Развитие генераторов и двигателей переменного тока

Сегодня представляется странным, что принцип устройства генератора переменного тока люди знали уже с 1832 года, а практический интерес к нему стали проявлять только спустя 40-50 лет. Создатель первого генератора переменного тока остался неизвестным и скрывается за инициалами Р.М. Это была многополюсная синхронная машина с постоянными магнитами. Она вырабатывала однофазный ток.

Однако переменный ток долго считался не имеющим практического значения. По аналогии с током гальванических элементов изобретатели настойчиво искали решение проблемы создания электромашинного генератора постоянного тока. Поэтому генераторы переменного тока долго не привлекали внимания.

В 1863 году англичанин Г. Уайльд построил генератор с электромагнитным возбуждением, в котором ток с обмоток якоря снимался не через полукольца, а через кольца. Этот ток был переменным. Но и этот генератор не скоро получил достойное применение.

Серьезным толчком в применении генераторов переменного тока было стремление использовать для освещения открытую В.В.Петровым электрическую дугу. Дуга потребляла большой ток и питание её от гальванического источника тока считалось совершенно нерациональным. Появление электромеханических генераторов будто- бы решало эту проблему, но возникла новая6 при горении дуги промежуток между электродами увеличивался и дуга гасла. Поддержка устойчивого горения дуги вручную оказалась настолько обременительной, что проблема зашла в тупик. Создавались десятки конструкций регуляторов дугового промежутка, но их большая сложность и низкая надежность стояли серьезной преградой на пути использования электрического освещения. Наиболее прогрессивным считался регулятор француза Фуко, в котором использовался принцип часового механизма.

Истиной революции электрического освещения способствовало изобретение Павлом Николаевичем Яблочковым Устройства, не требующего специального регулятора дугового промежутка. По своей сути эти приборы П.Н. Яблочкова представляли собой два электрода в виде угольных стержней, которые были разделены керамической изоляцией. Сверху между электродами зажигалась электрическая дуга. Эти приборы требовали значительного потребления энергии. И уже в 1878 году Яблочков совместно со специалистами завода Грамма разработали несколько типоразмеров однофазных генераторов переменного тока для питания 4-х, 6, 16 и 20-ти свечей. В этих генераторах вместе с валом вращались полюса в виде электромагнитов, питаемых постоянным током. Якорная обмотка размещалась на неподвижном статоре, что снимало потребность в сильноточных токосъемных устройствах. Основная идея синхронного генератора переменного тока сохранилась и всовременных конструкциях.

Лампы Лодыгина

Электрические осветительные приборы в этот период представляли собой один из наиболее емких потребителей энергии в городах. Однако, дуговые осветительные приборы представляли собой мощные источники света. Получение сравнительно слабых источников света на этом принципе оказалось невозможным. Задача решалась изобретением в период 1870 – 1875г.г. русским электротехником А.Н. Лодыгиным нескольких типов ламп накаливания. В первых конструкциях в качестве детали накала в них использовался стержень из ретортного угля. С целью увеличения времени горения Лодыгин предложил устанавливать в одной колбе несколько угольных стержней, причем, каждый последующий стержень загорался только после полного выгорания предыдущего. В 1879 году им же была предложена лампа с вакуумным баллоном и винтовым цоколем. В 1893 – 1894 г.г. Лодыгин запатентовал лампу накаливания с нитями из тугоплавких металлов, в том числе и с вольфрамовой нитью. Последнее решение прочно закрепилось в электроламповом производстве на долгие годы. Лампа накаливания Лодыгина непрерывно совершенствовалась Т. Эдисоном, Сваном, специалистами фирмы Сименс и Гальске. Все это привело к тому, что осветительная нагрузка стала представлять собой в городах основную нагрузку электрических генераторов.

ЭДИСОН

В первых таких генераторах серьезные трудности возникли из-за перегрева сердечников, которые выполнялись из монолитного железа. Теперь мы уже хорошо знаем, что одной из причин нагрева являются вихревые токи, возникающие в монолитном магнитопроводе при его перемагничивании. Но ведь мы это знаем из учебников, которых у специалистов того времени не было. Поэтому решение авторов указанных генераторов было поистине гениальной находкой. Они в 80-х годах научились собирать (шихтовать) магнитопровод из изолированных железных листов. Наиболее крупной машиной 80-х годов был генератор английского инженера Дж. Гордона, который был установлен на одной из первых электростанций в г. Паддингтоне (Англия) и обеспечивал питание различных потребителей. Параметры этого генератора были уже довольно солидными: мощность машины – 118 квт; напряжение – 105 в; вес – 25 тонн; частота тока – 40 гц; частота вращения ротора – 146 об/мин.

Если первые генераторы устанавливали в непосредственной близости от потребителя, то впоследствии возникла необходимость в подключении к одному генератору нескольких потребителей. Причем, они зачастую располагались не компактно. Возникала необходимость в передаче электрической энергии не некоторые расстояния. Эта проблема, а также - появление двигателей переменного тока, наложили серьезный отпечаток на дальнейшее развитие генераторов переменного тока. В частности, это послужило мощным толчком к созданию многофазных систем электроснабжения, а следовательно – и к созданию соответствующих многофазных генераторов. Но об этом - позже.

С электродвигателями переменного тока вопрос решался оригинально. Первый такой двигатель был синхронным. Он был создан в 1841 году Ч. Уитстоном. Двигатель был основан на взаимодействии постоянных магнитов и электромагнитов, питаемых переменным током. Такой двигатель не мог запускаться самостоятельно. Его нужно было раскручивать до подсинхронной скорости посторонними усилиями. Из-за сложности запуска распространения он не получил.

Практическое применение начали получать с 1885 года коллекторные двигатели переменного тока. При одновременном изменении направления тока в якоре и катушках возбуждения коллекторной машины направление вращающего момента в ней сохранялось. Однако такие машины имели большие потери от вихревых токов, сильно грелись. В них практически не удавалось наладить безыскровую коммутацию на коллекторе. Поэтому использование их было весьма ограниченным.

Повышенный интерес к источникам переменного тока возник только в связи с необходимостью передачи электрической энергии на расстояние и изобретением трансформатора.