4. Вторичный двигатель
4. Вторичный двигатель
Кооперация современников
Мощность магнитоэлектрических машин зависела главным образом от силы магнита, возбуждающего в катушках электрические токи. К усилению этих магнитов и стремились конструкторы. Однако многого они в этом направлении не добились.
Некоторый успех имел немецкий механик Эмиль Штерер. Он построил магнитоэлектрическую машину, конструктивно похожую на двигатель Якоби. Штерер установил по кругу три сложных стальных магнита, а против них расположил столько же электромагнитов, вращающихся на общей оси. Машина Штерера считалась наиболее сильной, и в 1844 году она употреблялась, между прочим, в германских театрах в качестве источника энергии для восходящего солнца в опере «Пророк».
Другое практическое применение нашла машина Нолле, установленная в 1849 году для освещения маяка.
Это была очень громоздкая машина. Приводил ее в действие паровой двигатель.
В магнитоэлектрические машины некоторое улучшение внес Вернер Сименс. Он предложил новую конструкцию вращающейся части, называемой якорем. Это название распространилось на катушки с их железным сердечником потому, что сердечники их имели вид якоря. Якорь Сименса состоял из железного цилиндра с двумя продольными желобами, в которых и помещалась проволока, намотанная по направлению оси цилиндра. Такой цилиндр лучше вращался, ближе подходил к магнитам, полнее ими окружался и давал более равномерный ток.
Все это было очень хорошо, но магнитоэлектрические машины нуждались не в отдельных улучшениях, а в решительной перестройке.
Основной порок этих машин заключался в следующем.
Во всех магнитоэлектрических машинах для усиления мощности тока приходилось брать большое количество массивных магнитов.
Увеличивая набор магнитов, конструкторы выигрывали немного. Машина резко увеличивалась в размерах, в весе, в стоимости, а сила магнитов повышалась в очень слабой степени. И, хотя всем было известно, что электромагниты обладают значительно большей силой, чем стальные магниты, никому не приходила в голову простая мысль — вместо слабосильной магнитной части машины поставить электромагнит. Конечно, для электромагнита нужен ток, но тут можно было пользоваться и гальванической батареей. Можно было бы получать его и от маленькой дополнительной магнитоэлектрической машины, приводимой в действие от того же двигателя. Технических трудностей тут не встречалось. Мысль о замене постоянных стальных магнитов электромагнитами, очевидно, так долго не появлялась лишь благодаря косности привычного мышления, благодаря предвзятости его.
Преодолел этот привычный взгляд на магнитоэлектрическую машину раньше всех английский инженер Уайльд из Манчестера. В 1866 году, весной, он построил обычную магнитоэлектрическую машину с якорем Сименса, но только неподвижные стальные магниты он заменил электромагнитом, получавшим ток от маленькой магнитоэлектрической машины старого типа.
Эта — теперь уже электромагнитная, а не магнитоэлектрическая — машина Уайльда оказалась несравненно более мощной, чем старые машины. Видевшим ее оставалось только удивляться, как это они сами не додумались до такой простой, удобной и выгодной конструкции. Машина Уайльда получила широкую известность среди электротехников.
Стоило Вернеру Сименсу взглянуть на новую конструкцию, как у него, естественно, возникла мысль о том, чтобы, воспользовавшись для возбуждения электромагнита током самой же машины, достигнуть того же эффекта еще проще. Не прибегая к теоретическому обсуждению вопроса, Сименс удалил меньшую магнитоэлектрическую машину, а провода якоря соединил с проводами электромагнита и таким образом ток, который мог возникнуть в якоре, направил в обмотку электромагнита.
Казалось необходимым перед пуском машины пропустить в якорь откуда-нибудь ток, но Сименс, конечно, знал, что в этом нет никакой надобности, так как в железном теле якоря всегда есть так называемый «остаточный магнетизм». Этого остаточного магнетизма оказалось достаточно для того, чтобы при вращении якоря в его проводах возникал электрический ток, хотя и очень слабый.
Отведя этот ток в обмотку электромагнита, Сименс усиливал его магнитность, хотя и в самой малой степени, уже при первых оборотах якоря. Но увеличение мощности электромагнита усиливает индукционные токи в якоре, идущие обратно в обмотку электромагнита, благодаря чему еще больше усиливается электромагнит и происходит теоретически неограниченное взаимное усиление электромагнита и индукционных токов. Сила тока возрастала тут от простого повышения скорости вращения якоря.
Опыты со своей динамо-электрической машиной без постоянных стальных магнитов Сименс закончил в декабре 1866 года. Он торопился заявить свои права на новую конструкцию.
Идею самовозбуждающегося электромагнитного генератора все предшествующее развитие электротехники подготовило настолько, а кооперация современников, работавших над той же задачей, была так обширна, что каждый день можно было ожидать появления точно таких же динамо-электрических машин.
Опасаясь прежде всего Уайльда, Сименс проявил исключительную энергию в постройке машины и принял все меры к тому, чтобы опередить других изобретателей.
Сделав свое открытие, что «при помощи одних катушек и мягкого железа можно превращать механическую энергию в электрический ток», он немедленно берет патент на машину с самовозбуждением и пишет брату Вильгельму Сименсу в Лондон:
«При правильной конструкции эффект должен быть поразительным. Эта идея легко осуществима и может открыть эру в области электромагнетизма. Машина будет готова через несколько дней. Сделай и ты изыскания, чтобы Уайльд, который также стоит близко у цели, не опередил нас. Магнитное электричество сделается дешевым, станет доступным и применимым для освещения, гальванометаллургии и много другого».
Одновременно Сименс представляет в Берлинскую академию свой доклад о «динамо-электрическом принципе» в магнитоэлектрических машинах и такой же доклад высылает в Лондон брату для Королевского общества. Этот доклад 14 февраля 1867 года Вильгельм зачитывает на заседании общества, когда выясняется, что братья спешили не напрасно. На том же заседании с аналогичным сообщением выступил профессор Уитсон, который тут же продемонстрировал небольшую машину, им сконструированную.
Сименсы опередили Уайльда, но выступление Уитсона было для них неожиданным. Встревоженный Сименс рекомендовал брату в защиту его приоритета указать, что доклад Берлинской академии был представлен на месяц раньше и что Королевскому обществу доклад был вручен за две недели до заседания, на котором выступил Уитсон.
Несомненно, что Вернер Сименс был только одним из многих, кому пришла мысль о самовозбуждающемся генераторе электрического тока.
Его преимущество перед другими состояло в том, что он имел в своем распоряжении готовые мастерские с хорошим оборудованием и первоклассными рабочими, огромные связи в деловом мире и был неразборчив в средствах для достижения цели.
Вскоре якорь Сименса был заменен якорем другой формы, основанной на изобретении итальянца Пачинотти.
Еще в 1860 году Пачинотти построил магнитоэлектрическую машину, дававшую токи постоянной мощности и направления. Пачинотти взял вместо катушки кольцо из мягкого железа и обмотал его изолированной проволокой. Кольцо он вращал между полюсами магнитов. В одной половине такого кольцеобразного якоря ток шел по проволоке слева направо, а в другой, наоборот, — справа налево, а на кольце получались две точки с постоянным направлением тока.
Соединив эти точки вне машины проводником, Пачинотти получил в нем постоянный ток. К подобной же идее кольцеобразного якоря пришел десять лет спустя рабочий компании «Альянс» Грамм, независимо от Пачинотти, об изобретении которого все эти десять лет не знал никто, даже Сименс. В якоре Пачинотти — Грамма нагревания почти не происходило. Это изобретение далеко подвинуло вперед конструкцию генератора электрического тока.
Дальнейшее развитие конструкции генераторов электрического тока шло главным образом по пути увеличения их мощности.
Истинный переворот динамо-машина произвела во всей индустрии после того, как было использовано свойство обратимости электромагнитной машины: при питании динамо-машины электрическим током от постороннего источника она сама становится двигателем.
Таким образом, вместе с динамо-машиной был создан и электродвигатель.
Свойством обратимости динамо-машины Сименс воспользовался прежде всего для создания электрической тяги. После телеграфа и освещения это была третья область практического использования электрической энергии.
В 1879 году Сименс продемонстрировал на Берлинской промышленной выставке модель трамвайной линии, вернее — электровоза, тянувшего за собой три вагончика. Электродвигатель мощностью в 13 лошадиных сил, помещенный на четырехколесной тележке, работал непосредственно на движущую ось электровоза. Этот электрический поезд, рассчитанный на семьдесят восемь пассажиров, ходил по узкоколейному кругу длиной в триста метров, со скоростью около семи километров в час. Он пользовался большим успехом на выставке.
Электродвигатель питался током от провода, проложенного в рельсах дороги. Ток этот давала динамо-машина, вращаемая паровым двигателем на маленькой электростанции.
Демонстрация первого электровоза наглядно доказала, что электрический ток пригоден не только для тонкой работы включения и выключения, как это было на телеграфе, но вполне может выполнять и всякие другие функции, вплоть до самых «тяжелых работ» на транспорте.
Электропоезд Сименса пользовался большим успехом на выставке.
Успех выставочной электрической дороги побудил фирму «Сименс и Гальске» закрепить за собой права на изобретение и начать постройку таких дорог в более широком масштабе. Вместе с тем фирма выпустила и свой первый рудничный электровоз, предназначенный для работы в копях.
Через десять лет была открыта для публики первая электрическая дорога, длиной около трех километров, в Лихтерфельде, близ Берлина. Это был электрический трамвай с питанием током через рельсы. Электродвигатель помещался под полом вагона, между осями; колеса он вращал с помощью передачи в виде стального троса.
На обеих площадках вагона были установлены рычаги: один управлял обыкновенным механическим тормозом, а другой служил для управления электродвигателем, то есть скоростью хода и переменой прямого хода на обратный.
Дальнейшее развитие трамвая пошло в том же направлении, без существенных изменений конструкции. Лишь вместо неудобной проводки тока по рельсам электротяга перешла на воздушную проводку. Трамвай показал все преимущества электротяги, и вскоре началась электрификация железных дорог, сперва в туннелях и пригородных участках, а затем и на магистральных линиях.
Электротехника стала важнейшей областью промышленности, а электродвигатель занял виднейшее место в мировом хозяйстве, как вторичный двигатель.
Создание его, как мы видели из нашего беглого очерка, не было делом рук одного человека, как и других изобретений, хотя мы и приписываем их тому или другому лицу. На вторичном двигателе, однако, наиболее ярко сказывается основной закон, провозглашенный Марксом: «Всякое изобретение, всякое открытие, всякий научный труд является общим трудом. Он обусловливается частью кооперацией современников, частью использованием работы предшественников».
С еще большей силой сказался этот закон на дальнейшем развитии и совершенствовании вторичного двигателя.
Вторичным мы называем электродвигатель потому, что в нем мы вторично получаем механическую энергию. Полученная в первичном двигателе — скажем, в водяной турбине — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию генератором, а электрическая энергия превращается электродвигателем снова в механическую. В развитии производительных сил роль такого вторичного двигателя огромна: он позволяет с исключительными удобствами везде и всюду применять движущую силу, добытую где угодно и каким угодно способом.
С установлением способности тока высокого напряжения передаваться на значительные расстояния без больших потерь явилась возможность полученную в одном месте энергию передавать в другое место и уже здесь превращать ее в механическую, применяя электродвигатель. Началось строительство гидроэлектростанций, дававших дешевую энергию, началось бурное развитие электротехники и внедрение электродвигателя во все области промышленности.
Этот новый период развития электротехники, ознаменовавшийся созданием совершенных генераторов электрического тока, изобретением «свечи Яблочкова» и «лампочки накаливания» Лодыгина и широчайшим распространением электрического освещения, теоретическими исследованиями Столетова, наконец, изобретением радио Поповым, главным образом связан с трудами русских ученых и изобретателей.
Исключительное значение работ русских инженеров в истории развития электродвигателя явилось настолько общепризнанным, что авторитетный французский журнал «Электрический свет» писал в 1880 году:
«Мы решили посвящать особую главу прогрессу электричества в России: развитие этой отрасли промышленности в России заслуживает настоящей оценки у нас, во Франции, где оно мало известно не потому, что не представляет интереса, а потому, что у нас слишком мало лиц, знакомых с языком обширной северной империи».
Особенную же услугу инженерам-электротехникам в этом деле оказала докторская диссертация знаменитого русского физика Александра Григорьевича Столетова «Исследование о функции намагничения мягкого железа». С помощью измерений, которые впервые проделал в своей работе Столетов, определяется теперь магнитная проницаемость для различных сортов железа и стали, и на основе этих данных ведется проектирование всех генераторов и двигателей в электротехнике.
Хотя диссертационная работа Столетова имела чисто теоретический характер, Александр Григорьевич как типичный представитель передовой науки указывал в заключение и на практическое значение произведенных им исследований:
«Изучение функции намагничения железа может иметь практическую важность при устройстве и употреблении как электромагнитных двигателей, так и тех магнитоэлектрических машин нового рода, в которых временное намагничение железа играет главную роль… Знание свойства железа относительно временного намагничения так же необходимо здесь, как необходимо знакомство со свойствами пара для теории паровых машин».
Работы Столетова положили начало теоретическим исследованиям вопросов электротехники, развивавшейся тогда в основном эмпирическим путем. Это было и начало нового периода развития электротехники. Теоретические исследования стали намечать правильные пути для разрешения вопросов, связанных с конструированием электрических машин и дальнейшим использованием электричества как энергетического источника.
Если в первом периоде развития электротехники всеобъемлющей проблемой являлась проблема создания генераторов электрического тока, то во втором периоде, когда эти генераторы были созданы, задача стала сводиться уже к тому, чтобы использовать их во всей полноте для практических нужд.
Препятствием для широкого использования электроэнергии являлась невозможность передавать ее на значительное расстояние — от места производства электроэнергии до места потребления.
И эта задача величайшего значения была разрешена русскими учеными и инженерами.
В 1880 году специальный русский журнал «Электричество» в ряде номеров начал публикацию статей профессора физики Петербургского лесного института Дмитрия Александровича Лачинова о применении электродвигателей и о передаче электрической энергии. Лачинов показал, что дальнейшее промышленное использование электродвигателей зависит не от их конструкции, а от возможности «провести механическую силу к рабочему, вместо того чтобы заставлять его приходить к источнику силы». В результате своих теоретических соображений русский ученый предложил для передачи «электрической силы, распределяемой подобно воде и газу», пользоваться токами высокого напряжения, но малой силы.
Этим предложением воспользовался ассистент профессора Столетова, талантливый изобретатель и конструктор Иван Филиппович Усагин. Летом 1882 года на Всероссийской промышленной выставке он осуществил передачу электроэнергии на значительное расстояние для освещения выставки.
Следуя тому же простому предложению Лачинова, француз Марсель Депре сначала в Париже в 1881 году, а затем в Мюнхене в 1882 году демонстрировал свои установки передачи электроэнергии.
Эти опыты произвели огромное впечатление, так как открывали широчайшие возможности для использования вторичного двигателя повсюду, где имеется нужда в механическом двигателе, вне зависимости от местонахождения генератора электрического тока.
В одном из своих писем Энгельс писал:
«Паровая машина научила нас превращать тепло в механическое движение, но использование электричества откроет нам путь к тому, чтобы превращать все виды энергии — теплоту, механическое движение, электричество, магнетизм, свет — одну в другую и обратно п применять их в промышленности. Круг завершен. Новейшее открытие Депре, состоящее в том, что электрический ток очень высокого напряжения при сравнительно малой потере энергии можно передавать по простому телеграфному проводу на такие расстояния, о каких до сих пор и мечтать не смели, и использовать в конечном пункте, — дело это еще только в зародыше, — это открытие окончательно освобождает промышленность почти от всяких границ, полагаемых местными условиями, делает возможным использование также и самой отдаленной водяной энергии, и если вначале оно будет полезно только для городов, то в конце концов оно станет самым мощным рычагом для устранения противоположности между городом и деревней. Совершенно ясно, что благодаря этому производительные силы настолько вырастут, что управление ими будет все более и более не под силу буржуазии».
Открывая широчайшие перспективы перед вторичным двигателем, опыты Усагина и Депре, конечно, еще не осуществляли этих перспектив. Практическое значение передача электроэнергии на расстояние приобрела только после того, как в 1890 году блестящий русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский сконструировал очень простой и удобный так называемый асинхронный электродвигатель трехфазного тока. Совместно с другим русским инженером, Робертом Эдуардовичем Классоном, он построил линию электропередачи в Германии между Лауфеном и Франкфуртом, начавшую работать 25 августа 1891 года. Эта историческая линия показала возможность передачи электроэнергии с незначительными потерями от генератора тока к потребителю на расстояние около 170 километров.
То был крупнейший успех электротехники. Началось применение электропередач на большие расстояния, открывшее, в свою очередь, возможность использования прежде всего гидравлических двигателей для производства дешевой энергии, а также и паровых машин, работающих на местном топливе.
Благодаря дешевизне электроэнергии роль электродвигателя возросла необычайно. Вторичные двигатели не только не умалили значения первичных двигателей, но и еще более подняли их значение в связи с повсеместно начавшимся строительством как городских, так и местных электростанций, обслуживавших фабрики, заводы, промышленные предприятия, общественные здания.
Первые электростанции в России были построены в 1883 году и предназначались в основном для осветительных целей.
Перед Великой Октябрьской социалистической революцией у нас было всего 289 небольших городских электростанций и несколько больше — совсем уже мелких, промышленных.
Совершенно иной характер и размах электрификация получила после Октябрьской революции в нашей стране, когда В. И. Ленин выдвинул гениальный план электрификации всей страны.
«…Если не перевести Россию на иную технику, более высокую, чем прежде, — говорил Владимир Ильич на Московской губернской конференции РКП (б) в 1920 году, — не может быть речи о восстановлении народного хозяйства и о коммунизме. Коммунизм есть Советская власть плюс электрификация всей страны, ибо без электрификации поднять промышленность невозможно…»
В декабре 1920 года Государственной комиссией по электрификации России был представлен VIII Всероссийскому съезду Советов доклад об электрификации страны, который и был утвержден съездом.
Инициатором и вдохновителем изложенного в докладе плана электрификации был В. И. Ленин, а разработка его велась под руководством академика Г. М. Кржижановского.
План ГОЭЛРО стал программой электрификации всей страны, принятой за основу ее хозяйственного восстановления. Однако впоследствии роль его далеко вышла из этих рамок, так как он послужил могучим рычагом и для коренной реконструкции всех отраслей народного хозяйства на основе электротехники.
План ГОЭЛРО был принят, когда страна находилась в тягчайшей обстановке, порожденной первой мировой и гражданской войнами. Многик казалось безумной мечтой говорить об электрификации технически отсталой, разоренной молодой Страны Советов, окруженной враждебным капиталистическим миром.
Ленинская идея электрификации страны была проникнута глубочайшей мудростью и предвидением: речь шла не только о создании новых энергетических мощностей, но и о переводе хозяйства страны на современные технические рельсы. Под руководством Коммунистической партии была развернута энергичнейшая борьба за осуществление этого плана.
В 1913 году Россия занимала по выработке электроэнергии одно из последних мест в мире. План ГОЭЛРО начал осуществляться еще при жизни Ленина. В 1922 году были построены Каширская электростанция, электростанция «Красный Октябрь», началось сооружение Волховской и Земо-Авчальской электростанций. А к 1928 году, после того как в строй вступили Горьковская электростанция, Шатурская имени В. И. Ленина, Штеровская, Узбекская, Волховская имени В. И. Ленина и ряд других, после того как были пущены новые мощные агрегаты на старых электростанциях, общая их мощность увеличилась почти до 2 миллионов киловатт. За пятнадцать лет, прошедших после утверждения плана ГОЭЛРО, эта мощность увеличилась вдвое, и к концу 1935 года план ГОЭЛРО был перевыполнен почти втрое. Советский Союз по производству электроэнергии занял второе место в Европе и третье в мире, а затем, к 1960 году, вышел уже на второе место в мире.
В техническом же отношении важно то, что мы перешли от маломощного силового оборудования к крупнейшим электрическим генераторам и, наконец, создали в короткий срок собственные турбостроительные и электропромышленные предприятия.
На строительстве гидроэлектростанции.
Наша техника с первых же месяцев победы советской власти была направлена Коммунистической партией на решение задач, связанных с построением социалистического общества.
Широкий размах строительства тепловых и гидравлических электростанций в Советском Союзе свидетельствует о том, что Коммунистическая партия твердо и последовательно проводит ленинский курс на преимущественное развитие тяжелой индустрии и электрификацию страны.
Внедрение электродвигателя во все области промышленности и транспорта необыкновенно повысило распространение, мощность и значение гидравлического двигателя. Но оно отразилось и на других типах двигателей, оказавшихся удобными для соединения с генераторами электрического тока.