Исследования изобретателей приводят к необходимости отказа от постоянных магнитов и применению независимого возбуждения электромагнитов от постороннего возбудителя – небольшого магнитоэлектрического генератора [например, генератора англичанина Г. Уайльда (1863)]. Использование таких генераторов привело конструкторов к созданию генераторов с самовозбуждением. Открытие принципа самовозбуждения было одним из важнейших на пути создания генератора постоянного тока современного типа.
На примере открытия принципа самовозбуждения еще раз демонстрируется важнейшая закономерность развития науки и техники: новейшие изобретения и открытия осуществляются и внедряются тогда, когда потребность в них вызвана развитием промышленности, торговли и транспорта (в том числе, морского), а возможность их реализации обусловлена достижениями науки и практики.
На возможность использования электромагнитов для возбуждения магнитного поля в электрических машинах впервые указывали независимо друг от друга в начале 50-х гг. XIX в. В. Зинстеден (Германия) и С. Хиорт (Дания). Но их идеи и конструкции были несколько неожиданны и необычны (а главное – не востребованы), что не привлекли особого внимания и были забыты.
Но в конце 60-х гг. уже был накоплен опыт использования электромагнитов с возбудителем, и, как это часто бывало, почти одновременно известные ученые и изобретатели предложили использовать принцип самовозбуждения, и даже разгорелся спор о приоритете.
Наибольшую известность приобрел доклад крупного немецкого ученого, изобретателя и промышленника В. Сименса (1816-1892), представленный им в январе 1867 г. в Берлинскую академию наук. Он утверждал, что даже «небольшого количества магнетизма, который остается… в неподвижном электромагните, достаточно, …чтобы при возобновлении вращения снова получить в цепи ток».
И почти одновременно с ним в феврале 1867 г. известный английский физик У. Уитстон выступил с докладом в Лондонском королевском обществе с описанием принципа самовозбуждения и анализом схем соединений самовозбуждающихся генераторов. Но вскоре обнаружилось, что в декабре 1866 г. был выдан патент английским инженерам братьям К. и С. Вар- лей, а до них в июле 1866 г. англичанин В. Мюррей установил в машине возбудитель, осуществив самовозбуждение генератора. Но еще раньше, в 1861г., талантливый венгерский физик А. Иедлик впервые построил самовозбуждающийся генератор.
Рис. 5.13. Самовозбуждающийся генератор Грамма:
а – общий вид; б – принципиальная схема; в – конструкция кольцевого якоря
Однако «широкую дорогу» новым машинам открыл В. Сименс, возглавлявший известный электротехнический концерн, назвав сомовозбуждавшийся генератор «динамомашиной». В отличие от других изобретателей Сименс обладал достаточными средствами и условиями для производства динамомашин.
Недостатком новых машин оставался так называемый двух- Т-образный якорь, предложенный Сименсом еще в 1856 г.: но он быстро нагревался, вызывая сильное искрение на коллекторе, резкую пульсацию тока и большие магнитные потери. Как уже отмечалось ранее, еще в двигателе Пачинотти был впервые применен кольцевой якорь. Поэтому революционным событием в истории электрических машин явилось объединение принципа самовозбуждения с кольцевым якорем.
Первый патент на самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем был получен в 1870 г. бывшим столяром фирмы «Альянс» З.Т. Граммом (1826-1901), ставшим видным французским специалистом в области электромашиностроения. На станине 1 (рис. 5.13) укреплялись электромагниты 2 с полюсными наконечниками J, между которыми вращался якорь 4. Щетки, укрепленные в специальных держателях, соприкасались с коллектором 5 почти современного типа. Позднее после разработки методов расчета магнитных цепей конфигурация магнитопровода была усовершенствована.
Рис. 5.14. Электрический генератор с барабанным якорем
Машина Грамма являлась машиной постоянного тока современного типа и получила широкое промышленное применение. Открытый Э.Х. Ленцем еще в 1838 г. принцип обратимости электрических машин с успехом стал использоваться в машине Грамма, и она могла работать как в режиме генератора, так и двигателя. С начала 70-х гг. XIX в. пути развития генераторов и двигателей объединились. Вскоре, в 1873 г., немецкий электротехник Ф. Гефнер-Альтенек предложил заменить кольцевой якорь более современным – барабанным (рис. 5.14). В последующие десятилетия благодаря успехам в изучении магнитных свойств стали, конструирования обмоток и др. электрическая машина постоянного тока к концу 80-х гг. получила современные конструктивные черты.
Изобретение самовозбуждающихся генераторов и двигателей постоянного тока положило начало массовому применению электрической энергии, и в 80 – 90 гг. XIX в. зарождаются основные электротехнические устройства промышленного и бытового назначения.
Первым массовым потребителем электроэнергии явилась система электрического освещения. В эти же годы зарождается электропривод различных исполнительных механизмов – вентиляторов, насосов, подъемников. Начинается применение электроэнергии на транспорте: в 1879 г. В. Сименсом была построена первая небольшая электрическая дорога на промышленной выставке, а в 1880 г. инженер Ф.А. Пироцкий осуществил опытный пуск электрического трамвая в Петербурге. Тяговые электродвигатели постоянного тока имели хорошие характеристики с удобным плавным регулированием скорости. В 1883-1884 гг. начали действовать трамвайные линии в Англии и Германии, первый трамвай в России был пущен в Киеве в 1892 г.
Для снабжения электроэнергией при крупных предприятиях начали строить «домовые» блок-станции. Но вскоре в связи с увеличением мощности потребителей стало необходимым вырабатывать электроэнергию на центральных электростанциях. Первая крупная электростанция была сдана в эксплуатацию в 1882 г. Эдисоном в Нью-Йорке мощностью около 500 кВт. Она обслуживала главным образом устройства электрического освещения при напряжении 110 В. Но в связи с большими потерями напряжения в сетях станция располагалась в центре города. Точно также первая центральная электростанция в Москве была построена в 1886 г. в Георгиевском переулке близ Охотного ряда. Однако вскоре возможности увеличения радиуса электроснабжения на постоянном токе были исчерпаны (напомним, что потери в сетях обратно пропорциональны напряжению, а постоянный ток было невозможно трансформировать). И уже в конце 80-х – начале 90-х гг. начинается строительство электростанции однофазного переменного тока. Но при этом возникли новые проблемы: однофазные системы, пригодные для питания осветительных установок, усложняли и тормозили развитие электропривода. Однофазные электродвигатели не имели начального пускового момента и требовали для пуска специального «разгонного» двигателя.
Стало очевидным, что электрификация промышленности возможна при условии строительства крупных электростанций в местах, богатых первичными энергоресурсами, с последующей передачей электроэнергии на дальние расстояния и снабжения различных объектов электропотребления.
В 80-х – 90-х гг. XIX в. со всей остротой возникла потребность в решении важнейшей комплексной научно-технической проблемы: осуществления экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создание надежного в эксплуатации электродвигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Ученые и инженеры в разных странах пришли к выводу, что эта проблема может быть успешно решена на основе многофазных систем, из которых наиболее рациональной оказалась трехфазная система.
