Техника трехфазного тока: 120 лет со времени первого триумфа
Многие историки считают, что именно с выставки 1891 года во Франкфурте-на-Майне началась широкая электрификация.
Что бы там ни говорили, но прагматичные европейцы все же всегда были романтиками. Даже в ХІХ веке, называемом эрой пара и электричества, они старались всячески украшать свою жизнь. Недаром на промышленных выставках новейших достижений науки и техники наибольшее внимание публики привлекали экспонаты, подражавшие природе. То есть сначала увлекало мастерство имитации и только потом — способ, которым достигался желаемый эффект. Поэтому неудивительно, что среди посетителей Международной Франкфуртской электротехнической выставки 1891 года настоящий ажиотаж вызвал огромный искусственный водопад. Насос, работавший от мощного электрического двигателя, подавал воду вверх аж на 10 м, а оттуда она под восторженные возгласы толпы хрустальными брызгами спадала в украшенное камнями и кувшинками русло.
Однако специалисты, которых было немало на выставке, в основном смотрели не на водопад, а на оборудование, неутомимо качавшее воду. Во-первых, нигде поблизости не было электростанции, питавшей двигатель насоса, а во-вторых, поражали мощность и надежность этого двигателя. А когда посетители узнали, что электроэнергия подается по проводам с гидростанции на берегу реки Неккар в городке Лауфен в 175 км от Франкфурта-на-Майне, удивлению не было границ.
Так 120 лет назад на выставке в Германии впервые были продемонстрированы возможности трехфазного асинхронного двигателя и преимущества трехфазных систем переменного тока перед другими, особенно в передаче электроэнергии на большие расстояния.
Хотя попытки передачи электроэнергии на значительные расстояния предпринимались и раньше. И самая удачная из них — по телеграфной линии Крейль — Париж длиной 56 км, подготовленная и проведенная известным физиком Марселем Депре в 1885 году. Французский экспериментатор работал с постоянным током самого высокого, которого только удалось ему достичь, напряжения — 6000 вольт. Опыт этот считался в целом удачным, однако коэффициент полезного действия передачи не превышал 50%. Некоторые электротехники уверяли, что такой КПД — предельно возможный. Кроме того, с постоянным током потребителям работать очень неудобно, прежде всего потому, что его невозможно трансформировать.
Возникло противоречие: для уменьшения потерь во время передачи нужно как можно больше повышать напряжение, но использовать полученную энергию непосредственно потребитель не может, поскольку последовательное подключение оборудования, которое должно питаться этим током, чаще всего оказывается очень неудобным. Пришлось переходить на переменный ток.
Использовать его с практической целью начал еще в 70-е годы ХІХ века изобретатель «электрической свечи» известный российский физик Павел Яблочков. Однако дальше питания осветительных приборов он не пошел. Подробнее изучал возможности переменного тока выдающийся электротехник сербского происхождения Никола Тесла. Он экспериментировал с различными многофазными схемами и электрическими машинами, но самыми удобными для использования считал двухфазные. Именно по такой схеме построены самая мощная в то время гидроэлектростанция на Ниагаре в США и несколько станций в Европе. Однако вскоре после того, как было доказано, что трехфазный ток более пригоден для промышленных и других целей, их переоборудовали. Больше всего способствовали этому исследования, изобретения и разработки выдающегося инженера Михаила Осиповича Доливо-Добровольского.
В советской и современной российской литературе М.Доливо-Добровольского чаще всего называют российским электротехником. Это не совсем так. Он действительно родился недалеко от Петербурга в городке Гатчина в 1862 году, но был скорее российско-немецким инженером. Дело в том, что в свое время Российская империя из-за участия студента Рижского политехнического института Михаила Доливо-Добровольского в студенческих волнениях отказала ему в праве получить высшее техническое образование, и он вынужден был уехать за границу. В Германии он окончил Дармштадское высшее техническое училище и остался там для преподавательской деятельности. В 1887 году его пригласили на работу в стремительно развивавшуюся берлинскую фирму AEG (Allgemeine Elektricitats-Geselschaft), где он проработал всю свою жизнь: сначала на должности шеф-электрика, позже — технического директора.
В 1889-м М.Доливо-Добровольский подал патентную заявку на асинхронный трехфазный электрический двигатель с короткозамкнутым ротором в виде «беличьей клетки», благодаря которому быстро стал известен специалистам-электротехникам во всем мире. Потом он получил один за другим патенты на трехфазные трансформаторы, генераторы и двигатели, причем предложенные им схемы трансформации трехфазного напряжения и сегодня используются без каких-либо принципиальных дополнений, как, впрочем, и асинхронные двигатели. Таким образом, именно М.Доливо-Добровольский — автор теоретической разработки и принципов практической реализации всех основных составных трехфазной системы переменного тока.
Возвращаясь к Франкфуртской выставке 1891 года и ее экспонатам, представленным инженером Доливо-Добровольским, заметим, что он провел еще две серии опытов по передаче электротока от гидростанции на реке Неккар. Напряжение повышалось до 14600 и 28300 вольт. Во Франкфурте с помощью трансформаторов его уменьшали до 65 вольт, и этим током питались (кроме упомянутого насоса для водопада) еще и другие двигатели и осветительные лампы. Коэффициент полезного действия в нормальном режиме работы с напряжением 8500 вольт составлял 75%, а во время повышения напряжения достиг 79%. Ничто не смогло бы убедительнее доказать преимущества трехфазной схемы передачи электроэнергии перед всеми остальными.
…После триумфа во Франкфурте-на-Майне Михаил Осипович Доливо-Добровольский снова активно занялся электротехникой. Чрезвычайный интерес вызвал его доклад «Современное развитие техники трехфазного тока» на Первом Всероссийском электротехническом съезде в январе 1900 года. Ему даже предложили занять должность декана электромеханического отделения только что открытого Петербургского политехнического института. Однако договорные обязательства Доливо-Добровольского перед фирмой AEG не позволили ему согласиться. Вскоре обострилась болезнь сердца, которой он страдал с детства, и его техническое творчество прервалось на шесть долгих лет. Вернулся на фирму в 1909 году, а в 1914-м после начала Первой мировой войны переехал из Германии в Швейцарию. Только в 1918 году он вернулся в Берлин, где намеревался опять работать на фирме, но обострилась старая болезнь, и в ноябре 1919 года Михаил Осипович ушел из жизни.
Немецкое гражданство он так и не принял…
