Генераторы переменного тока

В 1820 году было открыто взаимодействие между электрическим током, протекающим в проводнике, и магнитной стрелкой. Это явление было правильно объяснено и обобщено французским физиком Ампером, который установил, что магнитные свойства любого тела являются следствием того, что внутри него протекают замкнутые электрические токи. Таким образом, любые магнитные взаимодействия можно рассматривать как следствия электрических. Однако, если электрический ток вызывает магнитные явления, естественно было предположить, что и магнитные явления могут вызвать появление электрического тока. Долгое время физики в разных странах пытались обнаружить эту зависимость, но терпели неудачу. В самом деле, если, рядом с проводником или катушкой лежит постоянный магнит, никакого тока в проводнике не возникает. Но если начать перемещать этот магнит: приближать или удалять его от катушки, вводить и вынимать магнит из нее, то электрический ток в проводнике появляется, и его можно наблюдать в течение всего того периода, во время которого магнит движется. То есть электрический ток может возникать только в переменном магнитном поле.

Впервые эту важную закономерность установил в 1831 году английский физик Майкл Фарадей.

 

Майкл Фарадей родился в Лондоне в семье кузнеца. Мальчик смог получить лишь начальное образование. С двенадцати лет он работал, сначала разносчиком газет, затем подмастерьем в переплетной мастерской. Однако недостаток знаний Фарадей компенсирует самообразованием. Благодаря счастливой случайности юноша попадает в поле зрения известного химика Г. Дэви, который делает Фарадея своим ассистентом в Королевском институте (1813 г.).Главное научное достижение Фарадея в химии – методика сжижения газов. Опыты, проведенные Фарадеем в 1823 г., положили начало новому научному направлению – физике низких температур. Очень быстро Фарадей обогнал в искусстве эксперимента своего научного руководителя Дэви, что позднее было причиной многих трений между ними.

В 1821 г. Фарадей начал заниматься электрическими и магнитными явлениями. Он считал очевидным, что если ток в проводе создает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку, если проводник с током движется в магнитном поле, то должно быть верно и обратное – магнитное поле должно создавать ток в проводнике. В течение многих лет Фарадею не удавалось доказать это экспериментально, так как он не понимал, что для возникновения тока важно относительное движение магнита и провода. Однажды почти случайно он заметил, что в момент вхождения магнита в катушку стрелка гальванометра отклоняется. Так был открыт закон электромагнитной индукции. На окончательную его формулировку (1831 г.) потребовалось десять лет напряженных исследований.

Все свои работы по электромагнетизму Фарадей в течение двадцати пяти лет представлял в виде докладов-серий в Лондонское королевское общество. Одно только перечисление полученных им результатов вызывает изумление его гением: открытие явления электромагнитной индукции (1831 г.); открытие законов электролиза (1834 г.); обнаружение поляризации диэлектриков и понятие о диэлектрической проницаемости (1837 г.); экспериментальное доказательство закона сохранения электрического заряда (1843 г.); открытие диамагнетизма и обнаружение явления вращения плоскости поляризации света в веществе, помещенном в магнитное поле (1845 г.); идея об электромагнитной природе света (1845 г.); открытие парамагнетизма (1847 г.).

 

Величайшей заслугой Фарадея стало то, что он высказал идею об электрическом и магнитном поле. Он не мог математически развить эти идеи, и в его монументальной работе "Экспериментальные исследования электричества" нет ни одного уравнения! Однако именно идеи Фарадея легли в основу уравнений Максвелла. Позднее Эйнштейн говорил, что в развитии электромагнетизма Фарадей по отношению к Максвеллу – то же самое, что в развитии механики Галилей по отношению к Ньютону.

Несмотря на успехи в науке, признание всего мира, Фарадей всю жизнь оставался скромным, очаровательным, простым человеком. Он многократно отказывался от наград и возможного благосостояния, полностью отдаваясь науке и разделяя идеалы закрытой сандеманской религиозной секты, которой он всю жизнь был предан. Он отклонил предложение стать президентом Лондонского королевского общества, а также предложение быть возведенным в дворянство. В завещании Фарадей просил, чтобы его прах покоился под самым простым могильным камнем.

Проведя серию опытов, Фарадей открыл, что электрический ток возникает (индуцируется) во всех тех случаях, когда происходит движение проводников относительно друг друга или относительно магнитов. Если вводить магнит в катушку, или перемещать катушку относительно неподвижного магнита в ней индуцируется ток. Если подвигать одну катушку к другой, через которую проходит электрический ток, в ней также появляется ток. Того же эффекта можно добиться при замыкании и размыкании цепи, поскольку в момент включения и выключения ток нарастает и убывает в катушке постепенно и создает вокруг нее переменное магнитное поле. По­этому если поблизости от такой катушки находится другая, не включенная в цепь, в ней возникает электрический ток. Открытие Фарадея имело огромные последствия для техники и всей че­ловеческой истории, так как теперь стало ясно, каким образом механическую энергию превращать в электрическую, а электрическую обратно в механи­ческую. Первое из этих преобразований легло в основу работы электрогене­ратора, а второе электродвигателя. Впрочем, сам факт открытия еще не означал, что все технические задачи на этом пути разрешены: около сорока лет ушло на создание работоспособного генератора и еще двадцать лет на изобретение удовлетворительной модели промышленного электродвигателя. Но главное: принцип действия двух этих важнейших элементов современной цивилизации сделался очевиден именно благодаря открытию явления элек­тромагнитной индукции.

Первый примитивный электрогенера­тор создал сам Фарадей. Для этого он по­местил медный диск между полюсами N и S постоянного магнита. При вращении диска в магнитном поле в нем наводились электрические токи. Если на периферии диска и в его центральной части помещали токоприемники в виде скользящих контактов, то между ними появлялась разность потенциалов, как на гальванической батарее. Замыкая цепь, можно было наблюдать на гальванометре непрерывное прохождение тока. Установка Фарадея годилась только для демонстраций, но вслед за ней появились первые магнитоэлектрические машины (так стали называть электрогенераторы, в которых использовались постоянные магниты), рассчитанные на создание работающих токов. Самой ранней из них была магнитоэлектрическая машина Пиксии, сконструированная в 1832 году. Принцип ее действия был очень прост: мимо неподвижных, снабженных сердечниками катушек двигались посредством кривошипа и зубчатой передачи лежащие против них полюсы подковообразного магнита, вслед­ствие чего в катушках индуцировались токи. Недостатком машины Пиксии было то, что в ней приходилось вращать тяжелые постоянные магниты. В последующем изобретатели обычно заставляли вращаться катушки, оставляя магниты неподвижными. Правда, при этом приходилось решать другую зада­чу: каким образом отвести во внешнюю цепь ток с вращающихся катушек? Это затруднение, однако, было легко преодолимо. Прежде всего, катушки соединяли между собой последовательно одними концами их проводки. То­гда другие концы могли служить полюсами генератора. Их соединяли с внешней цепью при помощи скользящих контактов. Он устроен следую­щим образом: на оси маши­ны крепились два изолиро­ванных металлических кольца, каждое из которых было соединено с одним из полюсов генера­тора. По окружности этих колец вращались две пло­ские металлические пружины, на которые была заключена внешняя цепь. При таком приспособлении уже не было никаких за­труднений от вращения оси машины ток переходил из оси в пружину в месте их соприкосновения. Еще одно неудобство заключалось в самом харак­тере тока электрогенерато­ра. Направление тока в ка­тушках зависит от того, приближаются они к полю­су магнита или удаляются от него. Из этого следует, что ток, возникающий во вращающемся проводнике, будет не постоянным, а переменным. По мере при­ближения катушки к одно­му из полюсов магнита си­ла тока будет нарастать от нуля до какого-то максимального значения, а затем по   мере   удаления   вновь уменьшаться до ну­ля. При дальнейшем движении ток изменит свое направление на противопо­ложное и опять будет нарастать до какого-то максимального значения, а по­том убывать до нуля. Во время следующих оборотов этот процесс будет повторяться. Итак, в отличие от электрической батареи, электрогенератор соз­дает переменный ток, и с этим приходится считаться. Как известно, большинство современных электрических при­боров созданы таким образом, чтобы питаться от сети перемен­ного тока. Но в XIX веке перемен­ный ток был не удобен по многим причинам, прежде всего психоло­гическим, поскольку в прежние годы привыкли иметь дело с по­стоянным током: Впрочем,  пере­менный ток можно было легко преобразовать в прерывистый, имеющий одно направление. Для этого достаточно было с помощью специального устройства коммутатора изменить контакты таким образом, чтобы скользящая пружина переходила с одного кольца на другой в тот момент, когда ток меняет свое направление. В этом случае один контакт постоянно получал ток одного на­правления, а другой противоположного. Не трудно было установить пружину таким образом, чтобы она переходила с одного кольца на другое в тот мо­мент, когда в обмотке катушки менялось направление тока, и тогда каждая пружина все время давала ток одного и того же направления. Другими сло­вами, они представляли из себя постоянные полюса; одна положительный, другая отрицательный, в то время как полюса катушек давали переменный ток. Электрогенератор прерывистого постоянного тока вполне мог заменить неудобную во многих отношениях гальваническую батарею, и потому вызвал большой интерес у тогдашних физиков и предпринимателей. В 1856 году французская фирма «Альянс» даже наладила серийный выпуск больших ди­намо-машин, приводившихся в действие от парового двигателя. В этих гене­раторах чугунная станина несла на себе неподвижно укрепленные в несколь­ко рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные равномерно по окружности и радиально по отноше­нию к валу. В промежутках между ряда­ми магнитов на валу были установлены несущие колеса с большим числом ка­тушек. Также на валу был укреплен кол­лектор с 16-ю металлическими пласти­нами, изолированными друг от друга и от вала машины. Ток, наводимый в ка­тушках при вращении вала, снимался с коллектора при помощи роликов. Одна такая машина требовала для своего при­вода паровой двигатель мощностью 6— 10 л. с. Большим недостатком генерато­ров «Альянс» было то, что в них использовались постоянные магниты. Так как магнитное действие стальных магнитов сравнительно невелико, то для получе­ния сильных токов нужно было брать большие магниты и в большом числе. Под действием вибрации сила этих маг­нитов быстро ослабевала. Вследствие всех этих причин КПД машины всегда оставался очень низким. Но даже с таки­ми недостатками генераторы «Альянса» получили значительное распространение и господствовали на рынке в течение десяти лет, пока их не вытеснили более совершенные машины.

Прежде всего немецкий изобрета­тель Сименс усовершенствовал движущиеся катушки и их железные сердечники. (Эти катушки с железом внутри получили название «якоря» или «арматуры».) Якорь Сименса в форме «двой­ного Т» состоял из железного цилиндра, в котором были прорезаны с противоположных сторон два продольных желоба. В желобах помещалась изоли­рованная проволока, которая накладывалась по направлению оси цилиндра. Такой якорь вращался между полюсами магнита, которые тесно его обхваты­вали. По сравнению с прежними новый якорь представлял большие удобства. Прежде всего, очевидно, что катушка в виде цилиндра, вращающегося вокруг своей оси, в механическом отношении выгоднее катушки, насаженной на вал и вращавшейся вместе с ним. По отношению к магнитным действиям якорь Сименса имел ту выгоду, что давал возможность очень просто увеличить число действующих магнитов, для этого достаточно было удлинить якорь и прибавить несколько новых магнитов. Машина с таким якорем давала гораздо более равномерный ток, так как цилиндр был плотно окружен полюсами магнитов. Но эти достоинства не компенсировали главного недостатка всех магни­тоэлектрических машин — магнитное поле по-прежнему создавалось в гене­раторе с помощью постоянных магнитов. "Перед многими изобретателями в середине XIX века вставал вопрос: нельзя ли заменить неудобные металличе­ские магниты электрическими? Проблема заключалась в том, что электро­магниты сами потребляли электрическую энергию и для их возбуждения тре­бовалась отдельная батарея или, по крайней мере, отдельная магнитоэлек­трическая машина. Первое время казалось, что без них невозможно обойтись. В 1866 году Вильде создал удачную модель генератора, в котором металли­ческие магниты были заменены электромагнитами, а их возбуждение вызы­вала магнитоэлектрическая машина с постоянными магнитами, соединенная с тем же паровым двигателем, который приводил в движение большую ма­шину. Отсюда оставался только один шаг к динамо-машине, ко­торая возбуждает электромагниты своим собственным током.

В том же 1866 году Вернер Сименс открыл принцип самовозбуждения. В январе 1867 году он выступил в Берлинской Академии с докладом «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». В общих чертах его открытие заключалось в следующем. Сименс установил, что в каждом электромагните, после того как намагничивающий ток переставал действовать, всегда оставались небольшие следы магнетизма, которые были способны вызвать слабые индукционные токи в катушке, снабженной сердечником из мягкого магнитного железа и вращавшейся ме­жду полюсами магнита. Используя эти слабые токи, можно было привести генератор в действие без помощи внешних воздействий.

Первая динамо-машина, работавшая по принципу са­мовозбуждения, была созда­на в 1867 году англичанином Леддом, но в ней еще преду­сматривалась отдельная ка­тушка для возбуждения элек­тромагнитов. Машина Ледда состояла из двух плоских электромаг­нитов, между концами кото­рых вращались два якоря Сименса. Один из якорей давал ток для питания элек­тромагнитов, а другой — для внешней цепи. Слабый остаточный магнетизм сердечников электромагнитов сначала возбуждал очень слабый ток в арматуре первого якоря; этот ток обегал электромагниты и усиливал уже имеющееся в них магнитное состояние. Вследствие этого усиливался в свою очередь ток в арматуре, а последний ещё более увеличивал силу электромагнитов. Мало помалу такое взаимное усиление шло до тех пор, пока электромагни­ты не приобретали полной сво­ей силы. Тогда можно было привести в движение вторую арматуру и получить от нее ток для внешней цепи.

Следующий шаг в совер­шенствовании динамо-машины был сделан в том направлении, что совершенно устранили од­ну из арматур и воспользова­лись  другой  не  только  для возбуждения электромагни­тов, но и для получения тока во внешней цепи. Для этого нужно было только провести ток из  арматуры  в обмотку электромагнита, рассчитав все так,   чтобы   последний   мог достичь полной своей силы и направить тот же ток во внешнюю цепь. Но при таком упрощении конструкции якорь Сименса оказывался непригодным, так как при бы­строй перемене полярностей, в якоре возбуждались сильные паразитические токи, железо сердечников быстро разогре­валось, и это могло при боль­ших токах привести к порче всей машины. Необходима была другая форма якоря, бо­лее соответствовавшая новому режиму работы.

Удачное решение про­блемы было вскоре найдено бельгийским изобретателем Зиновием Теофилем Граммом. Он жил во Франции и служил в кампании «Альянс» столярным мастером. Здесь он познакомился с электричеством. Размышляя над усовершенствова­нием электрогенератора, Грамм в конце концов пришел к мысли заменить якорь Сименса другим, имеющим кольцевую форму. Важное отличие коль­цевого якоря в том, что он не перемагничивается и имеет постоянные полюса. Грамм пришел к своему открытию самостоятельно, но надо сказать, что еще в 1860 г. итальянский изобретатель Пачинотти во Флоренции построил электрический двигатель с кольцеобраз­ным якорем; впрочем, это открытие вскоре было забыто. Исходная точка поисков Грамма заключалась в том, чтобы заста­вить вращаться внутри проволочной катушки железное кольцо, на котором наведены магнитные полюсы и таким образом получить равномерный ток постоянного направления.

Генератор Грамма, имеет следующее приспособление. В магнитном поле, образуемом полюсами N магнита, вращаются восемь замкнутых металлических колец, которые прикреплены на равном расстоянии друг от друга к оси при помощи спиц.

Кольцо Грамма состоит из витков вращающейся ка­тушки, плотно намотанной на железное кольцо, в котором ток будет индуцироваться электрический ток. Но обе половинки кольца соединены противоположно друг к другу. Зна­чит, токи с обеих сторон направляются к верхней половине кольца, и там, следовательно, получается положительный полюс. Подобным же образом в нижней точке, откуда берут свое направление токи, будет находиться отри­цательный полюс. Можно, следовательно, сравнить кольцо с батареей, со­ставленной из двух частей, которые соединены между собой противополож­но. Если теперь соеди­нить противоположные концы кольца, то полу­чится замкнутая цепь по­стоянного тока. Но в действительности генератор Грамма имел более сложное устройство, поскольку здесь было налицо несколько техниче­ских затруднений: с одной стороны, для того чтобы снимать ток с кольца, витки обмотки должны быть обнажены, с другой — для получения сильных токов обмотка должна быть намотана плотно и в несколько слоев. Затруднение заключалось в том что было сложно изолировать нижние слои от верхних. На практике кольцо Грамма дополняло особое, довольно сложное устройство, называемое коллектором, которое и служило для отвода токов из обмотки. Коллектор состоял из ме­таллических пластин, прикрепленных к оси кольца и имевших форму секто­ров цилиндра. Каждая пластина тщательно изолировалась от соседних секто­ров и от оси кольца. Концы каждого сектора обмотки были соединены с одной из металлических пластин, а скользящие пру­жины помещались так, что постоянно находились в со­единении с самым верхним и самым нижним секторами обмотки. Из обеих половин обмотки получался постоян­ный ток, направленный к той пружине, которая была со­единена с верхним сектором. Ток обходил верхнюю цепь и возвращался в кольцо через нижнюю пружину. Таким образом, полюса с поверхности самого кольца переместились на его ось, откуда ток было снимать намного проще, в таком виде воплотилась первоначальная модель электрогенератора. Однако она оказалась неработоспособной. Как писал Грамм в воспоминаниях о своем изобретении, тут явилась новая сложность: кольцо, на которое был намотан проводник, сильно разогревалось вследствие того, что здесь тоже при быстром вращении генератора индуцировались токи. В результате пере­грева изоляция то и дело выходила из строя. Ломая голову над тем, как избе­жать этой неприятности, Грамм понял, что железный сердечник якоря нельзя делать сплошным, так как в этом случае вредные токи оказываются слишком большими. Но разбив сердечник на части так, чтобы образовались разрывы на пути возникающих токов, можно было сильно уменьшить их вредное дей­ствие. Этого можно было добиться, изготовив сердечник не из цельного кус­ка, а из проволоки, налагая ее в виде кольца и тщательно изолируя один слой от другого. На это проволочное кольцо затем навивалась обмотка. Каждый сектор якоря представлял собой катушку из многих слоев. Отдельные катушки соединялись так, что проволока непрерывке обегала железное кольцо и притом в одном и том же направлении. От мест соединения каждой пары катушек шел проводник к соответствующей пла­стине коллектора. Чем больше было число оборотов катушки, тем большей силы ток можно было снять с кольца. Изготовленный таким образом якорь устанавливался на ось генератора, Для этого железное кольцо с внутренней стороны снабжалось железными спицами, которые скрепля­лись с коллектором — мас­сивным кольцом, насажен­ным на ось машины. Кол­лектор, как уже говорилось, состоял из отдельных метал­лических пластин одинако­вой ширины. Отдельные слои коллектора были изо­лированы друг от друга и от оси генератора.

Для снятия тока служи­ли коллекторные щетки, представлявшие собой упру­гие латунные пластины, плотно прилегавшие к кол­лектору в надлежащих мес­тах, Они соединялись с за­жимами машины, откуда постоянный ток поступал во внешнюю цепь. Провод, идущий к одному из зажимов, кроме того, образовы­вал обмотку электромагнитов. Простейшее соединение генератора с обмот­ками электромагнита можно было получить, соединив один конец обмотки электромагнита с одной из щеток коллектора, например отрицательной. Дру­гой конец обмотки электромагнита подключался к положительной щетке. При таком соединении весь ток генератора проходил через электромагниты.

В целом первая динамо-машина Грамма представля­ла собой две железные вер­тикальные стойки, соеди­ненные сверху и снизу стержнями двух электро­магнитов. Полюсы этих электромагнитов находи­лись в их середине, так что каждый из них был как бы составлен из двух, одинако­вые полюса которых были обращены друг к другу. Можно рассматривать это устройство иначе и считать, что две половины, приле­гающие к каждой стойке и соединенные ею, образовывали два отдельных электромагнита, которые со­единялись одноименными полюсами сверху и снизу. В тех местах, где обра­зовывался полюс, к электромагнитам были присоединены особой формы же­лезные насадки, которые входили в пространство между электромагнитами и обхватывали кольцеобразный якорь машины. Две стойки, связывающие оба электромагнита и составлявшие основу всей машины, служили также для того, чтобы держать ось якоря и шкивы машины. В 1870 году, получив патент на свое изобретение, Грамм образовал «Общество производства магнитоэлектрических машин». Вскоре было нала­жено серийное производство его генераторов, которые произвели подлинную революцию в электроэнергетике. Обладая всеми достоинствами самовозбуж­дающихся машин, они вместе с тем были экономичны, имели высокий КПД и обеспечивали практически неизменный по величине ток. Поэтому машины Грамма быстро вытеснили другие электрогенераторы и получили широкое распространение в самых разных отраслях. Тогда только появилась возмож­ность легко и быстро преобразовывать механическую энергию в электриче­ство. Однако Грамм создавал свой генератор, как динамо-машину постоянного тока. Но когда в конце 70-х — начале 80-х годов XIX века резко возрос интерес к переменному току, ему не стоило большого труда переделать его для производства переменного тока. В самом деле, для этого надо было только заменить коллектор двумя кольцами, по которым скользят пружины. Сначала генераторами переменного тока пользовались только при освещении, но с развитием электрификации они стали получать все большее применение и постепенно вытеснили машины постоянного тока. Первона­чальная конструкция генератора также претерпела значительные изменения. Первая машина Грамма была двухполюсной, но в дальнейшем стали приме­нять многополюсные генераторы, в которых обмотка якоря проходила при каждом обороте мимо четырех, шести и более попеременно установленных полюсов электромагнита. В этом случае ток возбуждался не с двух сторон колеса, как раньше, но в каждой части колеса, обращенной к полюсу, и отсю­да отводился во внешнюю цепь. Таких мест было столько, сколько магнитных полюсов. Затем все щетки положительных по­люсов связывались вместе, то есть соединялись параллельно. Точно так же поступали и с отрицательными щетками.

По мере увеличения мощности генераторов возникла новая проблема — каким образом снять ток с вращающегося якоря с наименьшими потерями. Дело в том, что при больших токах щетки начинали искрить. Кроме больших потерь электроэнергии, это оказывало вредное воздействие на работу генера­тора. Тогда Грамм посчитал рациональным вернуться к самой ранней конст­рукции электрогенератора, примененной в машине Пиксии: он сделал арма­туру неподвижной, а вращаться заставил электромагниты, ведь снять ток с неподвижной обмотки было проще. Он поместил катушки якоря на железном неподвижном кольце и заставил электромагниты вращаться внутри него. От­дельные катушки он связал между собой так, чтобы все те катушки, которые в данный момент подвергались одинаковому действию электромагнитов, бы­ли соединены последовательно. Таким образом Грамм разбил все катушки на несколько групп и каждую группу употребил для доставления тока в отдель­ную самостоятельную цепь. Однако возбуждающие ток электромагниты не­обходимо было питать постоянным током, так как переменный ток не мог вызвать в них неизменной полярности. Поэтому при каждом генераторе пе­ременного тока необходимо было иметь небольшой генератор постоянного тока.