3. 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 изобретение Яблочковым электрической свечи. По своей сути эти приборы 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 годуЯблочков 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.

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 решилась 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.

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 на 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.