М. О. Доливо-Добровольский — русский новатор-электротехник и его изобретения
Одним из основоположников техники применения переменных токов считается талантливый русский инженер и изобретатель Михаил Осипович Доливо-Добровольский. С его именем связаны работы в области создания техники трехфазных переменных токов. Он является создателем простого и надежного в использовании асинхронного двигателя. Двигатель такой конструкции используется и в наши дни. Все элементы трехфазной системы были созданы Доливо-Добровольским.
Михаил Осипович родился 2 января 1862 года в семье чиновника. Он стал первенцем в многодетной семье Доливо-Добровольский, которая в то время жила в г. Гатчина. В 1873 году семейство Доливо-Добровольских переезжает в Одессу, именно там и прошли детство и юность будущего талантливого изобретателя. Там же в Одессе он блестяще окончил Одесское реальное училище.
Затем поступил в Рижский Политехнический институт. Но окончить его Михаил Осипович не успел. За участие в студенческой забастовке солидарности с рабочими рижских заводов он был исключен из института без права поступления в любое русское учебное заведение. Именно этот факт и сыграл важнейшую роль в жизни изобретателя и истории мировой электротехники.
С помощью дяди молодому Доливо-Добровольскому удалось выехать за границу и там он поступил в Высшее Техническое Училище в немецком городе Дармштадт. В период с осени 1881 г. по 1884 г. М. О. Доливо-Добровольский обучался на машиностроительном факультете, при этом изучая электротехнику. С отличием окончив Высшее Техническое Училище, Михаил Осипович остался в нем ассистентом в недавно открывшейся электротехнической лаборатории.
В 1884-1885 гг. в прессе появляются первые публикации Доливо-Добровольского, посвященные вопросам электротехники. Его работы не остались без внимания. В 1887 г. Михаила Осиповича пригласил к себе на работу Эмиль Ротенау, возглавлявший в то время фирму «Всеобщая компания электричества». Через несколько лет уже сам Михаил Осипович становится директором компании, которую будет возглавлять до конца своей жизни.
Первые работы М. О. Доливо-Добровольского были связаны с системами постоянного тока. Занимаясь проблемами применения постоянного тока, он также следил за важнейшими событиями теоретической мысли. Он ознакомился с работами итальянского физика Галилео Феррариса по вращающемуся магнитному полю.
В своих работах Феррарис утверждал что коэффициент полезного действия асинхронного двухфазного двигателя не будет превышать 50% и поэтому, многофазные электрические машины переменного тока не получат широкого применения. Начиная с 1888 года, М. О. Доливо-Добровольский занялся изучением многофазных систем, для которых он установил особое название, затем утвердившееся в терминологии электротехники. Глубоко изучив машины постоянного тока, он сделал правильный вывод об ошибочности теории Феррариса.
Для своих работ Доливо-Добровольский стал использовать не двухфазный ток, как это делали Феррарис и Никола Тесла, а трехфазный, то есть три переменных тока, каждый из которых сдвинут по фазе на 120 градусов.
В 1888 году после ряда испытаний он построил первый трехфазный генератор переменного тока мощностью примерно в 3 киловатта и с помощью него привел в действие свой первый трехфазный двигатель со статором в виде кольца Грамма, питаемого в трех точках, и ротора в виде сплошного медного цилиндра.
Продолжая традиции своих талантливых соотечественников (П. Н. Яблочков, Б. С. Якоби) Доливо-Добровольский работал над возможностью применения на практике переменного тока. И вот, начиная с 1891 года, начинается новая страница в истории электротехники. В этом году на электротехнической выставке во Франкфурте было успешно произведено испытание системы трехфазного тока в виде передачи электроэнергии на расстояние в 175 километров от Лауффенского водопада до Франкфурта.
Трехфазный генератор в Лауффен-на-Неккаре (Баден-Вюртемберг) — 1881 год.
Лауффенская электропередача стала первой в мире передачей с использованием переменного тока и послужила началом господства переменного тока продолжающегося и в наши дни. Трехфазная система, созданная Доливо-Добровольским, в короткий срок получила широкое применение. Но заслуга талантливого русского инженера не только в изобретении способа передачи переменного тока на большие расстояния, но и в создании устройств, которые необходимых для работы трехфазного переменного тока. Большое количество созданных им устройств используются электроэнергетиками в неизменном виде.
Много труда приложил М. О. Доливо-Добровольский для пропаганды внедрения трехфазного переменного тока в науке и технике. При помощи диспутов, докладов, монографий он смог добиться того, что у него практически не осталось идейных противников.
В 1899 году, 28 декабря на Первом Всероссийском электротехническом съезде Доливо-Добровольский выступил с докладом «Современное развитие техники трехфазного тока». В нем он подвел итоги своей деятельности: разработка теории трансформаторов, конструирование новых измерительных приборов, двигателей и других аппаратов.
Трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского
Не смотря на то, что жил и работал М. О. Доливо-Добровольский за границей, он сохранял российское гражданство. С началом Первой мировой войны в 1914 году он переехал в Швейцарию, где оставался до 1918 года. Затем снова вернулся в Германию для продолжения работы. Но хроническое заболевание сердца нарушило его планы.
Последние годы своей жизни Михаил Осипович посвятил изучению способа передачи электроэнергии на большие расстояния при помощи постоянного тока высокого напряжения. Будущее развитие электротехники виделось ему в дальних передачах электроэнергии постоянного тока высокого напряжения по подземным кабелям. Этим вопросом Доливо-Добровольский занимался до последних дней жизни. 15 ноября 1919 года от болезни сердца он скончался. Его смерть была встречена скорбью инженерами всего мира.
Бюст М.О. Доливо-Добровольского
Талантливейший инженер и изобретатель М. О. Доливо-Добровольский был многосторонне образован и культурен. Его вклад в развитие электротехники и, в частности, в области применения систем трехфазного переменного тока огромен. Продолжая работы своих соотечественников, Михаил Осипович сумел далеко вперед продвинуть науку и технику. Работы русских изобретателей навсегда вошли в историю мировой электротехники.
Глава четвертая Из истории электротехники. «Сказка об электричестве». Века и люди. Тесла или Феррарис? Михаил Осипович Доливо-Добровольский
Начнем наш рассказ словами самого Теслы, написавшего незадолго до смерти замечательный очерк истории электротехники «Сказку об электричестве»: «Кто действительно хочет понять все величие нашего времени, тот должен познакомиться с историей науки об электричестве. И тогда он узнает сказку, какой нет и среди сказок „Тысячи и одной ночи“».
Впервые явления, ныне называемые электрическими, были замечены в древнем Китае, Индии, а позднее в Древней Греции. Сохранившиеся предания гласят, что древнегреческому философу Милетскому (640–550 гг. до н. э.) было уже известно свойство янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие, тела. От греческого названия янтаря — «электрон» — явление это позднее получило наименование электризации.
Об янтаре в «Сказке» Теслы мы находим следующие поэтические строки: «Рассказ начинается задолго до начала нашей эры, в те времена, когда Фалес, Теофраст и Плиний говорили о чудесных свойствах „электрона“ (янтаря), этого удивительного вещества, возникшего из слез Гелиад, сестер несчастного юноши Фаэтона, который пытался овладеть колесницей Феба и едва не сжег всю землю»[7].
Однако, создав поэтические легенды о янтаре, греки не продолжали изучения его свойств. Римляне ничего не прибавили к знаниям древних греков, а в Средние века было забыто и то, что знали о янтаре в Древнем мире. Только в конце XVI века придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гильберт изучил все, что было известно о свойствах янтаря древним народам, и сам провел немало опытов с янтарем и магнитами. В 1600 году он издал большой труд «О магните, магнитных телах и о самом большом магните — Земле» — настоящий свод знаний того времени об электричестве и магнетизме.
Гильберт впервые обнаружил, что свойства электризации присущи не только янтарю, но и алмазу, сере, смоле. Он заметил также, что некоторые тела, например металлы, камни, кость, не электризуются, и разделил все тела, встречающиеся в природе, на электризуемые и неэлектризуемые. Обратив особое внимание на первые, он производил опыты по изучению их свойств.
В середине XVII века известный немецкий ученый, бургомистр города Магдебурга, изобретатель воздушного насоса Отто фон Герике построил специальную «электрическую машину», представлявшую собой шар из серы величиной с детскую голову, насаженный на ось. Если при вращении шара его натирали ладонями рук, он вскоре приобретал свойство притягивать и отталкивать легкие тела.
На протяжении нескольких столетий машину Герике значительно усовершенствовали англичанин Хоксби, немецкие ученые Бозе, Винклер и другие. Опыты с этими машинами привели к ряду важных открытий: в 1707 году французский физик дю Фей обнаружил различие между электричеством, получаемым от трения стеклянного шара (или круга) и получаемым от трения круга из древесной смолы. В 1729 году англичане Грей и Уиллер обнаружили способность некоторых тел проводить электричество и впервые указали на то, что все тела можно разделить на проводники и непроводники электричества.
Но значительно более важное открытие было описано в 1729 году Мушенбреком — профессором математики и философии в городе Лейдене. Он обнаружил, что стеклянная банка, оклеенная с обеих сторон оловянной фольгой (листочками станиоля), способна накапливать электричество. Заряженное до определенного потенциала (понятие о котором появилось значительно позднее), это устройство могло быть разряжено со значительным эффектом — большой искрой, производившей сильный треск, подобный разряду молнии, и оказывавшей физиологические действия при прикосновении рук к обкладкам банки.
От названия города, где производились опыты, прибор, созданный Мушенбреком, был назван лейденской банкой. Исследования ее свойств производились в различных странах и вызвали появление множества теорий, пытавшихся объяснить обнаруженное явление конденсации заряда.
Одна из теорий этого явления была дана выдающимся американским ученым и общественным деятелем Вениамином Франклином, который указал на существование положительного и отрицательного электричества. С точки зрения этой теории Франклин объяснил процесс заряда и разряда лейденской банки и доказал, что ее обкладки можно произвольно электризовать разными по знаку электрическими зарядами.
Франклин, как и русские ученые М.В. Ломоносов и Г. Рихман, уделил немало внимания изучению атмосферного электричества, грозового разряда (молнии). Как известно, Рихман погиб, производя опыт по изучению молнии.
Работы русских академиков Эпинуса, Крафта и других выявили целый ряд весьма важных свойств электрического заряда, но все они изучали электричество в состоянии неподвижном или мгновенный разряд его, то есть свойства статического электричества. Движение его проявлялось лишь в форме разряда. Об электрическом токе, то есть о непрерывном движении электричества, еще ничего не было известно.
Практическое значение накопленных за два столетия знаний об электричестве было сравнительно невелико. Это объясняется тем, что потребности практики, промышленности не выдвигали перед наукой требований познания электричества и изучения возможности его использования. «Об электричестве мы узнали кое-что разумное только с тех пор, как была открыта его техническая применимость», — писал Энгельс в письме к Г. Штаркенбургу 25 января 1894 года.
Самым крупным открытием в этой области в XVIII веке было обнаружение в 1791 году итальянским анатомом Луиджи Гальвани появления электричества при соприкосновении двух разнородных металлов с телом препарированной лягушки. Сам Гальвани ошибочно считал, что это явление вызывается наличием особого животного электричества.
Но вскоре другой итальянский ученый, Алессандро Вольта, дал иное объяснение этим опытам. Он экспериментально доказал, что электрические явления, которые наблюдал Гальвани, объясняются только тем, что определенная пара разнородных металлов, разделенная слоем специальной электропроводящей жидкости, служит источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи.
Эта теория, разработанная А. Вольтой в 1794 году, позволила создать первый в мире источник электрического тока в виде так называемого вольтова столба. Последний представлял набор кружков из двух металлов (меди и цинка), разделенных прокладками из войлока, смоченного в соляном растворе или щелочи. Описание этого прибора, изготовленного в конце 1799 года, дано в письме А. Вольты к президенту Лондонского королевского общества Банксу от 20 марта 1800 года.
Надо заметить, что и Гальвани был недалек от истины: как это установили позднее, в любом организме жизненные процессы сопровождаются возникновением электричества, которое с полным основанием может быть названо животным, не имеющим, однако, ничего общего с электричеством, открытым самим Гальвани.
Одним из первых глубоко исследовал свойства электрического тока в 1801–1802 годах петербургский академик В.В. Петров. Работы этого выдающегося ученого, построившего самую крупную в мире в те годы батарею из 42 0 0 медных и цинковых кружков, установили возможность практического использования электрического тока для нагрева проводников. Кроме того, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами слегка разведенных углей как в воздухе, так и в других газах и вакууме, получившее название электрической дуги.
В.В. Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов и тем самым впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. С этого момента и должно начинать историю электротехники как самостоятельной отрасли техники.
Опыты с электрическим током привлекали внимание многих ученых разных стран. В 1802 году это явление было вновь наблюдаемо датским физиком Эрстедом, который в марте 1 820 года опубликовал на латинском языке брошюру под заглавием «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». В этом сочинении «электрическим конфликтом» был назван электрический ток.
Небольшая, всего в пять страниц, книжка Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках. Сами опыты его были повторены осенью 1820 года швейцарским естествоиспытателем де ля Ривом на съезде естествоиспытателей в Женеве. На этом съезде присутствовал член Парижской академии наук Араго, который по возвращении показал в заседании академии опыт Эрстеда. Еще до конца 1820 года Араго провел ряд исследований, из которых наиболее важным было открытие в 1824 году явления увлечения медного диска вращающимся вблизи него магнитом. Это явление, названное «магнетизмом вращения», долгое время оставалось лишь эффектным физическим опытом. Но позднее именно оно послужило основой многих практических изобретений, и в частности электродвигателя переменного тока.
Большое значение имело также открытие Био и Саваром законов действия тока на магнитную стрелку.
Особо следует сказать о деятельности замечательного ученого Андре Мари Ампера[8], положившего начало изучению динамических действий электрического тока и установившего целый ряд законов электродинамики.
Едва лишь Араго продемонстрировал на заседании Парижской академии наук опыт Эрстеда, как Ампер, повторив его, 18 сентября 1 820 года, ровно через неделю, представил в академию сообщение о своих исследованиях. На следующем заседании, 25 сентября, Ампер закончил чтение доклада, в котором он изложил законы взаимодействия двух токов, протекающих по параллельно расположенным проводникам. С этого момента академия еженедельно слушала новые сообщения Ампера о его опытах, завершивших открытие и формулирование основных законов электродинамики.
Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления — электричество и магнетизм — одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория, встреченная современниками Ампера с большим недоверием, была весьма прогрессивной и сыграла огромную роль в правильном понимании открытых позднее явлений.
Через пять лет после первых работ Ампера был построен первый электромагнит и началось глубокое изучение законов электромагнетизма. В 1827 году немецкий ученый Георг Ом открыл один из фундаментальных законов электричества, устанавливающий основные зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой протекает электрический ток; в 1847 году Кирхгоф сформулировал законы развертывания токов в сложных цепях.
Открытия Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея и побудили его заняться всем кругом вопросов о превращении электрической и магнитной энергии в механическую. В 1821 году он нашел еще одно решение поставленной задачи превращения электрической и магнитной энергии в механическую и продемонстрировал свой прибор, в котором он получал явление непрерывного электромагнитного вращения. В тот же день Фарадей записал в свой рабочий дневник обратную задачу: «Превратить магнетизм в электричество». Более десяти лет потребовалось, чтобы решить ее и найти способ получения электрической энергии из магнитной и механической. Лишь в конце 1831 года Фарадей сообщил об открытии им явления, названного затем электромагнитной индукцией и составляющего основу всей современной электроэнергетики.
Исследование Фарадея и работы русского академика Э.Х. Ленца, сформулировавшего закон, по которому можно было определить направление электрического тока, возникающего в результате электромагнитной индукции, дали возможность создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.
Вначале электрогенераторы и электродвигатели развивались независимо друг от друга, как две совершенно разные машины. Первый изобретатель электрического генератора, основанного на принципе электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования доклада Фарадея в Королевском обществе, в котором было изложено открытие электромагнитной индукции, ученый нашел в своем почтовом ящике письмо, подписанное инициалами Р. М. Оно содержало описание первого в мире синхронного генератора и приложенный к нему чертеж.
Фарадей, внимательно разобравшись в этом проекте, направил письмо P.M. и чертеж в тот же журнал, в котором был в свое время помещен его доклад, надеясь, что неизвестный изобретатель, следя за журналом, увидит опубликованным не только свой проект, но и сопровождающее его письмо Фарадея, исключительно высоко оценивающее изобретение P.M.
Действительно, спустя почти полгода P.M. прислал в редакцию журнала дополнительные разъяснения и описание предложенной им конструкции электрогенератора, но и на этот раз пожелал остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым под инициалами, и человечество до сих пор, несмотря на тщательные розыски историков электротехники, остается в неведении, кому же оно обязано одним из важнейших изобретений.
Машина P.M. не имела устройства для выпрямления тока и была первым генератором переменного тока. Но этот ток, казалось, не мог быть использован для дугового освещения, электролиза, телеграфа, уже прочно вошедших в жизнь. Необходимо было, по мысли конструкторов того времени, создать машину, в которой можно было бы получать ток постоянным по направлению к величине.
Почти одновременно с P.M. конструированием генераторов занимались братья Пикси и профессор физики Лондонского университета и член Королевского общества В. Риччи. Созданные им машины имели специальное устройство для выпрямления переменного тока в постоянный — так называемый коллектор.
Дальнейшее развитие конструкций генератора постоянного тока шло необычайно быстрыми темпами. Менее чем за сорок лет динамо-машина приобрела почти полностью форму современного генератора постоянного тока. Правда, обмотка этих динамо-машин была распределена по окружности неравномерно, что ухудшало работу таких генераторов — напряжение в них то возрастало, то снижалось, вызывая неприятные толчки.
В 1870 году Зеноб Грамм предложил особую, так называемую кольцевую обмотку якоря динамо-машины. Равномерное распределение обмотки якоря давало возможность получать совершенно равномерное напряжение в генераторе и такое же вращение двигателя, что значительно улучшило свойства электрических машин. По существу, изобретение это повторяло то, что было уже создано и описано в 1 860 году итальянским физиком Пачинноти, но прошло незамеченным и осталось неизвестным 3. Грамму.
Машины с кольцевым якорем получили особенно большое распространение после того, как на Венской всемирной выставке в 1873 году была обнаружена обратимость электрических машин Грамма: одна и та же машина при вращении якоря давала электрический ток, при протекании тока через якорь вращалась и могла быть использована в качестве электродвигателя.
С этого времени начинается быстрый рост применения электродвигателей и все расширяющееся потребление электроэнергии, чему немало способствовало изобретение П.Н. Яблочковым способа освещения с помощью так называемой свечи Яблочкова — дуговой электролампы с параллельным расположением углей.
Простота и удобство «свечей Яблочкова», заменивших дорогие, сложные и громоздкие дуговые фонари с регуляторами для непрерывного сближения сгорающих углей, вызвали их повсеместное распространение, и вскоре «свет Яблочкова», «русский» или «северный» свет, освещал бульвары Парижа, набережные Темзы, проспекты столицы России и даже древние города Камбоджи. Это было подлинным триумфом русского изобретателя.
Но для питания этих свечей электроэнергией потребовалось создание особых электрогенераторов, дающих не постоянный, а переменный ток, то есть ток, хотя бы и не часто, но непрерывно меняющий свою величину и направление. Это было необходимо потому, что угли, соединенные с разными полюсами генератора постоянного тока, сгорали неравномерно — анод, подключенный к положительному, сгорал вдвое быстрее катода. Переменный ток попеременно превращал анод в катод и тем самым обеспечивал равномерное сгорание углей. Специально для питания «свечей Яблочкова» и был создан самим П.Н. Яблочковым, а затем усовершенствован французскими инженерами Лонтеном и Граммом генератор переменного тока. Однако о двигателе переменного тока еще не возникало и мысли.
Вместе с тем для раздельного питания отдельных свечей от генератора переменного тока изобретателем был создан особый прибор — индукционная катушка (трансформатор), позволявший изменять напряжение тока в любом ответвлении цепи в соответствии с числом подключенных свечей.
Вскоре растущие потребности в электроэнергии и возможности получения ее в больших количествах вступили в противоречие с ограниченными возможностями передачи ее на расстояние. Применявшееся в то время низкое напряжение (100–120 вольт) постоянного тока и передача его по проводам сравнительно небольшого сечения вызывали огромные потери в линиях передачи. С конца 70-х годов позапрошлого столетия основной проблемой, от успешного решения которой зависело все будущее электротехники, стала проблема передачи электроэнергии на значительные расстояния без больших потерь.
Первое теоретическое обоснование возможности передачи любых количеств электроэнергии на любые расстояния по проводам сравнительно небольшого диаметра без значительных потерь путем повышения напряжения было дано профессором физика Петербургского лесного института Д.А. Лачиновым в июле 1880 года. Вслед за этим французский физик и электротехник Марсель Депре в 1882 году на Мюнхенской электротехнической выставке осуществил передачу электроэнергии в несколько лошадиных сил на расстояние 57 километров с коэффициентом полезного действия в 38 процентов.
В истории передачи электроэнергии на дальние расстояния эта первая передача из Мисбаха в Мюнхен имеет особое значение — на нее обратили внимание Маркс и Энгельс, живо интересовавшиеся опытами М. Депре. Их переписка об этих опытах, как и письмо Энгельса к Э. Бернштейну от 28 февраля 1883 года, содержит замечательное предвидение социальной технической роли электрификации.
Позднее Депре произвел еще ряд опытов, осуществив передачу электроэнергии на расстояние в сотню километров и доведя мощность передачи до нескольких сотен киловатт. Дальнейшее увеличение расстояния требовало значительного повышения напряжения. Депре довел его до 6 тысяч вольт и убедился, что изоляция пластин в коллекторе генераторов и электродвигателей постоянного тока не позволяет достигнуть более высокого напряжения.
Несмотря на все эти трудности, в начале 80-х годов развитие промышленности и концентрация производства все более и более настоятельно требовали создания нового двигателя, более совершенного, чем широко распространенная паровая машина. Уже было ясно, что электростанции выгодно строить вблизи месторождений угля или на реках с большим падением воды, в то время как фабрики возводить поближе к источникам сырья. Это зачастую требовало передачи огромных количеств электроэнергии к объектам ее потребления на значительные расстояния.
Такая передача была бы целесообразна лишь при применении напряжения в десятки тысяч вольт.
Но получить такое напряжение в генераторах постоянного тока было невозможно. На помощь пришли переменный ток и трансформатор: пользуясь ими, стали производить переменный ток низкого напряжения, затем повышать его до любой требуемой величины, передавать на расстояние высоким напряжением, а на месте потребления снова снижать до требуемого и использовать в токоприемниках. Но… снова возникало «но»…
Еще не существовало электродвигателей переменного тока. А ведь уже в начале 80-х годов электроэнергия потреблялась главным образом для силовых нужд. Электродвигатели постоянного тока для привода самых различных машин применялись все чаще и чаще. Создать электродвигатель, который мог бы работать на переменном токе, стало основной задачей электротехники.
В поисках новых путей всегда необходимо оглянуться назад. Не было ли в истории электротехники чего-либо такого, что могло бы подсказать путь к созданию электродвигателя переменного тока? Поиски в прошлом увенчались успехом. Вспомнили: еще в 1824 году Араго демонстрировал опыт, положивший начало множеству плодотворных исследований. Речь идет о демонстрации «магнетизма вращения». Медный (не магнитный) диск увлекался вращающимся магнитом.
Возникла идея, нельзя ли, заменив диск витками обмотки, а вращающийся магнит вращающимся магнитным полем, создать электродвигатель переменного тока? Наверное, можно, но как получить вращение магнитного поля?
В эти годы было предложено много различных способов применения переменного тока. Добросовестный историк электротехники должен будет назвать имена различных физиков и инженеров, пытавшихся в середине 80-х годов создать электродвигатели переменного тока. Он не забудет напомнить об опытах Бейли (1879 г.), Марселя Депре (1883 г.), Бредли (1887 г.), о работах Венсрема, Хазельвандера и многих других. Предложения, несомненно, были очень интересны, но ни одно из них не могло удовлетворить промышленность: электродвигатели их были либо громоздки и неэкономичны, либо сложны и ненадежны. Не был еще найден сам принцип постройки простых, экономичных и надежных электродвигателей переменного тока.
Именно в этот период и начал, как мы уже знаем, поиски решения этой задачи Никола Тесла. Он шел своим путем, путем размышлений над сущностью опыта Араго, и предложил коренное решение возникшей проблемы, сразу же оказавшееся приемлемым для практических целей. Еще в Будапеште весной 1882 года Тесла ясно представил себе, что если каким-либо образом осуществить питание обмоток магнитных полюсов электродвигателя двумя различными переменными токами, отличающимися друг от друга лишь сдвигом по фазе, то чередование этих токов вызовет переменное образование северного и южного полюсов или вращение магнитного поля. Вращающееся магнитное поле должно увлечь и обмотку ротора машины.
Построив специальный источник двухфазного тока (двухфазный генератор) и такой же двухфазный электродвигатель, Тесла осуществил свою идею. И хотя конструктивно его машины были весьма несовершенны, принцип вращающегося магнитного поля, примененный в первых же моделях Теслы, оказался правильным.
Рассмотрев все возможные случаи сдвига фаз, Тесла остановился на сдвиге в 90°, то есть на двухфазном токе. Это было вполне логично — прежде чем создавать электродвигатели с большим числом фаз, следовало начать с тока двухфазного. Но можно было бы применить и другой сдвиг фаз: на 120° (трехфазный ток). Не проанализировав теоретически и не осмыслив все возможные случаи, даже не сравнив их между собой (вот в чем большая ошибка Теслы), он все свое внимание сосредоточил на двухфазном токе, создав двухфазные генераторы и электродвигатели, и лишь мельком упомянул в своих патентных заявках о многофазных токах и возможности их применения.
Но Тесла не был единственным ученым, вспомнившим об опыте Араго и нашедшим решение важной проблемы. В те же годы исследованиями в области переменных токов занимался итальянский физик Галилео Феррарис, представитель Италии на многих международных конгрессах электриков (1881 и 1882 годы в Париже, 1883 год в Вене и другие). Подготавливая лекции по оптике, он пришел к мысли о возможности постановки опыта, демонстрирующего свойства световых волн. Для этого Феррарис укрепил на тонкой нити медный цилиндр, на который действовали два магнитных поля, сдвинутых под углом в 90°. При включении тока в катушки, попеременно создающие магнитные поля то в одной, то в другой из них, цилиндр под действием этих полей поворачивался и закручивал нить, в результате чего поднимался на некоторую величину вверх. Устройство это прекрасно моделировало явление, известное под названием поляризации света.
Феррарис и не предполагал использовать свою модель для каких-либо электротехнических целей. Это был всего лишь лекционный прибор, предназначение которого заключалось в умелом применении электродинамического явления для демонстрации в области оптики.
Феррарис не ограничился этой моделью. Во второй, более совершенной, модели ему удалось достигнуть вращения цилиндра со скоростью до 900 оборотов в минуту. Но за определенными пределами, как бы ни увеличивалась в цепи сила тока, создававшего магнитные поля (другими словами, как бы ни увеличивалась затрачиваемая мощность), достигнуть увеличения числа оборотов не удавалось. Подсчеты показали, что мощность второй модели не превышала 3 ватт.
Несомненно, Феррарис, будучи не только оптиком, но и электриком, не мог не понимать значения произведенных им опытов. Однако ему, по собственному его признанию, и в голову не приходило применить этот принцип к созданию электродвигателя переменного тока. Самое большее, что он предполагал, это использовать его для измерения силы тока, и даже начал конструировать такой прибор.
18 марта 1888 года в Туринской академии наук Феррарис сделал доклад «Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов». В нем он рассказал о своих опытах и пытался доказать, что получение в таком приборе коэффициента полезного действия свыше 50 процентов невозможно. Феррарис был искренне убежден, что, доказав нецелесообразность использования переменных магнитных полей для практических целей, он оказывает науке большую услугу.
Доклад Феррариса опередил сообщение Николы Теслы в Американском институте электроинженеров. Но заявка, поданная для получения патента еще в октябре 1887 года, свидетельствует о несомненном приоритете Теслы перед Феррарисом. Что же касается публикации, то статья Феррариса, доступная для чтения всем электрикам мира, была опубликована лишь в июне 1888 года, то есть после широко известного доклада Теслы.
На утверждение Феррариса, что работы по изучению вращающегося магнитного поля начаты им в 1885 году, Тесла имел все основания возразить, что он занимался этой проблемой еще в Граце, решение ее нашел в 1882 году, а в 1884 году в Страсбурге демонстрировал действующую модель своего двигателя.
Но, конечно, дело не только в приоритете. Несомненно, оба ученых сделали одно и то же открытие независимо друг от друга: Феррарис не мог знать о патентной заявке Теслы, так же как и последний не мог знать о работе итальянского физика.
Гораздо важнее то, что Г. Феррарис, открыв явление вращающегося магнитного поля и построив свою модель мощностью в 3 ватта, и не думал об их практическом использовании. Более того: если бы ошибочный вывод Феррариса о нецелесообразности применения переменных многофазных токов был принят, то человечество еще несколько лет шло бы по ложному пути и было лишено возможности широкого использования электроэнергии в самых различных отраслях производства и быта.
Заслуга Николы Теслы и заключается в том, что, несмотря на множество препятствий и скептическое отношение к переменному току, он практически доказал целесообразность применения двухфазного тока. Созданные им первые двигатели двухфазного тока, хотя и имели ряд недостатков, привлекли внимание электротехников всего мира и возбудили интерес к его предложениям.
Однако статья Галилео Феррариса в журнале «Атти ди Турино» сыграла огромную роль в развитии электротехники. Ее перепечатал один крупный английский журнал, и номер с этой статьей попал в руки другого ученого, теперь заслуженно признанного создателем современной электротехники трехфазного тока.
В один из июльских дней 1888 года статью Феррариса в английском журнале с увлечением читал молодой еще, всего лишь за четыре года до этого окончивший Дармштадтское высшее техническое училище русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский.
Михаил Осипович родился в России, в Гатчине— одном из живописных пригородов Петербурга, в семье чиновника. Десяти лет он вместе в родителями переехал в Одессу, где его отец, выйдя в отставку, начал издавать прогрессивную газету «Правда». К участию в этой газете он привлек многих передовых деятелей русской и мировой литературы, и вскоре газета эта за непозволительный образ мыслей была закрыта.
Михаил Осипович Доливо-Добровольский.
В этот период в семье Доливо-Добровольских сильно развилось критическое отношение к царскому строю, и юноша Добровольский отличался от своих сверстников если не революционными, то, во всяком случае, передовыми взглядами.
В 1880 году Михаил Осипович окончил Одесское реальное училище и осенью того же года поступил на химический факультет Рижского политехнического института. Но недолго пришлось ему быть студентом этого учебного заведения: весной 1881 года, после убийства царя Александра II, многих революционно настроенных студентов русских университетов и других высших учебных заведений исключили без права продолжать учение в России. В число их попал и Михаил Осипович.
В конце 1881 года Доливо-Добровольский поступил на химический факультет Дармштадтского высшего технического училища, но сразу же больше чем химией увлекся новым тогда предметом — электротехникой. В Дармштадте курс электротехники читал профессор Китлер, прекрасный педагог, имевший богатый практический опыт, сумевший не только увлечь М.О. Доливо-Добровольского, но и дать ему порядочный запас знаний.
Отлично окончивший курс Дармштадтского высшего технического училища Доливо-Добровольский был приглашен в Германскую эдисоновскую компанию и в 1884 году начал работу на одном из ее заводов. Глубокий и вдумчивый инженер, он хорошо представлял себе все недостатки постоянного тока и не раз размышлял о возможности создания электродвигателей переменного тока.
Михаил Осипович немало думал над этой задачей, не раз пытался превратить электродвигатель постоянного тока Грамма в машину переменного тока — мы помним, что примерно в это время той же проблемой занимался и Никола Тесла.
Статья Феррариса произвела на М.О. Доливо-Добровольского исключительное впечатление, и еще во время чтения он представил себе принцип действия электродвигателя, основанного на использовании явления вращающегося магнитного поля. Ошибка Феррариса в расчете коэффициента полезного действия была найдена также мгновенно, и для Михаила Осиповича не оставалось сомнений в возможности быстрого решения проблемы применения переменного тока. Но уже с самого начала М.О. Доливо-Добровольский оценил все преимущества трехфазного тока перед двухфазным, примененным Теслой и Феррарисом, и начал конструировать электродвигатели трехфазного переменного тока.
Так появился опасный соперник двухфазного тока, скоро показавший ряд неоспоримых преимуществ перед своим близнецом.
Читайте также
Глава четвертая. Как люди изучали свойства своей планеты
Глава четвертая. Как люди изучали свойства своей планеты Какие свойства могут быть у планеты? Пожалуй, прежде всего — сила тяжести. Действительно, не испытывай предметы на поверхности Земли ее притяжения — давно улетели бы в космос.Можно характеризовать Землю
К. Маркс Разоблачения дипломатической истории XVIII века Глава четвертая [70]
К. Маркс Разоблачения дипломатической истории XVIII века Глава четвертая[70] Прежде чем приступить к анализу памфлета, озаглавленного «Истина есть истина, когда она раскрывается вовремя», которым мы закончим введение к «Разоблачениям дипломатии», уместно будет сделать
Глава 1. Страна и люди. Немного истории
Глава 1. Страна и люди. Немного истории На характер и самоощущение любого народа накладывают свой неповторимый отпечаток география и исторический опыт.Если кратко охарактеризовать географические особенности Испании, то первое, что приходит на ум — это ее
Глава четвертая Люди эпохи
Глава четвертая Люди эпохи За всеми событиями, ставшими судьбоносными для страны, стоят люди. Ибо люди вершат историю. Чаще всего — выполняя свой долг и вовсе не задумываясь над тем, какой окажется та лепта, которую они день за днем, не жалея сил и самой жизни, вносят в
Глава первая. Монголия, окончание века XII и «люди длинной воли»
Глава первая. Монголия, окончание века XII и «люди длинной воли» Монгольская империя, раскинувшаяся от Тихого океана до Средиземного моря и достигшая апогея величия во второй половине XIII века, возникла после череды непрерывных кровопролитнейших войн, начавшихся в
Глава четвертая Люди эпохи
Глава четвертая Люди эпохи За всеми событиями, ставшими судьбоносными для страны, стоят люди. Ибо люди вершат историю. Чаще всего – выполняя свой долг и вовсе не задумываясь над тем, какой окажется та лепта, которую они день за днем, не жалея сил и самой жизни, вносят в
РОЗЕН Михаил Иосифович (Осипович) (1884 (1886?) — 13.10.1937)
РОЗЕН Михаил Иосифович (Осипович) (1884 (1886?) — 13.10.1937) начальник войск ВЧК (25 марта — 13 апреля 1921 г.) Родился в г. Мстиславле Могилевской губернии в семье мелкого ремесленника. В юности вынужден был уехать в Харьков на заработки, трудился в ремесленных мастерских. С 1899 г.
Глава 1. Люди древнего каменного века
Глава 1. Люди древнего каменного века Вопрос об ископаемых антропоидах — возможных предках человека на юго-востоке Азии Восстанавливая по археологическим и палеоантропологическим данным историю человеческих популяций, живших много сотен тысяч лет назад на
Работы Николы Тесла как ключ от проблем человечества XXI века
Работы Николы Тесла как ключ от проблем человечества XXI века Здесь я хочу осветить еще одну очень интересную тематику. Многие основные проблемы и вызовы, о которых говорилось выше, имеют в своей основе одну главную проблему – борьбу за источники дешевой энергии. Это
Михаил Осипович Доливо-Добровольский — изобретатель трёхфазного асинхронного двигателя
Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862-1919) – российский инженер-электротехник, один из создателей устройств, работающих на трехфазном переменном токе. Ему принадлежит большое количество изобретений в области электротехники, в том числе асинхронный двигатель, дугогасительная решетка, несколько измерительных приборов. Он сумел первым в мире успешно продемонстрировать передачу трехфазного переменного тока на расстояние и доказал его преимущества.
Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862-1919)
Детство и юность изобретателя
Михаил Осипович родился 2 января 1862 года в Гатчине, став первым ребенком в многодетной семье. Его дед по отцовской линии переехал в Петербург из Польши еще в конце XVIII века и служил тайным советником. Когда мальчику было 11 лет, семья переехала в Одессу, где прошли детские и юношеские годы талантливого инженера. Здесь он на отлично окончил реальное училище, а затем поступил в Рижский университет. Но получить диплом ему было не суждено – за участие в одной из студенческих акций протеста Михаил был безжалостно отчислен без права поступить в новое учебное заведение на территории России.
Это вынудило молодого человека начать поиски места учебы за рубежом и при помощи дяди будущий изобретатель прибыл в немецкий город Дармштадт, где поступил на машиностроительный факультет местного Высшего Технического училища. Параллельно с этим Доливо-Добровольский с головой окунулся в изучение электротехники, а по окончании Альма-матер остался здесь для работы ассистентом в электротехнической лаборатории.
В этот период изобретатель начинает писать статьи, которые публикуются в специализированном издании «Электричество». Его смелые взгляды не остались незамеченными и широко обсуждались общественностью. В частности, он предлагал решительно бороться с дилетантизмом и требовал введения научного подхода в процесс технических разработок. Спустя некоторое время Михаил Осипович начал работать на одном из передовых электротехнических предприятий Эрликон из Швейцарии, а затем влился в ряды Всеобщей компании электричества (Германия), где проработал много лет.
Находясь долгие годы за рубежом, Михаил Осипович не порывал связь с Россией и при любой возможности приезжал на родину. Здесь он тесно контактировал с российскими коллегами, принимая участие в электротехнических съездах и других профессиональных форумах. После основания политехнического института в Петербурге, его планировали назначить деканом электромеханического факультета. Но из-за семейных проблем и занятости на работе приступить к обязанностям руководителя факультета он так и не смог.
Работы с асинхронным двигателем
Первые разработки Михаила Осиповича были связаны с устройствами постоянного тока. Изучая проблему в деталях, он не забывал знакомиться с новейшими теоретическими изысканиями авторитетных физиков. В частности, были глубоко изучены работы итальянского ученого Галилео Феррасиса, посвященные вращающемуся магнитному полю. Согласно его представлениям, КПД асинхронного двухфазного двигателя не превышает 50%, поэтому у такой техники нет будущего. Подобные выводы объяснялись рядом теоретических просчетов, которые впоследствии устранил русский электротехник.
Михаил Осипович сумел доказать, что для эффективной работы асинхронного двигателя понадобится вращающееся магнитное поле, которое можно создать используя трехфазную модель симметричного типа при условии сдвига фаз на 120 электрических градусов. Авторская конструкция была испытана в 1889 году и наглядно показала свое преимущество перед двухфазными аналогами Тесла и Феррариса. Как писал Доливо-Добровольский, уже в момент первого запуска удалось зафиксировать необычное для тех времен явление, когда попытки затормозить работу устройства с помощью конца вала не увенчались успехом. При этом сам моторчик имел очень скромные размеры.
В отличие от синхронных, асинхронные силовые установки начинают вращаться самостоятельно при поступлении тока. Для питания они используют три провода, соединяющихся с обмотками статора.
Однако успешные испытания не изменили мнения скептиков. Одна из главных величин мировой электротехники Томас Эдисон даже отказался взглянуть на это изобретение, в очередной раз заявив, что у переменного тока не может быть будущего. Несмотря на это автор сумел доработать устройство, которое в конструктивном плане принципиально не менялось до наших дней.
Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока разработанный Доливо-Добровольским. Рабочий экземпляр хранится в Московском Политехническом музее
Делитель напряжения
Важное значение в электротехнике получил разработанный Михаилом Осиповичем механизм деления напряжения постоянного тока с использованием «трехпроводной» системы распределения, в основе которой лежала индукционная катушка. Новое решение стало откликом на проблему, мешавшую распространению постоянного тока. Она была связана с невозможностью использования высокого напряжения при наличии ламп накаливания в сетях постоянного тока. Лампы производились для предельного напряжения не более 220 В и в сетях было недопустимо превышать эти значения.
Благодаря «трехпроводной системе», этот недостаток отчасти нивелировался. Она предоставляла возможность удваивать напряжение одновременно у зажимов питающего устройства и в сети посредством использования еще одного «уравнительного» провода малого сечения, с помощью которого соединялись зажимы ламп.
Трехфазные генераторы и трансформаторы
Доливо-Добровольский проводил огромную исследовательскую работу, связанную с функционированием генераторов переменного тока с двумя статичными обмотками и вращающейся металлической конструкцией. В этом устройстве вращательные движения совершает цилиндр, который соединен с двумя железными крестами. В процессе их вращения изменялся магнитный поток, проходящий через обмотки якоря, отчего возникала электродвижущая сила. Изобретатель и сам проектировал аналогичные приборы, но со временем точно предсказал, что их вытеснят устройства с вращающимися электромагнитами.
Одним из главных направлений деятельности изобретателя стало первое практическое использование трехфазного тока с целью передачи электричества. Явление обратимости (двигатель/генератор) магнитоэлектрических устройств находилось в центре внимания многих ученых. Но приведение в состояние механической работы одной машины постоянного тока с помощью тока другой впервые продемонстрировал французский инженер Фонтен в 1873 году на выставке в Вене. Однако широкого применения этот эксперимент не получил, так как сам автор был убежден, что способ годится лишь для передачи энергии малой мощности на короткие расстояния. Позднее над этой проблемой бились лучшие умы своего времени, но оптимальное решение удалось найти Доливо-Добровольскому.
Он предложил использовать для передачи трехфазный переменный ток, причем эта система обладает неоспоримым преимуществом перед двухфазным за счет применения только трех, а не четырех проводов. Подобная закономерность связана с особенностями трехфазного тока, где в любой момент сумма сил токов, которые движутся по трем проводам равна нулю. Подобный показатель имеют электродвижущие силы, вырабатываемые в фазах обмотки генератора. Это и позволяет использовать всего 3 провода.
Авторский трехфазный генератор переменного тока был сконструирован в 1888 году. Прибор мощностью около 3 кВт сумел привести в действие трехфазную силовую установку с кольцевидным сердечником, окруженную кольцами Грамма (проволочная обмотка в виде кольца). Но настоящий триумф был еще впереди.
В 1891 году во время франкфуртской электротехнической выставки была успешно осуществлена передача электричества между городом и Лауффенской электростанцией на реке Неккар, которые разделяет 175 км. Это событие стало первым случаем передачи электроэнергии с использованием переменного тока, став отправной точкой его окончательного превосходства. При этом трехфазная система русского изобретателя получила всеобщее признание. Доливо-Добровольский приложил немало сил для пропаганды необходимости использования трехфазного переменного тока и в итоге смог переубедить многих скептиков.
Трехфазный генератор переменного тока разработынный Доливо-Добровольским — был установлен на Лауффенской электростанции
В 1890 году Михаил Осипович предложил идею применения для трехфазных токов вместо трех трансформаторов одного устройства специальной конструкции. Его главным отличием стало наличие трех магнитных сердечников с обмоткой вместо двух. Они соединяются в конечной части ярмом кольцеобразной формы, что формирует три сцепленных магнитных потока. В целом практика показала правильность размышлений изобретателя, за исключением сверхмощных трансформаторов, в сегменте которых по ряду объективных причин по-прежнему отдается предпочтение серии однофазных устройств. В результате Доливо-Добровольский сумел спроектировать и внедрить все установки, необходимые для передачи трехфазного тока и распределения электроэнергии между потребителями.
В 1899 году он выступил на Всероссийском электротехническом съезде, где обобщил результаты своей деятельности. В частности, он рассказал о своем видении конструирования измерительных приборов, трансформаторов, двигателей и других электрических установок. Также автор доклада представил убедительные доводы в пользу трехфазного тока, главные из которых – экономичность при его передаче на большие расстояния и высокая производительность двигателей.
Другие изобретения
Доливо-Добровольский всерьез интересовался проблемой электротехнических измерений. Двигаясь в этом направлении, ему удалось создать особую разновидность электромагнитных вольтметров и амперметров, которые использовались для измерений постоянного и переменного тока. Впоследствии их начала производить фирма из Германии «Всеобщая компания электричества», где работал сам изобретатель.
В более поздних версиях электроизмерительных устройств, автор стал применять правило вращающегося магнитного поля переменного тока. Именно так сконструированы фазометры, ваттметры и частотомеры. Они характеризовались простотой использования, высокой надежностью и затем активно использовались в качестве приборов для распределительных щитов на электростанциях. В наши дни универсальная идея Доливо-Добровольского находит применение во множестве электроприборов.
Во время работы над электрическими генераторами Михаил Осипович понял важность значения точных расчетов величин потерь от гистерезиса и паразитных токов. Чтобы получить нужные данные без траты лишнего времени, он создал несложный прибор, которому для измерения было необходимо лишь небольшое количество материала (речь идет о стали, использовавшейся для сердечников машин). Он позволял узнать величину потерь с помощью обычного ваттметра и амперметра. Так был разработан прототип устройств, активно использующихся в измерительной практике как приборы Эпштейна.
Михаил Доливо-Добровольский скончался 15 ноября 1919 года в немецком городе Гейдельберге от обострившейся болезни сердца.
Михаил Осипович Доливо-Добровольский
Последнее десятилетие XIXстолетия ознаменовалось в технике событиями, которые можно назвать новым промышленным переворотом. Этот переворот, все последствия которого ещё до сих пор не выявились, оказавший глубочайшее влияние на технику и мировую экономику, создал возможность коревой реконструкции силового аппарата народного хозяйства на базе электрификации и самого широкого внедрения электрической энергии в технологию.
Этот переворот заключался во внедрении в практику многофазных, в частности трёхфазного, переменных токов и в связи с этим в практическом разрешении проблемы передачи электрической энергии на большие расстояния.
Михаил Осипович Доливо-Добровольский является создателем техники трёхфазных переменных токов и первым, кто на базе этой техники сделал возможным передачу электрической энергии с места её производства на практически произвольно большое расстояние к месту потребления.
Имя этого великого электротехника, крупного учёного и замечательного конструктора электрических машин и аппаратов принадлежит истории техники, а вместе с тем и истории культуры человечества. На какую бы сторону жизни и деятельности современного человека мы ни обратили внимания — всюду мы видим прямые или косвенные результаты трудов Доливо-Добровольского.
Его имя всегда будет являться символом неутомимых творческих исканий инженера и глубоко революционной научно-технической мысли. 1 Труды его — образец замечательно удачного применения данных науки для самых широких практических целей.
Михаил Осипович Доливо-Добровольский родился 3 января 1862 года в Петербурге в семье чиновника. В 1872 году семья М. О. Доливо-Добровольского переехала в Одессу, и он поступил в Одесское реальное училище. Блестяще окончив курс реального училища, он поступил в Рижский политехнический институт, решив посвятить себя деятельности инженера-механика.
Своё обучение в высшей школе М. О. Доливо-Добровольский начал в 1880 г.; студенчество в это время было весьма активно политически, и М. О. Доливо-Добровольский принимал непосредственное участие в деятельности студенческих революционных кружков. За участие в «беспорядках», связанных с мартовскими событиями 1881 г., М. О. Доливо-Добровольский был исключён из числа студентов без права поступления в какое-либо русское высшее учебное заведение. Двери высшей школы на родине закрылись перед М. О. Доливо-Добровольским на неопределённое время, и у него оставался один выход — поступить в одну из заграничных высших технических школ.
В это время электротехника уже зародилась как самостоятельная новая отрасль техники, а трудами наших соотечественников Яблочкова, Чиколева и Лодыгина получила ряд многообещающих и широких практических применений. Электротехникой заинтересовался М. О. Доливо-Добровольский ещё в Рижском политехническом институте, и при решении вопроса о том, куда переходить после репрессий, которым он подвергся в России, он остановился на Дармштадтском высшем техническом училище.
С осени 1881 г. по 1884 г. М. О. Доливо-Добровольский обучался на машиностроительном факультете в Дармштадте, изучая специально электротехнику. Электротехника того времени была, собственно говоря, техникой постоянного тока. Пренебрежительное и недоверчивое отношение к технике переменных токов было тогда характерным для подавляющего большинства электротехников.
К тому времени прошло всего несколько лет с тех пор, как П. П. Яблочкову удалось доказать практическую возможность и важность применения переменного тока, в частности для питания известной «свечи Яблочкова». Только что появились для осветительных установок первые генераторы переменного тока, построенные под сильным влиянием успехов электрического освещения свечами Яблочкова.
Такое положение в области электротехники не могло не сказаться на постановке преподавания электротехники и на подготовке инженеров-электриков. Высшая школа воспитывала тогда молодёжь почти исключительно на идеях генерирования и применения постоянного тока.
М. О. Доливо-Добровольский, выдающиеся инженерные способности которого сказались уже в ранних студенческих работах, в совершенстве изучил постоянный ток и его применение. На последнем курсе в Дармштадте он сделал довольно существенное изобретение: он впервые предложил пусковую схему для шунтового двигателя постоянного тока, что оказало непосредственное и сильное влияние на развитие электрического привода на постоянном токе.
Окончив с высшими оценками Дармштадтское высшее техническое училище, М. О. Доливо-Добровольский сразу получил возможность самостоятельно работать в качестве конструктора у незадолго перед этим организовавшейся в Германии электротехнической Эдисоновской компании, впоследствии преобразованной в фирму «Всеобщая компания электричества».
На предприятиях этого концерна М. О. Доливо-Добровольский работал всю свою жизнь, за исключением периода 1903— 1909 гг., когда он работал в Швейцарии, и периода 1914—1918 гг., когда он, являясь русским подданным, во время мировой войны покинул пределы Германии.
Первые работы М. О. Доливо-Добровольского в качестве практического инженера относились к системам постоянного тока. Занимаясь разработкой практических задач из этой области, М. О. Доливо-Добровольский не отрывался от важнейших течений и событий теоретической мысли. Ему стали известны теоретические работы итальянского физика и электротехника Галилео Феррариса по вращающемуся магнитному полю, в которых было указано, что два переменных тока, отличающихся по фазе на 90°, могут производить работу в соответственно расположенных магнитных полях, действуя на могущий вращаться медный цилиндр.
Как известно, идеи Феррариса вначале не обратили на себя внимания широких кругов электротехников, тем более, что сам Феррарис утверждал, что коэффициент полезного действия при таком способе получения механической работы не будет превышать 50%. Не прошли мимо работ Феррариса два молодых электротехника, которые приобрели впоследствии мировую известность: серб Никола Тесла и русский М. О. Доливо-Добровольский.
Тесла, исходя из принципа вращающегося магнитного поля, построил двухфазные генератор и двигатель переменного тока. Его работы были подробно доложены Американскому институту инженеров-электриков в мае 1888 г.
Построенные им двухфазные электрические машины не содержали ни скользящих контактов, ни коммутатора, либо коллектора. Для их действия достаточно было трёх проводов вместо четырёх. На Ниагарской гидроэлектростанции, построенной в 1896 г., были установлены такого рода двухфазные генераторы переменного тока.
М. О. Доливо-Добровольский по-своему, совершенно оригинально, глубоко научно подошёл к вопросу о теории и применении вращающегося магнитного поля. Изучение некоторых явлений в машинах постоянного тока, предпринятое для совершенно других целей, не имевших связи с явлением вращающегося магнитного поля, привело его интуитивно к признанию ошибочности выводов Феррариса. Он предполагал, что коэффициент полезного действия электродвигателей, действующих на принципе вращающегося магнитного поля, может быть значительно выше 50%, а следовательно, так называемые многофазные электрические машины переменного тока могут получить большое значение для практики.
С 1888 г. М. О. Доливо-Добровольский начал изучать многофазные системы, для которых он установил особое название, утвердившееся в электротехнической терминологии. М. О. Доливо-Добровольский поставил себе задачу создать вращающееся поле, более совершенное, чем двухфазное, полученное и применённое Тесла в своих электродвигателях.
После ряда изысканий он построил в 1888 г. первый трёхфазный генератор переменного тока мощностью около 3 киловатт, от которого он привёл в действие свой первый трёхфазный двигатель со статором в виде кольца Грамма, питаемого в трёх точках, и ротора в виде сплошного медного цилиндра.
Дальнейшие работы привели его к построению трёхфазного двигателя с ротором из литого железа с насаженным полым медным цилиндром. Этот ротор оказался лучше первого; ещё более совершенным оказался следующий тип ротора — с беличьим колесом.
Одновременно М. О. Доливо-Добровольский исследовал соединения звездой и треугольником и экспериментировал с токами различных напряжений и с машинами, имеющими разное число пар полюсов. В течение года он разрешил главнейшие проблемы, связанные с построением трёхфазных электрических машин, и в 1889 г. результаты его трудов были демонстрированы на опытной установке, поразившей всех электротехников своими небольшими размерами при заданной мощности трёхфазного двигателя. Налицо было начало нового периода в развитии применения электричества для практических целей, хотя не все это признавали.
Среди лиц, которые сдержанно отнеслись к полученным им результатам, был Т. А. Эдисон, посетивший М. О. Доливо-Добровольского в 1889 г. и непосредственно познакомившийся с его трёхфазной системой.
Триумф системы трёхфазного тока относится к 1891 г., когда на Франкфуртской электротехнической выставке было произведено генеральное испытание этой системы в виде передачи электроэнергии от Лауффенского водопада во Франкфурт на Майне (расстояние между «ими — 175 км).
К этому времени М. О. Доливо-Добровольский стал строить мощные асинхронные трёхфазные двигатели и построил первые трёхфазные трансформаторы. В нескольких километрах от Гейльброна на р. Некаре, где родился Роберт Майер, один из творцов закона сохранения энергии, в живописном местечке Лауффене находился небольшой цементный завод, пользовавшийся для своих нужд энергией водопада на р. Некар. Завод мог потреблять для своих нужд лишь небольшую часть получаемой энергии, и заводовладельцы решили использовать её в полном масштабе посредством передачи в Гейльброн.
Опыты Марселя Депре, произведённые в 1882 г. на Мюнхенской электротехнической выставке, показали принципиальную возможность такой передачи. Но к 1890 г. техника получила в результате трудов М. О. Доливо-Добровольского трёхфазный переменный ток. Используя это новое техническое средство, было решено устроить передачу электроэнергии из Лауффена не в близлежащий Гейльброн, а во Франкфурт-на-Майне.
Эта задача была блестяще решена. Трёхфазным током напряжением 8500 вольт удалось передать на 175 км мощность в 300 лошадиных сил с коэффициентом полезного действия 77,4%. М. О. Доливо-Добровольский построил для этой установки повышающие и понижающие трёхфазные трансформаторы своей системы и асинхронный двигатель своей конструкции.
Успех М. О. Доливо-Добровольского превзошёл все самые смелые ожидания, и трёхфазный переменный ток стал с этого времени всеми признаваться и постепенно занял доминирующее положение в электротехнике. Передача электрической энергии на расстояние получила своё первое практическое разрешение при достаточно высоком коэффициенте полезного действия, положив, таким образом, начало решению комплекса проблем, входящих в широкое понятие электрификации.
На Франкфуртской выставке 1891 г. М. О. Доливо-Добровольскому удалось сделать ещё одно очень важное открытие: он обнаружил повышение напряжения на зажимах генератора в Лауффене при включении незамкнутой во Франкфурте высоковольтной линии. Он дал научное объяснение этому явлению, указав, что это есть реакция якоря генератора на ёмкостную нагрузку, опубликовав по этому поводу обстоятельную статью в 1891 г. М. О. Доливо-Добровольскому принадлежит много других работ я изобретений, относящихся к разным областям электротехники.
Так, им была построена трёхпроводная машина постоянного тока с индукционной катушкой для среднего провода, ряд измерительных электрических приборов с мягким железом, фазометр своей оригинальной конструкции и многочисленные другие электрические приборы и аппараты.
Перечислить все его изобретения и усовершенствования, внесённые им в электротехнику, это значит не только изложить историю зарождения и развития систем трёхфазного тока, но и затронуть главнейшие моменты истории современной электротехники, среди основоположников которой М. О. Доливо-Добровольскому принадлежит ведущее место.
Интересно отметить некоторые особенности творческих методов М. О. Доливо-Добровольского. Во всех своих работах он тщательно, настойчиво доискивался до основных физических явлений в том или ином процессе, широко пользуясь интуицией учёного-электротехника и никогда не прибегая к математическому анализу явлений. М. О. Доливо-Добровольский создавал для себя рабочие гипотезы и производил на их основе инженерно-технические расчёты конструкций.
Выполненные им на основании расчёта конструкции после испытания и анализа результатов давали М. О. Доливо-Добровольскому возможность оценить правильность понимания им сущности физического явления и пригодность принятой рабочей гипотезы.
После М. О. Доливо-Добровольского не осталось теоретических работ, но все методы расчёта, установленные им, были всегда совершенно правильны и не потеряли своего практического значения до нашего времени.
М. О. Доливо-Добровольский положил много труда для научно-технической пропаганды применений трёхфазного переменного тока. Посредством бесед, научных диспутов, докладов и монографий он добился того, что у него в этом деле не осталось идейных противников.
Те, кто лично знал М. О. Доливо-Добровольского, свидетельствуют, что он серьёзно относился к обоснованным возражениям и всегда готов был усвоить то полезное, что исходило от оппонентов. Но к необоснованным возражениям он относился с уничтожающей иронией, разбивая своих слишком лихих противников глубоко саркастическими замечаниями, облечёнными при этом в исключительно корректную внешнюю форму.
Среди электротехников он был известен как бескорыстный консультант, много помогавший своими советами всем, а особенно молодым инженерам. В 1901 г. при организации Петербургского политехнического института М. О. Доливо-Добровольскому было сделано предложение занять в нём кафедру электротехники и, таким образом, возглавить первую русскую высшую школу сильноточной электротехники.
Отсутствие в России электротехнических заводов, на которых М. О. Доливо-Добровольский мог бы продолжать свои технические и конструкторские работы и совместить научно-педагогическую деятельность с практической работой, удержало его от принятия приглашения. Между тем отношения его с немецкими предпринимателями, у которых он работал, были строго официальными и даже недружелюбными; он всегда во всём сохранял независимость суждений. На их предложения отказаться от русского подданства он отвечал резким отказом. При объявлении в 1914г. войны М. О. Доливо-Добровольский немедленно уехал в Швейцарию и до 1918 г. жил в новой эмиграции.
Последние годы своей жизни М. О. Доливо-Добровольский был занят мыслью о передаче энергии на большие расстояния, применяя постоянный ток высокого напряжения. Свои взгляды по этому вопросу он изложил в обстоятельном докладе «О пределах возможности передачи энергии на расстояние переменным током», вызвавшем чрезвычайно оживлённый, отчасти даже обострённый, обмен мнениями.
В своём докладе М. О. Доливо-Добровольский указывал, что при передаче энергии на большие расстояния, исчисляющиеся сотнями и тысячами километров, влияние ёмкости и самоиндукции линии электропередачи ограничит применимость переменных токов для этой цели. Доказывая преимущества подземных кабельных сетей перед воздушными для дальних электропередач, он указывал, что для этого случая ещё более узки границы применимости переменного тока.
Будущее развитие электротехники М. О. Доливо-Добровольский видел в дальних электропередачах постоянным током высокого напряжения по подземным кабелям. Как известно, эта проблема не потеряла своего значения и теперь, спустя более трёх десятков лет после того, как М. О. Доливо-Добровольский её выдвинул; она снова ставится в порядок дня как технически и экономически обоснованная и как весьма важная для народного хозяйства. М. О. Доливо-Добровольский разрабатывал этот вопрос до последних дней своей жизни.
Смерть его, происшедшая 15 ноября 1919 года от сердечной болезни, прервала его работы в самом разгаре. М. О. Доливо-Добровольский был многосторонне образован и исключительно культурен; трудно указать такую глубокую общечеловеческую проблему, в обсуждении которой М. О. Доливо-Добровольский не проявил бы оригинальности и глубины взглядов. Здесь ему на помощь приходило прекрасное знание мировой литературы и искусства. Все, кто его знал, отмечали в нём не только наличие большого ума, твёрдого характера, но и особой сердечности — свойств, присущих действительно выдающимся людям.
Его смерть, как смерть замечательного деятеля технического прогресса, прославившегося крупнейшими работами, и человека исключительной душевной чистоты, полного лучших побуждений, была встречена с неподдельной скорбью инженерами всего мира.
Источник информации: Люди русской науки: Очерки о выдающихся деятелях естествознания и техники / Под ред. С.И. Вавилова. — М., Л.: Гос. изд-во техн.-теоретической лит-ры. — 1948.