Изобретатели осветительных приборов уже давно заметили, что для питания дуговых ламп можно пользоваться не постоянным, выпрямленным током, а током переменного направления. Это значительно упрощало задачу. Электрогенератору переменного тока ненужным становился коллектор. Конструкция машины оказывалась проще, а следовательно, и дешевле.

Сначала генераторы переменного тока находили себе применение только для нужд освещения, и динамо-машины, вырабатывавшие постоянный ток, держали первенство. Но постепенно в действие вступали и другие факторы, стимулировавшие развитие машин, вырабатывающих переменный электрический ток.

Наступил период, когда машины переменного тока, казалось, вообще начали вытеснять динамо. Но с изобретением трансформатора оба типа генераторов в конце концов сравнялись по своему значению, и каждый обрел в электротехническом хозяйстве свою область применения.

Машина переменного тока Грамма

Машины переменного тока, начиная от выпущенной «Компанией Альянс», можно четко разделить на две группы. Если первая содержит в себе ранние образцы машин в общем-то для единичных применений переменного тока, то ко второй группе относятся электромашины отраслевые, то есть изготовленные специально для отраслей, пользующихся переменным током. В конце XIX столетия к таковым относились, например, машины предприятия Сименса и Гальске.

Особенно широко производство генераторов переменного тока развилось с постройкой центральных электростанций и линий электропередачи (ЛЭП).

Машина переменного тока фирмы «Сименс и Гальске» и рядом машина постоянного тока для возбуждения электричества

Главное достоинство переменного тока – возможность его трансформации. Использовать же эту возможность помогла катушка Румкорфа, имевшая вначале две одинаковые обмотки. Но в 1882 году французский электротехник Люсьен Голяр и английский банкир Дж. Д. Гиббс получили во Франции патент на катушку Румкорфа с разным числом витков в первичной и вторичной обмотках, названную ими преобразователем напряжения. Она позволила получать на вторичной обмотке более высокое напряжение переменного тока. Кроме того, напряжение на вторичной обмотке регулировалось выдвижением стержней сердечников. Эти трансформаторы были установлены в лондонском метрополитене на подстанциях и служили для освещения подземных помещений.

Демонстрировалось изобретение Голяра и на Туринской выставке в 1884 году. Но к этому времени братья Джон и Эдуард Гопкинсоны в Англии придумали первый трансформатор с замкнутым сердечником, который обладал существенно лучшими характеристиками по сравнению с катушкой, снабженной простым стержневым сердечником.

После создания однофазного трансформатора с замкнутым сердечником и параллельным включением обмоток стала возможна передача электроэнергии переменным током высокого напряжения на большие расстояния с малыми потерями.

«Вторичный генератор» – трансформатор Голяра и Гиббса

Трансформаторы послужили одним из решающих аргументов в пользу перехода на переменный ток. Но и сторонники более изученного и привычного постоянного тока не сдавались. Постоянный ток был необходим для телеграфии, в электрометаллургии, на транспорте, для прокатных станов и блюмингов, в судостроении.

Споры между приверженцами разных систем получили название «трансформаторных битв», настолько они были непримиримыми. Среди сторонников постоянного тока нашлось немало талантливых конструкторов. Они нашли способ заставить ток высокого напряжения вращать электродвигатель, соединенный с динамо-машиной, которая давала ток низкого напряжения. Это определило создание трансформаторов постоянного тока.

Промышленный интерес к подобным машинам проявила фирма «Шуккерт и К^о» в Германии. Во Франкфурте-на-Майне изобретатель Лемейер придумал разместить на одном якоре машины две обмотки: одну со множеством витков тонкой проволоки, а другую с малым количеством витков толстого провода. Каждую обмотку он соединил со своим коллектором. Получилась машина, объединяющая в себе и двигатель, и генератор. Назвали ее умформером, машиной, способной преобразовывать постоянный ток одного напряжения в постоянный же ток другого напряжения, то есть трансформатор постоянного тока.

Трансформатор постоянного тока Лемейера

Напряжение в однофазных цепях легко было повышать и понижать с помощью трансформаторов в любых пределах. Это снимало главную проблему передачи электроэнергии на расстояние. Но однофазные синхронные двигатели либо не имели пускового момента, либо запускались с большим трудом. И это сужало область применения однофазного переменного тока. На его долю оставалось только электрическое освещение. Существующее производство такое решение не устраивало. И в бурно развивающейся электроэнергетике возник научно-технический кризис…

Вы, наверное, не забыли, как в 1824 году талантливый французский физик Доминик Франсуа Араго демонстрировал коллегам по академии феномен «магнитного вращения». Напомню, он вращал постоянный магнит под немагнитным медным диском, и тот послушно следовал за магнитным стержнем или подковкой.

Полвека спустя английский физик У. Бейли заставил вращаться медный диск в меняющемся магнитном поле неподвижных электромагнитов. Он доказал, что, будь таких электромагнитов бесконечное множество, магнитное поле стало бы равномерно вращающимся. Это было явление, довольно трудно постигаемое электриками той поры. Многие интересовались им, но больше всех, пожалуй, сделали для понимания и практической реализации феномена итальянский профессор, член Туринской академии наук Галилео Феррарис и перебравшийся в Америку сербский инженер Никола Тесла. Оба независимо друг от друга и почти одновременно сконструировали модели двухфазных индукционных (асинхронных) двигателей и объяснили их действие.

Схема первоначального двигателя Н. Теслы

Двухфазный индукционный (асинхронный) двигатель Н. Теслы, изготовленный на заводах Вестингауза

Феррарис полагал получать сдвинутые по фазе токи от одного генератора при помощи сконструированной им фазосмещающей системы. В отличие от итальянского коллеги, Тесла был всю жизнь сторонником двухфазной системы, считая ее наиболее экономичной. Это была его ошибка. Но выяснилась она позже.

Двухфазная система требовала четырех проводов, что делало строительство более дорогим. Провода были, как правило, из меди. Именно медь имеет наименьшее электрическое сопротивление, потому и потери в медной линии были меньше, чем в стальной.

Тесла предложил четыре провода двухфазной линии передачи заменить тремя, объединив два из них в один – нулевой. Но по этому проводу шел больший ток, и его приходилось делать существенно толще. Выигрыш в металле оказывался ничтожным.

Тесла оказался не только исключительно талантливым инженером-изобретателем, но и весьма оборотистым дельцом. Так, только за 80-е годы он получил более 40 патентов на многофазные системы и в 1888 году продал их фирме Вестингауза, с которой сотрудничал несколько лет.