2.2 Явище обертового магнітного поля Ніколи Тесла

Нікола Тесла, одні з найвідоміших і плідних вчених у галузі електротехніки, що починав свою наукову кар'єру у 80-х роках минулого століття, зміг отримати 41 патент тільки в області багатофазних систем. Деякий час Тесла працював в компанії Едісона в Парижі (1882-1884 рр.), а потім переїхав до США. У 1888 р. вчений продав всі свої патенти по багатофазним системам голові відомої фірми Джорджу Вестінгаузу, який у своїх планах розвитку техніки змінного струму ( на противагу компанії Едісона) зробив верстати на основі робот Тесли. Згодом Тесла мною уваги приділяв техніці високих частот ("трансформатор Тесла") і ідеї передачі електроенергії без проводів. Цікава деталь: при вирішенні питання про стандартизацію промислової частоти, а діапазон реченні був від 25 до 133 Гц, Тесла рішуче висловився за прийняту ним для своїх досвідчених установок частоту 60 Гц. Тоді відмова інженерів Вестінгауза від пропозиції Тесла послужили початковим імпульсом для вченого, який вирішив розлучитися з Вестінгаузом. Але незабаром саме ця частота була прийнята в США в якості стандартів.

У патентах Тесла були описані різні варіанти багатофазних систем. На відміну від Ферраріс Тесла вважав, що багатофазні струми слід отримувати від багатофазних джерел, а не користуватися фазозмінюючими пристроями. Стверджуючи, що двухфазна система, будучи мінімальним варіантом системи багатофазної, опиниться і найбільш економічною, Тесла, а слідом за ним і фірма Westinghouse, зосередив увагу саме на цій системі.

Схематично система Тесла в її найбільш характерною формою представлена на Мал. 3 ​. Зліва зображений синхронний генератор, праворуч - асинхронний двигун. У генераторі між полюсами оберталися дві взаємно перпендикулярні котушку в яких генерувався струм. Кінці кожної котушки були виведені на кільця, розташовані на валу генератора (для зрозумілості, на кресленні кільця мають різні діаметри).

Ротор двигуна теж мав обмотку у вигляді двох розташованих під прямим кутом один до одного замкнутих на себе котушок. Основним недоліком двигуна Тесла, який згодом зробив його неконкурентоспроможним, була наявність виступаючих полюсів із зосередженою обмоткою. Ці двигуни мали великий магнітний опір і вкрай несприятливий розподіл магнітної сили уздовж повітряного зазору, що призводило до погіршення характеристик машини. Такі були слідства механічного перенесення в техніку змінного струму конструктивних схем машини постійного струму.

Конструкція обмотки ротора, як з'ясувалося пізніше, теж виявилася невдалою. Дійсно, виконання обмоток зосередженими (а не розподіленими по всьому колу ротора) при виступаючих полюсах на статорі призводило до погіршення пускових умов двигуна (залежність пускового моменту від початкового положення ротора), а та обставина, що обмотки ротора мали порівняно великий опір, погіршувало робочі характеристики .

Невдалим виявився і вибір двофазної системи струмів з усіх можливих багатофазних систем. Відомо, що значну частку вартості установки для передачі електроенергії становлять витрати на лінійні споруди і зокрема на лінійні дроти. У зв'язку з цим здавалося очевидним, що чим менше прийняте число фаз, тим меншим буде число проводів і отже, пристрій електропередачі буде більш економічніший. Двофазна система вимагала застосування чотирьох проводів, а подвоєння числа проводів у порівнянні з установками постійного або однофазного змінного струмів уявлялося небажаним. Тому Тесла пропонував у деяких випадках застосовувати в двофазній системі лінію з трьома проводами, тобто робити один провід загальним. У цьому випадку число проводів зменшувалася до трьох. Однак витрата металу на дроти при цьому знижувався менше, ніж можна було очікувати, так як перетин загального проводу має бути приблизно в 1,5 рази (точніше, в 2 рази) більше перетину кожного з двох інших проводів.

Зустрілися економічні і технічні труднощі які затримували впровадження двофазної системи в практику. Фірм Westinghouse побудувала кілька станцій по цій системі, з яких найбільшою за масштабами була Ніагарська гідроелектростанція.