Роль российских ученых в развитии систем электроснабжения

Закон, связанный с взаимодействием токов, Эмилия Христиановича Ленца установлен в 1833 г., посвящён электромагнитной инерции. «При всяком изменении магнитного потока, сцепляющегося с каким-либо проводящим контуром, в последнем возникают силы электрического и механического характера, стремящиеся сохранить постоянство магнитного потока». Под силой электрического характера понимается, что при всяком изменении магнитного потока, сцеплённого с замкнутым проводящим контуром, в этом контуре возникает индуктированная ЭДС. Механическая сила, воздействующая на контур, будет препятствовать изменению размеров контура или повороту контура. Принцип лежит в основе конструкций электрических двигателей и генераторов.

Первые успешные опыты с двигателем были проведены Борисом Семёновичем Якоби 13 сентября 1838 г. на Неве: восьмивёсельная шлюпка, вмещавшая 12 пассажиров, двигалась посредством электромагнетизма в течение нескольких часов, как по течению, так и против течения. Опыты с электрическим ботом впервые доказали возможность электродвижения судов, а изобретение гальванопластики принесло Б.С. Якоби мировую славу.

Не меньшее значение, чем принцип Ленца, имела его работа «О законе выделения тепла гальваническим током»: нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки и квадрату служащего для нагревания тока. Эти же результаты позже были подтверждены в работах Джоуля.

Павел Николаевич Яблочков работал над занимавшей в то время многих электриков проблемой дробления электроэнергии для нескольких светильников от одного источника тока. В целях решения этой проблемы П.Н. Яблочков пошел по пути применения переменного тока, создав впервые трансформатор. На это изобретение им получена привилегия в 1876 г. Используя трансформаторы, разработал принцип распределения переменного тока, являющийся основой развития современных электрических сетей.

Свои работы над свечой П.Н. Яблочков начал в эпоху постоянного тока. Переменный ток тогда был мало изучен. Мысль о применении его для питания освещения была смелой. П.Н. Яблочкову пришлось много потрудиться над созданием генераторов для питания освещения переменного тока, а также решить проблему дробления их мощностей. В поисках решения проблемы дробления мощностей он пришел к изобретению, которое произвело в электротехнике целый переворот, получившее название трансформации переменного тока.

Описание индукционной катушки и способов её применения показывают, что П.Н. Яблочковым был изобретён и применён на практике аппарат, называемый «трансформатором переменного тока».Это воздушный трансформатор с очень низким КПД. В целях его усиления П.Н. Яблочков применил разомкнутый магнитный сердечник.

П.Н. Яблочкову принадлежит также применение конденсаторов в цепях переменного тока. Он понимал огромное значение переменного тока для промышленности. Изобретение трансформаторов однофазного переменного тока явилось фундаментом для создания трёхфазных генераторов, трансформаторов, электродвигателей, связанных трёхфазных систем, а также электропередачи на дальние расстояния электроэнергии.

Теоретические обоснования и основы расчёта электропередач постоянного тока в 1880 г. дал профессор Д.А. Лачинов. Применяя трансформаторы переменного тока, можно получать токи практически любого напряжения. Однако известные в то время двигатели переменного тока при включении в сеть не приходили сами в движение. Их надо было разворачивать до определённой скорости. Назрела задача использовать переменный ток и трансформаторы для питания электродвигателей. Её разрабатывал и осуществлял практически югославский электротехник Никола Тесла, работавший в американской фирме «Вестингауз», выпускавшей двухфазные трансформаторы. Несмотря на всемирный авторитет Н. Тесла и его поддержку такой мощной фирмой, двухфазный ток не получил широкого распространения по причине того, что М.О. Доливо-Добровольский предложил применять для электрической передачи энергии не двухфазный, а трёхфазный ток.

Согласно его изобретению под трёхфазным током он понимал систему из трёх переменных токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 120°. В ней 3 провода, вместо четырёх в двухфазной системе. В каждый момент времени сумма трех фазных токов равна нулю, как и сумма трёх электродвижущих сил (ЭДС) генератора трехфазного переменного тока.

Генераторы трёхфазного тока ничем не отличаются от генераторов однофазного переменного тока по конструкции, за исключением того, что в них обмотка, в которой индуцируется ЭДС, разбивается на три группы – три фазы.

Теоретически и опытным путём М.О. Доливо-Добровольский доказал, что при помощи трехфазного тока можно получить вращающееся магнитное поле. На основе этих изысканий построил очень простой и надёжный трёхфазный асинхронный двигатель (АД), который в отличие от синхронного двигателя (СД) не требует особого возбудителя. В СД магнитное поле создаётся магнитами, питаемыми постоянным током от возбудителя, АД приходят во вращение самостоятельно при включении напряжения.

Честь введения в электротехнику трёхфазных токов, изобретения трёхфазных двигателей с короткозамкнутым ротором и ротором с пусковым реостатом, трансформаторов трёхфазного тока принадлежит М.О. Доливо-Добровольскому. Он руководил организацией передачи электрической энергии при помощи трёхфазного переменного тока, демонстрировавшейся на Электротехнической выставке 1891 г. во Франкфурте-на-Майне.

Преимущества переменного тока, по мнению М.О. Доливо-Добровольского, это:

1) экономичная передача на большие расстояния,

2) превосходные качества АД.

Трёхфазный ток обязан своим правом на существование АД независимо от вопроса передачи на большие расстояния.

М.О. Доливо-Добровольский свои АД 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. Подобные якоря… представляют идеал простоты устройства и надёжности 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 трёхфазного 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 её приводят в сообщение с гладкими, изолированными от оси “контактными кольцами”. Через посредство щёток, трущихся на этих кольцах, можно посредством реостата постепенно замыкать якорную обмотку на себя всё с меньшим и с меньшим сопротивлением, пока не получится совершенно короткое замыкание. 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 с помощью сопротивлений в цепи якоря». Приведенные рассуждения М.О. Доливо-Добровольского свидетельствуют, насколько мало изменились двигатели, изобретённые им более 120 лет тому назад. Тогда же он привёл данные о коэффициенте полезного действия и коэффициенте мощности своих двигателей. При самом своём появлении АД обладали достаточно высокими качествами. Так блестяще М.О. Доливо-Добровольский решил основной вопрос – об электродвигателях, определивший судьбу трёхфазных токов.

Им же была великолепно решена проблема о трёхфазных трансформаторах, наиважнейшая для электропередачи и электроснабжения. В 1890 г. он предложил вместо трёх обычных однофазных трансформаторов, применить один, специально приспособленный для трёхфазных связанных цепей. Отличие его в том, что он имеет три магнитных сердечника, а не два. Сердечники соединяются на каждом конце ярмом, что образует три сцеплённых магнитных потока. Практика решила вопрос в пользу их применения во всех случаях, кроме случаев очень мощных трансформаторов. По целому ряду соображений тогда предпочитают применение группы из трёх однофазных трансформаторов.

М.О. Доливо-Добровольским были изобретены и разработаны все элементы для трёхфазной электропередачи и для распределения энергии между потребителями как осветительными, так и силовыми.

Лауфен-Франкфуртская электропередача длиной 170 км на напряжение 7,5 … 8,5 кВ с КПД 75 % блестяще проиллюстрировала мировое значение изобретений М.О. Доливо-Добровольского. Опыты при напряжениях выше 28 кВ способствовали изучению многих интересных явлений. Например, повышение напряжения в конце линии под влиянием её ёмкости.

Первая промышленная установка трёхфазного тока в России была построена в 1893 г. в Новороссийске для элеватора инженером А.Н. Шенсновичем. Несколько позже в Ессентуках на р. Подкумок была построена Горным ведомством ГЭС «Белый уголь» для передачи в Пятигорск и Кисловодск электрической энергии.

Таким образом, электроэнергетика переменного тока, как система электроснабжения, под которой следует понимать выработку, транспортировку, распределение и потребление электроэнергии, обязана россиянам [71].