигателей и других аппаратов, изучение влияния сильноточных сетей на провода связи, исследование и практическое применение электролиза.
После удачных испытаний переменный ток стал широко использоваться в различных отраслях производства, а созданные русским инженером электрические двигатели приводили в действие мостовые и подъемные краны, насосы вакуум-аппаратов, центрифуги и воздуходувки, станки в ткацкой, прядильной и металлообрабатывающей промышленностях, механизмы и машины в портах, рудниках и верфях, прокатные станы и многое др.
Несмотря на проживание за границей, Доливо-Добровольский сохранял российское гражданство. С началом Первой мировой войны в 1914 году он переехал в Швейцарию. Через 4 года знаменитый электротехник вернулся в Германию для работы в фирме AEG. Но хроническое заболевание сердца, которое было у Михаила Осиповича с детства, нарушило его планы.
В 1919 году в возрасте 57 лет Доливо-Добровольский умер. Незадолго до смерти Михаил Осипович написал работу «О пределах применимости трехфазного переменного тока для передачи электроэнергии на расстояние». Проведя исследования, он доказал, что при электропередачах большой мощности и на очень дальнее расстояние произойдет обратный переход от переменного тока к постоянному. Посвятив свою деятельность применению переменного тока, выдаю-щийся изобретатель тем не менее предвидел в будущем возвращение к постоянному току, чему мы и являемся свидетелями.
Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862-1919) – российский инженер-электротехник, один из создателей устройств, работающих на трехфазном переменном токе. Ему принадлежит большое количество изобретений в области электротехники, в том числе асинхронный двигатель, дугогасительная решетка, несколько измерительных приборов. Он сумел первым в мире успешно продемонстрировать передачу трехфазного переменного тока на расстояние и доказал его преимущества.
Михаил Осипович родился 2 января 1862 года в Гатчине, став первым ребенком в многодетной семье. Его дед по отцовской линии переехал в Петербург из Польши еще в конце XVIII века и служил тайным советником. Когда мальчику было 11 лет, семья переехала в Одессу, где прошли детские и юношеские годы талантливого инженера. Здесь он на отлично окончил реальное училище, а затем поступил в Рижский университет. Но получить диплом ему было не суждено – за участие в одной из студенческих акций протеста Михаил был безжалостно отчислен без права поступить в новое учебное заведение на территории России.
Это вынудило молодого человека начать поиски места учебы за рубежом и при помощи дяди будущий изобретатель прибыл в немецкий город Дармштадт, где поступил на машиностроительный факультет местного Высшего Технического училища. Параллельно с этим Доливо-Добровольский с головой окунулся в изучение электротехники, а по окончании Альма-матер остался здесь для работы ассистентом в электротехнической лаборатории.
В этот период изобретатель начинает писать статьи, которые публикуются в специализированном издании «Электричество». Его смелые взгляды не остались незамеченными и широко обсуждались общественностью. В частности, он предлагал решительно бороться с дилетантизмом и требовал введения научного подхода в процесс технических разработок. Спустя некоторое время Михаил Осипович начал работать на одном из передовых электротехнических предприятий Эрликон из Швейцарии, а затем влился в ряды Всеобщей компании электричества (Германия), где проработал много лет.
Находясь долгие годы за рубежом, Михаил Осипович не порывал связь с Россией и при любой возможности приезжал на родину. Здесь он тесно контактировал с российскими коллегами, принимая участие в электротехнических съездах и других профессиональных форумах. После основания политехнического института в Петербурге, его планировали назначить деканом электромеханического факультета. Но из-за семейных проблем и занятости на работе приступить к обязанностям руководителя факультета он так и не смог.
Работы с асинхронным двигателем
Первые разработки Михаила Осиповича были связаны с устройствами постоянного тока. Изучая проблему в деталях, он не забывал знакомиться с новейшими теоретическими изысканиями авторитетных физиков. В частности, были глубоко изучены работы итальянского ученого Галилео Феррасиса, посвященные вращающемуся магнитному полю. Согласно его представлениям, КПД асинхронного двухфазного двигателя не превышает 50%, поэтому у такой техники нет будущего. Подобные выводы объяснялись рядом теоретических просчетов, которые впоследствии устранил русский электротехник.
Михаил Осипович сумел доказать, что для эффективной работы асинхронного двигателя понадобится вращающееся магнитное поле, которое можно создать используя трехфазную модель симметричного типа при условии сдвига фаз на 120 электрических градусов. Авторская конструкция была испытана в 1889 году и наглядно показала свое преимущество перед двухфазными аналогами Тесла и Феррариса. Как писал Доливо-Добровольский, уже в момент первого запуска удалось зафиксировать необычное для тех времен явление, когда попытки затормозить работу устройства с помощью конца вала не увенчались успехом. При этом сам моторчик имел очень скромные размеры.
В отличие от синхронных, асинхронные силовые установки начинают вращаться самостоятельно при поступлении тока. Для питания они используют три провода, соединяющихся с обмотками статора.
Однако успешные испытания не изменили мнения скептиков. Одна из главных величин мировой электротехники даже отказался взглянуть на это изобретение, в очередной раз заявив, что у переменного тока не может быть будущего. Несмотря на это автор сумел доработать устройство, которое в конструктивном плане принципиально не менялось до наших дней.
Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока разработанный Доливо-Добровольским. Рабочий экземпляр хранится в Московском Политехническом музее
Делитель напряжения
Важное значение в электротехнике получил разработанный Михаилом Осиповичем механизм деления напряжения постоянного тока с использованием «трехпроводной» системы распределения, в основе которой лежала индукционная катушка. Новое решение стало откликом на проблему, мешавшую распространению постоянного тока. Она была связана с невозможностью использования высокого напряжения при наличии ламп накаливания в сетях постоянного тока. Лампы производились для предельного напряжения не более 220 В и в сетях было недопустимо превышать эти значения.
Благодаря «трехпроводной системе», этот недостаток отчасти нивелировался. Она предоставляла возможность удваивать напряжение одновременно у зажимов питающего устройства и в сети посредством использования еще одного «уравнительного» провода малого сечения, с помощью которого соединялись зажимы ламп.
Трехфазные генераторы и трансформаторы
Доливо-Добровольский проводил огромную исследовательскую работу, связанную с функционированием генераторов переменного тока с двумя статичными обмотками и вращающейся металлической конструкцией. В этом устройстве вращательные движения совершает цилиндр, который соединен с двумя железными крестами. В процессе их вращения изменялся магнитный поток, проходящий через обмотки якоря, отчего возникала электродвижущая сила. Изобретатель и сам проектировал аналогичные приборы, но со временем точно предсказал, что их вытеснят устройства с вращающимися электромагнитами.
Одним из главных направлений деятельности изобретателя стало первое практическое использование трехфазного тока с целью передачи электричества. Явление обратимости (двигатель/генератор) магнитоэлектрических устройств находилось в центре внимания многих ученых. Но приведение в состояние механической работы одной машины постоянного тока с помощью тока другой впервые продемонстрировал французский инженер Фонтен в 1873 году на выставке в Вене. Однако широкого применения этот эксперимент не получил, так как сам автор был убежден, что способ годится лишь для передачи энергии малой мощности на короткие расстояния. Позднее над этой проблемой бились лучшие умы своего времени, но оптимальное решение удалось найти Доливо-Добровольскому.
Он предложил использовать для передачи трехфазный переменный ток, причем эта система обладает неоспоримым преимуществом перед двухфазным за счет применения только трех, а не четырех проводов. Подобная закономерность связана с особенностями трехфазного тока, где в любой момент сумма сил токов, которые движутся по трем проводам равна нулю. Подобный показатель имеют электродвижущие силы, вырабатываемые в фазах обмотки генератора. Это и позволяет использовать всего 3 провода.
Авторский трехфазный генератор переменного тока был сконструирован в 1888 году. Прибор мощностью около 3 кВт сумел привести в действие трехфазную силовую установку с кольцевидным сердечником, окруженную кольцами Грамма (проволочная обмотка в виде кольца). Но настоящий триумф был еще впереди.
В 1891 году во время франкфуртской электротехнической выставки была успешно осуществлена передача электричества между городом и Лауффенской электростанцией на реке Неккар, которые разделяет 175 км. Это событие стало первым случаем передачи электроэнергии с использованием переменного тока, став отправной точкой его окончательного превосходства. При этом трехфазная система русского изобретателя получила всеобщее признание. Доливо-Добровольский приложил немало сил для пропаганды необходимости использования трехфазного переменного тока и в итоге смог переубедить многих скептиков.
Трехфазный генератор переменного тока разработынный Доливо-Добровольским — был установлен на Лауффенской электростанции
В 1890 году Михаил Осипович предложил идею применения для трехфазных токов вместо трех трансформаторов одного устройства специальной конструкции. Его главным отличием стало наличие трех магнитных сердечников с обмоткой вместо двух. Они соединяются в конечной части ярмом кольцеобразной формы, что формирует три сцепленных магнитных потока. В целом практика показала правильность размышлений изобретателя, за исключением сверхмощных трансформаторов, в сегменте которых по ряду объективных причин по-прежнему отдается предпочтение серии однофазных устройств. В результате Доливо-Добровольский сумел спроектировать и внедрить все установки, необходимые для передачи трехфазного тока и распределения электроэнергии между потребителями.
В 1899 году он выступил на Всероссийском электротехническом съезде, где обобщил результаты своей деятельности. В частности, он рассказал о своем видении конструирования измерительных приборов, трансформаторов, двигателей и других электрических установок. Также автор доклада представил убедительные доводы в пользу трехфазного тока, главные из которых – экономичность при его передаче на большие расстояния и высокая производительность двигателей.
Другие изобретения
Доливо-Добровольский всерьез интересовался проблемой электротехнических измерений. Двигаясь в этом направлении, ему удалось создать особую разновидность электромагнитных вольтметров и амперметров, которые использовались для измерений постоянного и переменного тока. Впоследствии их начала производить фирма из Германии «Всеобщая компания электричества», где работал сам изобретатель.
В более поздних версиях электроизмерительных устройств, автор стал применять правило вращающегося магнитного поля переменного тока. Именно так сконструированы фазометры, ваттметры и частотомеры. Они характеризовались простотой использования, высокой надежностью и затем активно использовались в качестве приборов для распределительных щитов на электростанциях. В наши дни универсальная идея Доливо-Добровольского находит применение во множестве электроприборов.
Михаил Доливо-Добровольский скончался 15 ноября 1919 года в немецком городе Гейдельберге от обострившейся болезни сердца.
- Михаил Осипович оставил в дар свою библиотеку электротехнической литературы Петербургскому политехническому институту.
- Одним из изобретений электротехника стала дугогасительная решетка, которая нашла применение в секционных изоляторах, электромагнитных выключателях, контакторах и других электроустановках.
- Несмотря на долгие годы жизни за границей, Доливо-Добровольский не отказался от российского подданства.
- После успешной демонстрации возможностей асинхронного двигателя фирма AEG, в которой трудился Доливо-Добровольский, создала в России разветвленную сеть агентств, занимавшихся сбытом ее продукции.
- Творческие методы Михаила Осиповича всегда были связаны с попытками найти суть ключевых физических явлений, при этом он никогда не пользовался математическим анализом.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
МИХАИЛ ОСИПОВИЧ ДОЛИВО-ДОБРОВОЛЬСКИЙ
Михаил Осипович Доливо-Добровольский принадлежал к числу тех многочисленных русских интеллигентов, которых условия жизни в России во второй половине XIX в. заставляли бросать родину и устраивать свою жизнь за границей.
Михаил Осипович родился в Петербурге в 1862 г., но в связи с переездом его семьи в Одессу в этом городе он обучался в реальном училище.
Революционные события, имевшие место в России в 70-х годах прошлого века, не могли не оказать влияния на живого и восприимчивого мальчика. Поэтому неудивительно, что когда Михаил Осипович по окончании курса в Одесском реальном училище поступил в Рижский политехнический институт, то весьма скоро за участие в политических выступлениях студенчества был исключен из Политехникума. Оканчивать свое инженерное образование ему пришлось уже за границей, в Германии, где он поступил в Высшую техническую школу в Дармштадте.
В Дармштадте во главе электротехнического отделения стоял тогда известный электротехник, проф. Э. Китлер, под руководством которого получали образование многие поколения электротехников, большей частью немецких, но часто принадлежавших к другим национальностям. К нему, в числе последних, попал и Михаил Осипович.
И в высшей школе, и в первые годы после ее окончания Доливо-Добровольский особенно интересовался электрохимией. В этой области электротехники и были сделаны первые его работы, обратившие на молодого русского инженера внимание немецких профессоров. Доливо-Добровольский был оставлен при институте ассистентом и в нем начал свою научную деятельность. Впоследствии он перешел на работу на швейцарский завод Эрликон, бывший одним из передовых электротехнических заводов того времени, а затем поступил на службу в немецкую Всеобщую компанию электричества (AEG), в которой и протекла вся его последующая деятельность. Находясь в этом Обществе, Доливо-Добровольский выполнил свои знаменитые работы по трехфазному току, давшие мировую известность автору и произведшие мировой переворот в технике использования и передачи электрической энергии.
Несмотря на вынужденный выезд из России, Доливо-Добровольский никогда не порывал связи со своей родиной и при каждой возможности приезжал в Россию, где поддерживал тесные отношения с русскими электротехниками, участвуя, в частности, в собраниях Технического общества, а впоследствии в электротехнических съездах.
При основании Петербургского политехнического института он был привлечен к разработке плана Института и намечался к назначению деканом электромеханического факультета. Однако, семейные и деловые обстоятельства не позволяли ему покинуть Германию и переехать в Петербург. Все же он сохранял связи с Институтом и, в частности, передал ему всю свою ценнейшую электротехническую библиотеку.
Умер Михаил Осипович в 1919 г., когда молодая Советская республика была отрезана от всего мира. Поэтому его смерть осталась неотмеченной на родине. Лишь после его смерти память его почтили как специальными сообщениями в технических обществах, так и статьями в журналах.
Как было сказано, первые научные работы Михаила Осиповича относятся к области электрохимии. Изобретение аккумуляторов и успехи первых заводских применений электролиза для металлургических целей привлекали в начале 80-х годов XIX в. внимание многих ученых и изобретателей. Доливо-Добровольский, начав учиться в Дармштадте, тоже увлекся этой отраслью электротехники. Его первые научные работы, о которых в середине 80-х годов помещались сообщения в журнале «Электричество», все были посвящены вопросам электрохимии, причем во всех случаях молодой автор не стеснялся в высказывании своих взглядов. Так. например, рецензируя работу Лоджа «О местонахождении электровозбудительных сил в гальванических элементах», он высказывает и дает изложение своих мыслей по этому интересовавшему электрохимиков вопросу. Эти первые статьи очень характерны для Доливо-Добровольского. В них он, еще с юношеской горячностью, выступает против рутинных взглядов и привычек, свойственных и многим научным работникам и работникам промышленности, и стремится выявить значение научного подхода к решению всех технических вопросов. Так, сделав некоторые выводы относительно работы аккумуляторов и дав несколько формул для расчетов, Доливо-Добровольский пишет: «Иной техник, пожалуй, испугается такой массы условий: характеристика машины или уравнение ее - не всегда известны; не всегда известно и сопротивление аккумуляторов; как же тогда употреблять все эти формулы? Но со своей стороны мы спросим этого, возмущенного нашею требовательностью, техника: возможно ли работать основательно, делать основательную установку приборов, вычислять расходы на движущую силу, определять производительность, не зная во всех деталях тех приборов, с которыми он имеет дело? В настоящее время машиностроение достигло такого развития, что всякая установка, почти все ее подробности могут быть точно определены заранее. К тому же должна стремиться и электротехника».
В другой статье, говоря об электрохимии, Доливо-Добровольский пишет: «Надо сознаться, что в этом отделе электротехники чувствуется гораздо больший недостаток в научной разработке, чем, например, в электрическом освещении, почему для каждого электрохимика представляет интерес знать то немногое, что приобретено наукой, уже хотя бы для того, чтобы не заразиться мистицизмом в науке об электричестве, в который, к сожалению, впали очень многие».
Говоря дальше об успехах электрохимической промышленности, Доливо-Добровольский пишет: «В настоящее время электрохимическая промышленность стоит на той высшей точке, которой она могла достичь при помощи одной лишь практики, и чтобы получить новый толчок, необходимы новые научные исследования. К прискорбию, приходится констатировать факт, что далеко не все, кому бы надлежало, стремятся к освещению электрохимии, наоборот, стремятся затемнить и затуманить то немногое, что сделано на этом пути наукой. Иначе мы не можем, например, себе объяснить борьбы против закона о сохранении энергии при электрохимических явлениях», и далее: «Не следует вообще профессорам обезкураживать электрохимиков, лишь потому, что их результаты вычислений верны только до одного десятичного знака… Абсолютно точных вычислений пока невозможно требовать… и практикам поневоле приходится довольствоваться приблизительными; это все же лучше, чем идти ощупью и безпрестанно пробовать».
Заканчивая свою рецензию на названную выше работу Лоджа, Доливо-Добровольский опять касается «мистицизма» в науке и говорит: «Мы предаемся надежде, что в недалеком будущем теория усовершенствуется, изгнав мистические понятия».
В дальнейшем наука, конечно, вполне освободилась от всяких следов мистицизма, хотя долгое время объяснения многих из наблюдавшихся явлений, в частности, в электрохимии, не всегда были свободны от того недостатка, который Доливо-Добровольский называл «мистицизмом».
Михаил Осипович не долго сосредоточивает свое внимание на одной электрохимии. Скоро он начал работать и над другими вопросами электротехники. Работая на электротехнических заводах, Доливо-Добровольский стал заниматься вопросами электротехнических измерений, в частности, он разработал особый вид электромагнитных амперметров и вольтметров, которые выпускались немецкой фирмой «Всеобщая компания электричества» и очень широко применялись для измерений как постоянных, так и переменных токов.
Позже Доливо-Добровольский применял для устройства измерительных приборов принцип двигателя с вращающимся магнитным полем переменного тока. На этом принципе устроены его ваттметры, фазометры и частотомеры. Приборы эти отличались простотой, выносливостью и получили в свое время широкое применение в качестве приборов для распределительных щитов на электрических станциях. И теперь этот принцип применяется в целом ряде электрических приборов, используемых для самых разнообразных целей.
Большое значение в электротехнике приобрел изобретенный Доливо-Добровольским способ деления напряжения постоянного тока при применении так называемой «трехпроводной» системы распределения, основанный на применении индукционной катушки, названной Доливо-Добровольским «делителем напряжения». Как известно, расширению сетей постоянного тока больше всего препятствовала невозможность при постоянном токе применять в сетях, в которых имеются лампы накаливания, сколько-нибудь высокое напряжение. Действительно, в этих сетях напряжение должно быть то же, что и в приемниках, а так как лампы накаливания изготовлялись для напряжений не выше 110–220 в, то и в сетях нельзя превосходить этих напряжений. Между тем, даже при напряжении около 220 в радиус района сети не мог превышать 1–1,5 км. При большом увеличении района размеры потерь делают электроснабжающую установку неприемлемой, особенно с экономической точки зрения, так как для сколько-нибудь удовлетворительного горения ламп провода должны применяться большого диаметра и, следовательно, требуют применения больших количеств меди. Так называемая «трехпроводная система» до некоторой степени устраняла этот недостаток постоянного тока, позволяя удваивать напряжение у зажимов питающего генератора и в распределительной сети путем включения между проводами по две лампы последовательно и применения третьего «уравнительного» провода малого сечения, соединяющего между собой общие зажимы ламп. Для того, чтобы такая система могла удовлетворительно работать, т. е. чтобы каждая лампа всегда получала половину общего напряжения сети, для уравнения напряжений в этих половинах включали обычно в питающую сеть или специальные машины «уравнители», или агрегаты из двух машин, валы которых прочно связывались между собой. Применение таких вращающихся уравнительных машин влекло за собой много затруднений при эксплоатации систем и заставляло иногда отказываться от применения трехпроводной системы. Доливо-Добровольский, работавший много с переменными токами, придумал заменить вращающиеся машины одной неподвижной индукционной катушкой на железном сердечнике. Он учел то обстоятельство, что в генераторах постоянного тока ток выпрямляется только коллектором, в обмотках же якоря он остается переменным. Таким образом, если концы обмотки якоря присоединить к катушке с большим коэффициентом самоиндукции, то эта катушка представит большое сопротивление прохождению переменного тока, в то же время самоиндукция не будет мешать прохождению постоянного тока, снабжая якорь, кроме коллектора, двумя контактными кольцами, и поэтому, включая надлежащим образом такую катушку через кольца между концами обмотки якоря и присоединяя к середине ее обмотки третий провод системы (фиг. 28), можно добиться деления напряжения, а также постоянства напряжения в двух половинах трехпроводной системы, не прибегая к вращающимся механизмам. Внешний вид «делителя» дан на фиг. 29.
«Делитель» Доливо-Добровольского, как простое в эксплоатации и экономичное приспособление, получил очень широкое распространение в установках постоянного тока, и его применение стало более редким лишь после того, как трехфазный ток почти целиком вытеснил постоянный и трехпроводная система постоянного тока потеряла свое значение. Таким образом, одно изобретение Доливо-Добровольского было вытеснено другим его же изобретением.
Доливо-Добровольский вообще много работал над теорией и расчетом электрических машин. Весьма многие усовершенствования в генераторах и двигателях, осуществленные в машинах Всеобщей компании электричества, явились результатом его трудов. В частности, ему принадлежат глубокие исследования над распределением магнитных потоков в машинах с зубчатыми сердечниками якорей. Эти работы вызвали большую дискуссию, способствовавшую выяснению многих вопросов о распределении магнитных потоков в работающих машинах с подобными якорями. Большая работа в этом направлении была выполнена в свое время В. Ф. Миткевичем.
М. О. Доливо-Добровольский выполнил также большую исследовательскую работу над генераторами переменного тока с двумя неподвижными обмотками и вращающейся железной массой. Часто идею и первое осуществление такого генератора приписывают английскому электрику Мордей. Доливо-Добровольский установил, что гораздо раньше идея эта была осуществлена русским изобретателем Клименко, который получил на нее в 1885 г. русскую привилегию за № 3085. Заявка на привилегию была им сделана еще в 1882 г. В этой машине обе обмотки неподвижны, вращается же железный цилиндр с прикрепленными к нему по концам двумя железными крестами. При вращении этих крестов меняется магнитный поток, пронизывающий обмотки якоря, вследствие чего в них и появляется электродвижущая сила .
Доливо-Добровольский хотя и сам проектировал подобные машины, подробно изучив все преимущества и недостатки таких генераторов, предсказал неизбежную замену их генераторами с вращающимися электромагнитами.
Доливо-Добровольский работал еще над целым рядом других вопросов, связанных с построением электрических машин. Все эти работы имели в свое время большое влияние на направление развития электромашиностроения и привлекали к себе внимание электротехников всех стран.
Работы М. О. Доливо-Добровольского много способствовали установлению правильных взглядов на различные явления, происходящие в динамомашинах, развитию теории машин и их усовершенствованию. Но главной работой, которая прославила имя Доливо-Добровольского, была работа, связанная с изобретением и первым практическим применением трехфазного тока для передачи и распределения электрической энергии. Обратимость магнитоэлектрических машин наблюдали уже академики Ленд и Якоби при своих работах с этими машинами, но возможность приведения в действие одной машины постоянного тока посредством тока, получаемого от другой такой же машины, и получения от первой механической работы была впервые показана французским электриком Фонтеном на Венской выставке 1873 г. Фонтен демонстрировал возможность приведения во вращение небольшой машины Грамма током от другой, большей машины той же фирмы, даже при включении между ними намотанных на барабаны проводов длиною в 2 км. Маленькая машина Грамма, работая как двигатель, могла приводить в действие небольшой водяной насос. Дальнейшего практического применения этот опыт не получил, и сам Фонтен считал, что подобная передача энергии возможна только для небольших мощностей и то на небольшие расстояния. Вот что писал, например, сам Фонтен в своей брошюре, посвященной электрической передаче энергии, изданной в 1885 г., через 2 года после его опыта на Венской выставке, и как он оценивал возможности электропередачи энергии:
«Тогда, как и теперь, я не верю в возможность электрической передачи больших мощностей на большие расстояния; электрические железные дороги мне казались и кажутся и теперь решением, применить которое можно посоветовать только в совершенно исключительных случаях. Я считал тогда, и считаю и теперь, что при современных знаниях об искусстве сооружения динамоэлектрических машин, при их помощи можно только передать энергию на небольшие расстояния, например, для приведения в действие станков, подъемников, вентиляторов, одним словом, механизмов, которые ныне приводятся в действие ременными или канатными передачами».
Возможность электрической передачи на большие расстояния была широко продемонстрирована на Мюнхенской выставке 1882 г. французским инженером, впоследствии академиком, Марселем Депре, передававшим энергию от водяной турбины, находившейся в Мисбахе, в 60 км от Мюнхена, на Мюнхенскую выставку, где небольшой электродвигатель приводил в действие небольшой насос, мощностью около 0,5 л. с. Как известно, опыт Депре привлек общее внимание. Считалось, что мюнхенский опыт Депре положил начало новой эры в энергоснабжении. Между тем, гораздо раньше Депре, русские работники практически показали возможность электрической передачи гораздо больших мощностей и разработали теоретически вопрос об электропередачах. Именно, уже в 1874 г. военный инженер Ф. А. Пироцкий устроил на Волковом поле, вблизи Петербурга, электрическую передачу мощностью около 6 л. с. сначала на расстояние нескольких десятков метров, увеличенное затем до 1 км. Продолжая свои опыты, Пироцкий с успехом пытался применять в качестве проводов для передачи рельсы на участке паровой железной дороги, вблизи Петербурга, а также и рельсы, уложенные вдоль одной улицы Петербурга для городской конной железной дороги (трамвай с конной тягой).
На основании своих опытов Пироцкий пришел к заключению о полной возможности электрической передачи больших мощностей на большие расстояния и, основываясь на этом заключении, предложил пользоваться в качестве источников энергии водяными потоками. В 1877 г. Пироцкий уже напечатал в «Инженерном журнале» статью под заглавием «О передаче работы воды, как двигателя, на всякое расстояние посредством гальванического тока», в которой он писал о преимуществах использования водяных двигателей с электропередачей энергии на расстояние, по сравнению с использованием паровых двигателей, устанавливаемых на месте потребления.
Опыты Пироцкого не привлекли особого внимания, и были скоро забыты. Его предложения относительно использования водных сил не получили осуществления.
Известно, как приняли Маркс и Энгельс известие об опытах Депре и какое значение они придавали возможности передачи энергии на расстояние. Однако, потребовалось немало времени, чтобы электропередача энергии действительно стала тем, что от нее ждали основоположники марксизма. Потребовались и разработка ряда теоретических вопросов и производство многих исследований на опытных установках.
Теоретические обоснования и расчеты электропередач были в тот же период времени даны в ряде работ, напечатанных еще в 1880 г., также одним из пионеров русской электротехники Д. А. Лачиновым, пришедшим в своих теоретических изысканиях к таким выводам, которые позже подтвердил на опыте Марсель Депре в 1882 г.
После опытной электропередачи, осуществленной им для демонстрации электропередачи небольшой мощности на Мюнхенской выставке в 1882 г., Марсель Депре в 1883 г. осуществил близ Гренобля (Франция) опыт электропередачи 7 л. с, т. е. мощности, передававшейся Пироцким еще в 1874 г. Дальнейшие опыты Депре электропередачи из Парижа в Крейль и обратно током напряжением около 6000 в, опыты Фонтена, а затем Тюри и других электриков показали практическую возможность передавать значительно большие мощности на значительно большие расстояния. При этом выяснилось, что пределы мощности и расстояния электропередачи тесно связаны с напряжением тока, посредством которого производится электропередача.
В этом отношении постоянный ток, посредством которого осуществлялись все электропередачи, не позволял идти сколько-нибудь далеко, так как надежно работающие генераторы и двигатели постоянного тока удавалось строить только для напряжений до 5–7 и максимум 10 тыс. в. Правда, сначала Фонтеном, а потом Тюри предлагалось соединять для электропередач последовательно несколько генераторов на генераторном конце электропередачи и несколько электродвигателей соединять также последовательно на приемном и, таким образом, повышать напряжение электропередач, и правда, что несколько таких электропередач с напряжением от 2000 до 100 000 в были сооружены, однако все они обладали такими недостатками, что сколько-нибудь значительного распространения получить не могли.
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».
В последних фразах Доливо-Добровольского слышится отзвук тех длительных споров о приоритете и тех дискуссий о достоинствах и недостатках трехфазного тока, которые возбудило осуществление Франкфуртской трехфазной установки. Доливо-Добровольский намекает на это в самом начале своего доклада на Съезде 1899 г. «Несмотря на то, что вращающееся магнитное поле было открыто профессором Феррарисом за 5–6 лет до Франкфуртской выставки и имело, в свою очередь, предвестников (см., например, работы Депре, Бейля и др.), несмотря на то, что опыты Тесла, а также и мои существовали уже года за два до этой выставки, все же год этой выставки (1891) должно считать, так сказать, годом рождения трехфазного тока. Техника не заботится много о лабораторных опытах, мало интересуется теоретическими размышлениями и возможностями, она приветствует открытия лишь тогда, когда ей покажут, что из них можно кое-что сделать, покажут, хотя бы не в законченной, но по крайней мере, в сколько-нибудь практической форме. В 1891 г. и были показаны первые действительные трехфазные двигатели»… Хотя вскоре после этой выставки, отчасти же и во время ее, появилось много нападок на новую систему, - но это было явлением вполне нормальным; как и при всех нововведениях, одни заступались за дорогую им старину, другие же отрицали заслуги пионеров, которые будто бы по существу ничего нового не сделали. Из борцов против трехфазного тока выдавались тогда Свинбурн в Англии, Дери в Австрии и Броун в Швейцарии… Последний (Броун), несмотря на свое сотрудничество со мной вначале, боролся в целом ряде статей против трехфазных проводов и против двигателей со щетками, предвещая успех однофазному току».
С Броуном Доливо-Добровольский вел довольно длительную полемику на страницах специальных журналов. Надо, однако, отметить, что в дальнейшем Броун изменил свое отношение к трехфазному току, и фирма, в которой он принял самое деятельное участие, швейцарская фирма Броун-Бовери, явилась одним из крупнейших мировых поставщиков оборудования для всякого рода трехфазных установок.
Свои двигатели трехфазного тока Доливо-Добровольский описывает так: «Внешняя неподвижная часть двигателя (остов) имеет, так называемую, первичную или намагничивающую обмотку, тогда как в якоре (подвижная часть) протекают индукционные токи, почему эта часть не требует сообщения с внешней цепью… Простейшая форма якоря - это, так называемый, замкнутый якорь с обмоткой, напоминающей известное колесо для белок (фиг. 30). Подобные якоря… представляют идеал простоты устройства и надежности действия…
Замкнутый якорь представляет при известных условиях (большая мощность, нагрузка) затруднения при пускании в ход. Наиболее выгодное в смысле экономии тока и плавное пускание в ход трехфазного двигателя производится введением сопротивлений (реостатов) во вторичную (якорную) обмотку . С этой целью якорь снабжается правильной обмоткой, подобной внешней намагничивающей. Эту вторичную обмотку делят на три фазы и концы ее приводят в сообщение с гладкими, изолированными от оси «контактными кольцами». Через посредство щеток, трущихся на этих кольцах, можно посредством реостата постепенно замыкать якорную обмотку на себя все с меньшим и меньшим сопротивлением, пока не получится совершенно короткого замыкания. При этом двигатель начинает вращаться совершенно спокойно и плавно, потребляя ничуть не больше тока, чем это соответствует преодолению механического сопротивления, совершенно так же, как это бывает при постоянном токе.
При подобных двигателях с «контактными кольцами» можно регулировать скорость в пределах от полной нормальной до нуля, как угодно, однако с потерей энергии в таком же отношении, как при регулировании двигателей постоянного тока помощью сопротивлений в цепи якоря».
На фиг. 31 и 32 даны схемы двигателей трехфазного тока с «замкнутой» обмоткой и с «контактными кольцами» и пусковым реостатом, демонстрировавшиеся Доливо-Добровольским во время его сообщения.
Из приведенных выдержек, из текста сообщения Доливо-Добровольского и приведенных рисунков можно видеть, насколько мало изменились двигатели, изобретенные Доливо-Добровольским почти 60 лет тому назад и демонстрировавшиеся на выставке во Франкфурте в 1891 г. В своем докладе Доливо-Добровольский привел также данные о коэффициентах полезного действия и коэффициенте мощности своих двигателей при разных нагрузках (фиг. 33 и 34), показывающие, что при самом своем появлении трехфазные двигатели Доливо-Добровольского обладали достаточно высокими качествами.
Таким образом, Доливо-Добровольским был решен основной вопрос, определивший судьбу трехфазных токов, - вопрос об электродвигателях. Им же был решен вопрос о трансформаторах трехфазного тока, весьма важный для трехфазных электропередач. Еще в 1890 г. Доливо-Добровольский предложил для трехфазных токов, вместо трех обычных однофазных трансформаторов, применять один, специально приспособленный для трехфазных токов. Отличие такого трехфазного трансформатора от однофазного состояло в том, что он имеет три магнитных сердечника с обмотками, а не два. Сердечники соединяются на каждом конце кольцеобразным ярмом так, что в трехстержневом сердечнике образуются три сцепленных магнитных потока (фиг. 35). Против трехфазных трансформаторов вначале много возражали, но, как известно, практика решила вопрос в пользу их применения во всех случаях, кроме случая применения очень мощных трансформаторов, когда по целому ряду соображений предпочитают применять группы из трех однофазных трансформаторов.
Таким образом, Доливо-Добровольским были изобретены и разработаны все элементы для трехфазной передачи энергии и для распределения энергии между потребителями как осветительными, так и силовыми.
Первой демонстрацией мощной, по тому времени, трехфазной электропередачи была передача, устроенная между Лауфеном на р. Неккар и Франкфуртом-на-Майне в 1891 г. по случаю электротехнической выставки во Франкфурте, бывшей в том же году.
Франкфуртская электротехническая выставка 1891 г. играет в истории электротехники переменного тока роль, подобную той, которую десятью годами раньше играла первая электрическая выставка в Париже вообще в истории электротехники. Как Парижскую выставку считают эпохой, с которой начала развиваться современная электротехника, так Франкфуртскую выставку надо считать эпохой зарождения электротехники трехфазного тока, внесшей переворот в решения целого ряда электротехнических проблем и решившей много вопросов, до того считавшихся почти неразрешимыми. Среди них основную задачу - задачу об электрической передаче энергии на большие расстояния, которую до тех пор не удавалось решить сколько-нибудь удовлетворительно как с технической, так и с экономической точек зрения. Основной причиной была, как известно, невозможность, с одной стороны, получения от динамомашин постоянного тока достаточно высокого напряжения для больших электропередач, с другой стороны, - невозможность трансформировать постоянные токи средних напряжений, которые удавалось получить от динамомашин постоянного тока и которые были достаточны для небольших электропередач (5–7 тыс. в), в токи таких напряжений, которые требовали приемники (100–500 в). Применение однофазного тока было исключено из-за отсутствия пригодных для практики двигателей однофазного тока.
Применение трехфазного тока устраняло все эти затруднения, и Лауфен-Франкфуртская электропередача была блестящей иллюстрацией мирового значения изобретений Доливо-Добровольского.
Вот как описывает эту электропередачу русский инженер Р. Э. Классон, участвовавший в сооружении первой в мире трехфазной электропередачи, в заметке, посвященной официальному отчету о работах испытательной комиссии при Франкфуртской электротехнической выставке 1891 г.
«Отчет по группе Передача силы из Лауфена во Франкфурт представляет такой богатый материал, что разбор его потребовал бы отдельной статьи. Мы ограничимся поэтому указанием результатов, которые достигнуты были этим единственным по размерам опытом: при напряжении от 7500 до 8500 вольт общий коэффициент полезного действия электропередачи доходил до 75 %, результат, несомненно, чрезвычайно благоприятный, если принять во внимание дальность расстояния (170 километров). По мнению Комиссии передача на столь далекое расстояние током высокого сравнительно напряжения (7500–8500 вольт) совершается так же легко и просто, как передача на большие расстояния при низком напряжении… При опытах с током очень высокого напряжения (до 28 000 вольт) обнаружилось сильное влияние емкости линии… При этом напряжении (число периодов пришлось понизить до 24 в секунду) общий коэффициент полезного действия при передаче во Франкфурте 180 действительных сил был около 75 %… Вообще можно сказать, что опыты с током выше 15–28 тыс. вольт указали на целый ряд интересных явлений, требующих дальнейшей разработки, как на пример, укажем на повышение напряжения в конце первичной цепи у трансформаторов на 8–9 % против начального напряжения у зажимов машины - под влиянием электростатической емкости линии».
Автор этой заметки Р. Э. Классон принадлежал к той группе инженеров, окончивших в конце XIX в. Петербургский технологический институт, которые сыграли громадную роль в развитии русской электротехники. К числу их принадлежат Г. М. Кржижановский, Л. Б. Красин, проф. Т. Ф. Макарьев - крупнейший наш теплотехник и др. К этой группе принадлежал также и инж. Б. Г. Галеркин, впоследствии профессор и академик, проектировавший для электрических станций и установок крупнейшие металлические сооружения.
Р. Э. Классон по окончании курса в Технологическом институте поехал за границу и участвовал в организации Лауфен-Франкфуртской электропередачи. По возвращении в Россию он стал всячески стремиться к распространению трехфазных токов у себя на родине. В этом отношении он нашел себе поддержку в лице В. Н. Чиколева, который хотя и был сам убежденным сторонником постоянного тока, но добился разрешения Артиллерийского ведомства, в котором он служил, на оборудование трехфазным током Охтенского порохового завода в Петербурге.
Эта Охтенская установка, выполненная Классоном в 1896 г., была одной из самых первых установок в мире, где была применена для питания завода энергия, полученная от гидроэлектрической станции и переданная на расстояние трехфазным током высокого напряжения по воздушной линии электропередачи. Трехфазным током через посредство трехфазных трансформаторов питались и электродвигатели завода, и его освещение лампами накаливания. На этой установке была осуществлена параллельная работа двух генераторов трехфазного тока разной мощности, вращавшихся водяными турбинами. Таких установок было в то время весьма немного и в Западной Европе, где и самый вопрос возможности устойчивой параллельной работы трехфазных генераторов на общую сеть еще возбуждал сомнения. В дальнейшем Р. Э. Классон строил у нас уже гораздо более мощные трехфазные установки, притом гораздо более высокого напряжении. Так, им было осуществлено электроснабжение нефтяных промыслов в Баку током в 20 000 в. Затем он построил первую в России мощную торфяную электростанцию для передачи энергии в Москву при напряжении в 70 000 в. Эта станция в дальнейшем, уже при Советской власти, получила название «Станция имени Р. Э. Классона». Позже Классон принимал активное участие в развитии электрификации в России и в составлении плана ГОЭЛРО. Р. Э. Классон был, таким образом, первым и одним из самых крупных русских инженеров, осуществлявших в России идеи русского изобретателя Доливо-Добровольского.
Несколько позже Охтенской установки была осуществлена первая в России крупная электропередача, уже на десятки километров, трехфазным током напряжением 8000 в - это электропередача от гидростанции на р. Подкумке, близ Ессентуков, в Пятигорск и Кисловодск. Эта установка, выполненная Горным ведомством при участии члена Горного ученого комитета проф. М. А. Шателена, интересна не только тем, что в ней использована была впервые в России для крупной электропередачи гидравлическая энергия, но и тем, что в общую сеть была включена мощная, по тому времени, дизельная электростанция и, таким образом, была осуществлена впервые параллельная работа гидростанции и дизельной станции, находившейся на расстоянии 20 км, соединенной трехфазной линией в 8000 в. Параллельная работа таких станций многими выдающимися электриками того времени считалась невозможной.
Таким образом, изобретение Доливо-Добровольского получило на его родине одно из первых применений.
Но не этим одним изобретением послужил Михаил Осипович своей родине. Как будет сказано дальше, он помог своими знаниями и опытом организации в России крупнейшего рассадника инженеров-электриков и центра многих исследовательских работ в области электротехники - Ленинградского политехнического института.
Михаил Осипович был человеком с очень большим кругозором. Это доказал он широким размахом и разнообразием содержания его работ и отношением даже к собственным изобретениям. Так, когда система передачи энергии трехфазным током была, так сказать, в апогее своей славы и когда считали, что если с нею и будет в состоянии конкурировать в будущем какая-нибудь другая система электропередачи, то такой системой может быть лишь система передачи без проводов, по образцу беспроволочной телеграфии, Доливо-Добровольский, сам создатель трехфазной электропередачи, говорил, что есть предел ее применения. Именно, он полагал, что напряжение для трехфазных передач едва ли окажется рациональным повышать выше 500 000 в и что передачи, которые потребуют более высокого напряжения, будут уже осуществляться постоянным током. Как будет получаться постоянный ток очень высоких напряжений, Доливо-Добровольский, конечно, не знал, но он был уверен в могуществе техники и знал, что когда это потребуется, то способ получения постоянного тока высокого напряжения для электропередач будет найден, так же как им самим был изобретен трехфазный ток для электропередачи переменным током.
В настоящее время мы можем сказать, что в своих предвидениях относительно электропередач постоянным током Доливо-Добровольский оказался прав, так же как он оказался прав в 1891 г., когда утверждал, что изобретение им двигателей трехфазного тока с вращающимся магнитным полем приведет к широкому применению трехфазных токов и в заводской практике.
В декабре 1899 г. Доливо-Добровольский приехал в Россию для участия в Первом всероссийском электротехническом съезде. Приезд этот не только дал возможность Михаилу Осиповичу познакомить в своем сообщении на Съезде русских электротехников с успехами изобретенной им системы трехфазных токов почти за 10-летний период ее существования, но и самому познакомиться лично с многими русскими выдающимися деятелями техники. Среди них был проф. Николай Павлович Петров, бывший в то время председателем Организационного комитета Первого электротехнического съезда.
Николай Павлович Петров, крупнейший специалист по вопросам теории трения, был долгое время профессором Петербургского технологического института, одновременно с рядом других научных деятелей, работавших в Петербургском технологическом институте: В. Л. Кирпичевым, X. С. Головиным, Д. С. Зерновым и др. Все эти лица глубоко интересовались судьбами высшего технического образования в России. По их инициативе и под их руководством Техническим обществом собирались специальные съезды по высшему техническому образованию, организовывались специальные собрания Технического общества по вопросам высшего технического образования и т. п. Н. П. Петров был большим сторонником политехнических высших школ и в значительной мере, по его инициативе, начали создаваться в России политехнические институты, и притом не в ведомстве реакционного Министерства народного просвещения, но в ведомстве Министерства финансов, ведавшего тогда промышленностью и, следовательно, более знакомого с ее нуждами. Сначала политехнические институты были открыты в Киеве, Варшаве, а затем началась организация Политехнического института в Петербурге. В этом последнем было намечено образование специального электромеханического отделения (так назывались тогда в технических высших школах факультеты), в котором подготовлялись бы специалисты инженеры-электрики для промышленности. Соответственно этой цели на электромеханическом факультете объем преподавания по механическому циклу дисциплин должен был быть сильно развит. Примеров такой школы, как проектировавшееся электромеханическое отделение Политехнического института, в России не было. Единственная существовавшая тогда у нас специальная высшая электротехническая школа - Электротехнический институт в Петербурге - готовила в то время инженеров, главным образом, для правительственной службы и притом с сильным уклоном в сторону техники слабых токов - телеграфии и телефонии. Поэтому программы и учебные планы электромеханического отделения приходилось вырабатывать заново. Вот для этой цели инициаторы и решили воспользоваться знаниями и опытом М. О. Доливо-Добровольского, прошедшего высшую электротехническую школу в Германии и имевшего уже большой опыт работы по электротехнической промышленности в Швейцарии и Германии.
По рекомендации Н. П. Петрова, тогдашним министром финансов С. Ю. Витте Михаилу Осиповичу было предложено переехать в Россию и занять должность декана электромеханического факультета в Петербургском политехническом институте. Михаил Осипович изъявил свое принципиальное согласие, но, к сожалению, целый ряд обстоятельств помешал ему покинуть Германию, и в 1901 г. он сообщил Витте, что принять полученное предложение он не может. Деканом был приглашен проф. М. А. Шателен. Однако, и после отказа, вплоть до начала первой мировой войны, Михаил Осипович принимал деятельное участие и в разработке принципов учебного плана электромеханического отделения и в организации его лабораторий, путем устных и письменных консультаций с проф. М. А. Шателеном. В ряде встреч в Берлине М. А. Шателен обсуждал с Доливо-Добровольским основные вопросы плана, консультировался насчет характера электротехнических лабораторий, методов преподавания и т. п. Гораздо позже, именно в 1910 г., при организации в Политехническом институте лаборатории высоких напряжений, Михаил Осипович дал организатору лаборатории М. А. Шателену не один ценный совет и много содействовал получению для нее нужного оборудования.
Конечно, далеко не все, что проектировали Доливо-Добровольский с Шателеном, удалось осуществить. С одной стороны, финансовые возможности, а с другой, - противодействие лиц и учреждений, главным образом, Министерства народного просвещения, не дали возможности сделать многое из предположенного. Однако, большинство основных идей в той или иной форме было осуществлено, и новая электротехническая школа была создана на иных основаниях, чем раньше существовавшие в России высшие технические школы. Результаты оказались весьма хорошими, и другие школы стали использовать опыт Политехнического института.
С начала войны 1914–1918 гг. Доливо-Добровольский, как русский подданный, переехал в Швейцарию, где оставался до прекращения войны. Умер Михаил Осипович в 1919 г. в Гейдельберге, куда он переехал в последние годы своей жизни, еще в расцвете своих умственных сил.
Военные события целиком оторвали его в последние годы от России. В России ничего не знали о его болезни и даже известие о смерти Михаила Осиповича дошло до нас кружными путями, через Швейцарию, через которую мы получали тогда журналы. Умер он на чужой стороне, на территории врага, который стремился использовать для своих целей временную военную слабость его отечества, переживавшего бурную эпоху революции. И, быть может, воспоминания о той роли, которую он сыграл в организации электротехнического образования в России, смягчали в последние дни жизни Михаила Осиповича горечь вынужденной разлуки с родиной, разлуки как раз в тот период, когда в ней начали осуществляться мечты изгнанного студента Рижского политехникума, мечты о создании новой свободной России.
Примечания:
Речь идет о работе проф. Бэттхера об электрохимических свойствах никеля.
М. О. Доливо-Добровольский, очевидно, не был осведомлен, что еще раньше, чем Клименко, этот тип генератора был предложен П. Н. Яблочковым, который в 1877 г. получил на него французскую привилегию (Французская привилегия № 119702 от 31/VII 1877 г.).
Достижения России в области электротехники связаны с именем Михаила Осиповича Доливо-Добровольского — талантливого инженера и изобретателя, который считается одним из основоположников техники применения переменных токов.
Михаил Осипович появился на свет 2 января 1862 года и стал первенцем в многодетной дворянской семье Доливо-Добровольских, проживавшей в Гатчине, а потом переехавшей в Одессу в 1873 году. Именно там прошли детство и юность будущего изобретателя.
В 1878 году он окончил реальное училище и поступил в Рижский Политехнический институт. Проучившись несколько лет, Михаил оказался замешанным в деле об анти-правительственной агитации. Добровольского исключили из института и лишили права обучаться в любом высшем учебном заведении Российской империи. Доливо-Добровольскому пришлось уехать за границу, чтобы продолжить свое образование. Он поступил в Дармштадское высшее техническое училище, в котором ученые занимались вопросами практического применения электричества. Для развития этой области науки в 1882 году была учреждена кафедра электротехники, возглавленная профессором Э. Киттлером, и введен курс электротехники (впервые в истории высшего учебного заведения). Михаил Осипович с отличием окончил высшее техническое училище и остался в нем ассистентом в недавно открывшейся электротехнической лаборатории. Позднее молодой ученый преподавал студентам курс, который назывался «Электрохимия с особым вниманием к гальванопластике и металлургии».
В 1884—1885 годах появляются первые публикации в прессе Доливо-Добровольского в области электрохимии. В журнале «Электричество» Михаил Осипович раскрыл способ получения алюминия из его окиси при высокой температуре и поведал о другом открытии, связанном с топливными элементами. Достижения молодого ученого не остались без внимания. Он стал считаться одним из самых выдающихся инженеров своего времени и был приглашен в 1887 году в немецкую фирму AEG, а через несколько лет стал ее бессменным директором до конца своей жизни.
Погрузившись в исследование электротехники и задумываясь о перспективах широкого использования электроэнергии, Доливо-Добровольский за очень короткое время пришел к изобретению трехфазной электрической системы. Экспериментируя с различными схемами обмоток, Михаил Осипович сконструировал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока, благодаря чему получил токи с разностью фаз 120° и создал связанную систему, в которой использовалось только три провода для передачи и распределения электроэнергии.
Работая над практическим применением переменного тока, Доливо-Добровольский продолжил традиции своих знаменитых соотечественников. Впервые переменный ток для практических целей применил П. Н. Яблочков, а академик Б. С. Якоби разработал двигатель постоянного тока.
Конструкция созданного Михаилом Осиповичем асинхронного электродвигателя дошла до наших дней в практически неизменном виде. Прогрессивной особенностью изобретенного двигателя был ротор с обмоткой в виде беличьей клетки. Сам ротор представлял собой стальной цилиндр с медными стержнями, которые заложены в просверленные по периферии каналы и соединяются электрически друг с другом на лобовых частях ротора. На это изобретение Михаил Осипович получил патент в 1889 году. Весной того же года был построен первый трехфазный асинхронный двигатель. Он имел мощность 100 Вт и питался током от трехфазного одноякорного преобразователя.
Изобретенный Доливо-Добровольским двигатель прошел успешные испытания. Впоследствии был создан более мощный второй одноякорный преобразователь, после чего стали изготавливаться трехфазные асинхронные генераторы. В первых генераторах были использованы два основных способа соединения обмоток — в треугольник и в звезду. Дальнейшие испытания позволили электротехнику улучшить использование статора. Он применил способ, суть которого заключается в разрезной обмотке и соединении встречно противолежащих катушек. Этот метод широко используется и в настоящее время.
Дальнейшие достижения Доливо-Добровольского привели к появлению асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором современного вида: обмотку статора он сделал распределенной по всей его окружности, затем кольцевую обмотку статора заменил барабанной.
1889-м годом датируется и изобретение Доливо-Добровольским трехфазного трансформатора, который первоначально был с радиальным расположением сердечников. Впоследствии был сконструирован трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. Именно эту конструкцию, сохранившуюся до нашего времени, Михаил Осипович запатентовал в 1891 году. В этом же году на электрической выставке во Франкфурте произошло зна-менательное событие, которое считается ключевым в современной технике электропередачи, использующейся в настоящее время во всем мире.
На речке Неккар в городе Лауфен (175 км от Франкфурта) Доливо-Добровольский построил водяную турбину (мощность 300 лошадиных сил), которая приводила в движение генератор трехфазного тока. Генератор вырабатывал 200 кВт, ток поступал на трансформаторы, повышающие напряжение до 12 500 и 25 000 Вт, преодолевал по медным проводам (4 мм) расстояние в 175 км и достигал Франкфурта. Далее трансформаторы снижали напряжение до 100 Вт, которое и использовалось для питания двигателей и электрических ламп.
Успех лауфен-франкфуртской электропередачи, которая являлась первой в мире передачей переменным током, послужил началом господства переменного тока, начавшегося с 1891 года и продолжающегося до наших дней.
Трехфазная система Доливо-Добровольского в короткий срок получила очень широкое распространение. Заслуга русского инженера состоит не только в изобретении способа передачи переменного тока на большие расстояния, но в создании двигателей и других устройств, необходимых для работы трехфазного переменного тока, большинство из которых используются современными электроэнергетиками в неизменном виде.
У практического применения переменного трехфазного тока было немало противников. Даже человек с прогрессивными взглядами Т. Эдисон пытался в 80-х годах XIX века принять в Америке законы, которые должны были запретить использование переменного тока. Он сравнивал прокладку подземных кабелей переменного тока с закапыванием взрывчатых веществ. А Браун, являясь агентом Эдисона, демонстративно показывал уничтожение животных переменным током, разъезжая по городам США.
28 декабря 1899 года Доливо-Добровольский выступил на Первом Всероссийском электротехническом съезде. В докладе «Современное развитие техники трехфазного тока» он подвел некоторые итоги своей деятельности: разработка теории трансформатора, конструирование новых измерительных приборов, двигателей и других аппаратов, изучение влияния сильноточных сетей на провода связи, исследование и практическое применение электролиза.
После удачных испытаний переменный ток стал широко использоваться в различных отраслях производства, а созданные русским инженером электрические двигатели приводили в действие мостовые и подъемные краны, насосы вакуум-аппаратов, центрифуги и воздуходувки, станки в ткацкой, прядильной и металлообрабатывающей промышленностях, механизмы и машины в портах, рудниках и верфях, прокатные станы и многое др.
Несмотря на проживание за границей, Доливо-Добровольский сохранял российское гражданство. С началом Первой мировой войны в 1914 году он переехал в Швейцарию. Через 4 года знаменитый электротехник вернулся в Германию для работы в фирме AEG. Но хроническое заболевание сердца, которое было у Михаила Осиповича с детства, нарушило его планы.
В 1919 году в возрасте 57 лет Доливо-Добровольский умер. Незадолго до смерти Михаил Осипович написал работу «О пределах применимости трехфазного переменного тока для передачи электроэнергии на расстояние». Проведя исследования, он доказал, что при электропередачах большой мощности и на очень дальнее расстояние произойдет обратный переход от переменного тока к постоянному. Посвятив свою деятельность применению переменного тока, выдаю-щийся изобретатель тем не менее предвидел в будущем возвращение к постоянному току, чему мы и являемся свидетелями.
Открытия и изобретения России, Славянский Дом Книги
Русский инженер-электротехник, создатель техники трехфазного электрического тока.
М.О. Доливо-Добровольский родился 2 января 1862 г. (21 декабря 1861 г. по старому стилю) в Петербурге в многодетной дворянской семье. Михаил был старшим ребенком. В 1873 г. родители переехали в Одессу. Здесь в 1878 г. Михаил окончил реальное училище, а 1 сентября 1878 г. поступил в Рижский политехнический институт. 22 июня 1881 г. за участие в антиправительственной агитации он был исключен из института без права поступления в другие высшие учебные заведения Российской империи. Для продолжения своего образования Михаил Осипович избрал Дармштадское высшее техническое училище, где уделялось особое внимание практическому применению электричества. Здесь в 1882 г. была учреждена специальная кафедра электротехники, которую возглавил профессор Эразм Киттлер, а в январе 1883 г., впервые в практике высшего образования, был введен специальный курс электротехники. В том же году Э. Киттлер открыл электротехническую лабораторию, в которой после окончания Дармштадского технического училища должность ассистента занял М.О. Доливо-Добровольский. Молодому преподавателю было поручено вести курс "Электрохимия с особым вниманием к гальванопластике и металлургии". В 1884-1885 гг. Михаил Осипович выступил на страницах журнала "Электричество" со своими статьями, в которых описал два изобретения в области электрохимии. Одно из них было связано с топливными элементами, второе касалось способа получения алюминия из его окиси при высокой температуре.
В 1887 г. М.О. Доливо-Добровольский был приглашен в фирму AEG (Allgemeine Elektricitats-Geselschaft), где проработал всю жизнь, пройдя путь от электрика до директора фирмы.
Творческая и инженерная деятельность М.О. Доливо-Добровольского была направлена на решение задач, с которыми неизбежно пришлось бы столкнуться при широком использовании электроэнергии. Работа в этом направлении в необычайно короткий срок привела к разработке трехфазной электрической системы и совершенной, в принципе не изменившейся до настоящего времени конструкции асинхронного электродвигателя.
Главная особенность асинхронного двигателя Доливо-Добровольского – ротор с обмоткой в виде беличьей клетки. Он выполнил ротор в виде стального цилиндра, а в просверленные по периферии каналы заложил медные стержни. На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом. В 1889 г. М.О. Доливо-Добровольский получил патент на свое изобретение.
Следующим шагом М.О. Доливо-Добровольского явился переход к трехфазной системе. В результате исследования различных схем обмоток ученый сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока. Таким образом, были получены токи с разностью фаз 120 градусов. Таким путем была найдена связанная трехфазная система, отличительной особенностью которой являлось использование для передачи и распределения электроэнергии только трех проводов.
Весной 1889 г. М.О. Доливо-Добровольским был построен первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью около 100 Вт. Этот двигатель питался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты. Вслед за первым одноякорным преобразователем был создан второй, более мощный, а затем началось изготовление трехфазных синхронных генераторов. Уже в первых генераторах применялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и треугольник. В дальнейшем М.О. Доливо-Добровольскому удалось улучшить использование статора с помощью широко применяемого в настоящее время метода, заключающегося в том, что обмотку делают разрезной и противолежащие катушки соединяют встречно.
Важным достижением М.О. Доливо-Добровольского явилось также то, что он сделал обмотку статора распределенной по всей его окружности. Вскоре он внесен еще одно усовершенствование: кольцевую обмотку статора заменил барабанной. После этого асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором приобрел современный вид.
Трехфазная система не получила бы в первые же годы своего существования столь быстрого распространения, если бы не решила проблемы передачи энергии на большие расстояния. В 1889 г. М.О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников. Затем было предложено несколько конструкций так называемых "призматических" трансформаторов, в которых удалось получить более компактную форму магнитопровода. В октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. В принципе, эта конструкция сохранилась до настоящего времени.
В 1914 г., когда разразилась Первая мировая война, М.О. Доливо-Добровольский, сохранивший российское гражданство, переехал в Швейцарию. В 1918 г. он вновь приехал в Берлин, предполагая вернуться к работе в фирме AEG. Однако болезнь сердца, мучившая его с детства, обострилась.
Умер М.О. Доливо-Добровольский в 1919 г.
Литература:
Album Academicum Русского политехнического института. – Запись № 1442.
Главный студенческий реестр Рижского политехнического института. – Запись № 1442.
Веселовский О.Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. – М., Л.: ГЭИ, 1958.
Памяти Михаила Доливо-Добровольского, Spannung (AEG – Umschau). – Jahrgang 3. – 1929. – № 2. – S. 44.
