ОЛЕКСАНДР Мікерена, д. Т. Н., Проф. каф. систем автоматичного управління СПбГЕТУ «ЛЕТІ»
Мал. 1. Диск Фараді я
У попередніх статтях даного циклу розглядалися перші електричні двигуни, створені на початку XIX століття з живленням від єдиного відомого джерела - гальванічної батареї [1 - 3]. Низька економічна ефективність такого електрохімічного джерела, що перешкоджає заміні парових двигунів електричними, змушувала винахідників шукати інші, електромеханічні способи генерації електроенергії. У даній статті висвітлено процес створення електрогенераторів постійного струму, в результаті якого було відкрито явище самозбудження за рахунок позитивного зворотного зв'язку, зване принципом динамо.
Перший електромеханічний генератор був запропонований Фарадеєм в 1832 р відразу після відкриття ним закону електромагнітної індукції (рис. 1) [4, 5]. Диск Фарадея містить: статор у вигляді подковообразного магніту - 1 і мідний диск (ротор) - 2, забезпечений рухомими контактами на осі і обід.
При обертанні диска в магнітному полі в ньому наводиться ЕРС постійного знака, що викликає індукційні струми, поточні по правилу правої руки радіально, т. Е. Між віссю і ободом (в даному випадку, від низу до верху). За правилом Ленца індукційні струми створюють магнітний потік, що перешкоджає потоку магніту, т. Е. Спрямований уздовж осі обертання диска. Це єдиний відомий уніполярний генератор постійного струму, що застосовується для вироблення великих струмів досі. Решта генератори постійного струму є, по суті, генераторами змінного струму з випрямлячем (комутатором) на виході.
Мал. 2. Генератор Пікс
Перший генератор змінного струму був побудований у Франції майстром Іполитом Пікс (Hippolyte Pixii) в тому ж 1832 г. [4 - 7]. За своє коротке життя в 27 років Пікс створив багато наукових приладів, включаючи дилатометрічні термометр і вакуумний насос. Генератор Пікс показаний на рис. 2, де позначені: 1 - статор з двома котушками, включеними послідовно, 2 - ротор з постійним магнітом, 3 - щітковий комутатор (випрямляч). Силові лінії обертового магніту перетинають обмотку котушок, наводячи в них ЕРС, близьку до гармонійної. Ідея котушок і обертового магніту належить винахіднику, що надіслав лист Фарадея, підписану латинськими ініціалами PM Ймовірне ім'я винахідника - Фредерік Мак Клінток (Frederick Mc-Clintock) - довгий час залишалося невідомим [7]. Фарадей негайно опублікував цей лист в науковому журналі. Однак цей пристрій генерував змінний струм, тоді як на початку XIX століття застосовувався тільки постійний струм. Тому Пікс за порадою Ампера забезпечив його щітковим комутатором. Генератор Пікс використовувався Е. Х. Ленцем для доказу відкритого їм в 1833 р принципу оборотності електричних машин. Однак ще довго двигуни і генератори розвивалися окремо.
При створенні високовольтного дистанційного підривника морських мін в 1842 р [2] Якобі запропонував помістити магніти на статорі, а обмотку на роторі, що підвищило компактність генератора. Генератор Якобі представлений на рис. 3 [4 - 6], де позначені: 1 - статор з двома постійними магнітами, 2 - вал, 3 - якір (ротор з обмоткою), 4 - комутатор, 5 - мультиплікатор, т. Е. Що підвищує редуктор для збільшення швидкості обертання ротора .
Мал. 3. Генератор Якобі
Аналогічну конструктивну схему мав генератор, запропонований англійським інженером Фредеріком Холмсом (Frederick Holmes) для харчування запатентованої їм дугової лампи. Для серійного виробництва генераторів в 1856 році була створена компанія «Альянс» [5, 6]. Вид генератора представлений на рис. 4, де: 1 - статор з постійними магнітами; 2 - ротор з обмоткою (якір); 3 - відцентровий регулятор, 4 - механізм зсуву щіток.
У ньому використовувався відцентровий регулятор Уатта для автоматичної підтримки вихідної напруги шляхом зсуву щіток з нейтралі при зміні навантажувального струму, що забезпечувало компенсацію реакції якоря. Генератор мав 50 постійних магнітів, розвивав потужність 10 к.с. при вазі до 4 тонн. Всього було випущено більше 100 генераторів «Альянс», що застосовувалися, крім дугових прожекторів маяків, і в гальванопластики.
Мал. 4. Генератор «Альянс»
В експлуатації у машин з постійними магнітами виявився неприємний недолік зниження вихідної напруги через поступове розмагнічування магнітів від вібрації і старіння. Іншим недоліком збудження від постійних магнітів була неможливість регулювання їх магнітного потоку для стабілізації напруги, що генерується. Для боротьби з цими недоліками пропонувалося застосувати електромагнітне збудження, що забезпечує до того ж, як зазначалося в статті [3], велику компактність. Так, успішний англійський винахідник Генрі Уайльд (Henry Wilde) отримав в 1864 р патент на генератор з окремим малопотужним збудником на постійному магніті, встановленому на загальному валу з генератором [4 - 6]. Уайльд не мав університетської освіти, починав свою кар'єру учнем механіка, але йому вдалося налагодити виробництво своїх генераторів для гальванопластики. Проте, ставало ясно, що наявність постійних магнітів в генераторах - серйозне гальмо розвитку телеграфії і електричного освітлення.
Кардинальне вирішення проблеми з'явилося після відкриття можливості самозбудження генераторів, названого Сименсом дінамоелектріческіх принципом, або принципом динамо [4 - 7]. Ідея самозбудження полягає в тому, що - як показано на рис. 5 - початковий потік збудження при пуску машини створюється залишкової намагніченістю муздрамтеатру, де напруга генератора знімається з обмотки якоря Я, а збудження машини виконується або обмоткою ОВ1, включеної послідовно з навантаженням R н, або обмоткою ОВ2, включеної паралельно якоря через регулювальний резистор R (так зване шунтового збудження). Далі потік збудження збільшується за рахунок позитивного зворотного зв'язку від генерованого струму.
Мал. 5. Схема генератора з самозбудженням
Одним з перших на можливість самозбудження генератора вказав в патенті 1854 р датський інженер і організатор залізничного сполучення Сорен Хіорт (S? Ren Hjorth). Однак, побоюючись слабкості залишкової намагніченості, він доповнив генератор постійними магнітами. Цей генератор Хіорта так і не був реалізований. Незалежно від Хіорта ідею самозбудження висловив в 1856 р професор Будапештського університету Аньеш Єдлик Аньош (? Nyos Jedlik). Він також запропонував один з перших електродвигунів, описаний в статті [1]. Однак Єдлик Аньош своїх винахід не патентувати і відомості про них публікував дуже скупо, тому його новаторські пропозиції залишилися непоміченими.
Практично ідея самозбудження була реалізована лише через десять років в один і той же час декількома винахідниками. У заявці на патент в грудні 1866 р інженер англійської телеграфної компанії, учень Фарадея Самюель Варлей (Samuel Alfred Varley) запропонував схему генератора, аналогічного генератору Якобі, в якому, однак, обмотка збудження заміняла постійні магніти. Схема генератора показана на рис. 6, де: 1 - електромагніти збудження, 2 - якір, 3 - комутатор, 4 - додатковий регулювальний резистор. Перед пуском сердечники збудження намагнічувалися постійним струмом.
Мал. 6. Генератор Варлея
Через місяць, в січні 1867 р в Берлінській Академії наук була представлена доповідь відомого німецького винахідника і промисловця Вернера Сіменса (Werner Siemens) з докладним описом генератора з самозбудженням, названого їм динамо-машиною. Перед пуском генератор включався як двигун для намагнічування збудження. Згодом Сіменс налагодив широкий промисловий випуск таких генераторів в Німеччині.
У лютому того ж 1867-го р відомий англійський фізик Чарльз Уитстон (Charles Wheatstone) запатентував і продемонстрував генератор з шунтовим збудженням (рис. 5). Власник майстерні музичних інструментів, що перейняв справу від свого батька, згодом професор Королівського коледжу King's College в Лондоні, Уитстон відомий також своїми винаходами методу вимірювання опору (міст Уитстона), однофазного синхронного електродвигуна, музичного інструменту концертино, стереоскопа, Хроноскоп (електричного секундоміра) і вдосконаленого виду телеграфу Шіллінга.
У пресі виникла дискусія про пріоритет даного технічного рішення, на який претендували також Уайльд і Хіорт. Слід зазначити, що існує три види пріоритету: науковий, патентний і промисловий. Науковий пріоритет належить вченому, вперше опублікувало або публічно продемонстрував будь-який пристрій, ефект або теорію. Промисловим пріоритетом може спілкуватися особа або компанія, вперше налагодили виробництво вироби і його широке впровадження. Наприклад, при відкритті радіо науковий пріоритет належить Попову, а патентний і промисловий - Марконі. Щодо генератора з самозбудженням слід визнати патентний пріоритет за Варлеем, науковий - за Єдлик Аньош і Сименсом, а промисловий - за Сименсом. Уїтстона ж належить пріоритет в приватному, хоча і досить важливому, технічному рішенні - шунтового порушення.
Подальше поліпшення характеристик динамо-машини було пов'язано зі зміною конструкції її якоря шляхом застосування в 1867 р бельгійським іелектротехніком Зіновієм Грамом (Zenobe Gramme) кільцевого якоря, а потім впровадженням барабанної намотування, запропонованої в 1872 р Гефнер Альтенек (Hefner Alteneck), провідним конструктором компанії Сіменс-Гальске [5 - 7]. Після цього електродвигуни та генератори практично взяли сучасний вигляд. Однак до кінця XIX століття в зв'язку з широким впровадженням систем змінного струму основна частка електроенергії на гідро- і теплових електростанціях вироблялася вже генераторами змінного струму.
Мал. 7. Модель геодінамо
Що стосується самого принципу динамо, то про нього знову згадали вже в ХХ столітті для пояснення причин земного магнетизму, яке Ейнштейн в 1905 р назвав однією з п'яти головних загадок фізики того часу [8, 9]. До сих пір остаточної відповіді, підтвердженого комп'ютерним моделюванням або фізичними експериментами, ніхто не почув, але найбільш популярною є теорія, звана гідромагнітна динамо (геодінамо). Ще з часів Вільяма Гільберта (кінець XVI століття) встановлено, що Земля - це гігантський магніт, силові лінії якого спрямовані від південного полюса до північного. Згідно рівнянням Максвелла, магнітні потоки можуть створюватися тільки струмами, тому природно було припустити, що Земля - це електромагніт, струми якого течуть в площинах, паралельних екватору, а сердечником служить тверде феромагнітна ядро Землі, показане на рис. 7, з передбачуваним вертикальним розташуванням осі обертання Землі. Це железонікелевое ядро (1) діаметром близько 1200 км оточене рідкою оболонкою (2) з тих же металів товщиною 2300 км, за яким слідують гірські породи мантії і кори Землі.
Якщо припустити, що внаслідок обертання Землі (3) в рідкій оболонці ядра утворюються концентричні течії в площинах, паралельних екватору (на малюнку не показані), то в них можуть индуктироваться струми за рахунок перетину силових ліній (4) магнітним потоком від твердого ядра - як в генераторі Фарадея. Однак тверде ядро принципово не може бути намагніченим, оскільки його температура, викликана термоядерними реакціями, вище 5000оС (як на поверхні Сонця), а все феромагнітні матеріали втрачають свої магнітні властивості вище точки Кюрі (близько 750оС). Крім того, вчені не могли запропонувати розумного пояснення причин утворення таких концентричних течій. Тому в даний час прийнята більш складна модель, яка називається конвективним геодінамо.
Температура поверхні рідкого ядра на кордоні з мантією (5) приблизно на 600оС нижче температури твердого ядра, що викликає радіальні конвективні потоки рідини (6), які під дією каріолісових сил, викликаних обертанням Землі, закручуються в вихори (7), вісь обертання яких збігається з віссю обертання Землі. Далі в цих рідких вихорах, аналогічно диску Фарадея, индуктируются струми, що створюють магнітні потоки (4) уздовж осі обертання Землі.
Більш складним є питання про початковий освіті магнітного поля Землі. У 1919 р ірландський фізик і математик Джозеф Лармор (Joseph Larmor), випускник Кембриджського університету, один з творців теорії електрона і засновників релятивістської теорії, запропонував для його вирішення ідею самозбудження, аналогічного процесу в динамо-машині. Необхідна початкова намагніченість мантії Землі могла бути викликана магнітним полем Сонця, спрямованим уздовж осі обертання. Потім за рахунок механізму позитивного зворотного зв'язку в вихорах рідини поступово наростали струми, намагнічуючі мантію, поки локальний нагрів рідкого ядра за рахунок омических втрат не почав руйнувати конвективні потоки і магнітне поле Землі не прийняло стійкий сучасний рівень [8, 9].
література- Мікерена А. Г. Перші демонстрації електромагнітного обертання . Control Engineering Росія. 2015. № 4 (58).
- Мікерена А. Г. Перший практично корисний електродвигун Якобі. Control Engineering Росія. 2015. № 5 (59).
- Мікерена А. Г. Створення прототипів електродвигунів автоматики . Control Engineering Росія. 2016. № 1 (61).
- Динамомашина в її історичному розвитку / Упоряд. Д.В. Єфремов, М.І. Радовський, під ред. В.Ф. Миткевича. Л .: Вид-во АН СРСР, 1934.
- Белькінд Л. Д. та ін. Історія енергетичної техніки. М.-Л .: Госенергоіздат. 1960.
- Історія електротехніки / Под ред. І. А. Глєбова. М .: Изд-во МЕІ. 1999.
- History - The invention of the electric motor 1800-1854.