електричні генератори

Як уже зазначалося, гальванічні батареї суттєво гальмували практичне застосування електродвигунів. Розвиток електричних машин наочно ілюструє характерну закономірність в розвитку техніки взагалі. Ця закономірність проявляється в наступному: якщо розвиток будь-якої галузі техніки гальмується недостатнім рівнем розвитку іншої галузі техніки або галузі науки, то розвиток останньої прискорюється вимогами першої. Так, якщо відсутність економічного генератора струму стримувало розширення практичних застосувань електрики, то останні стимулювали, прискорювали роботи зі створення більш досконалої конструкції генератора.

У розвитку електричного генератора постійного струму можна виділити чотири етапи [5, 17, 19].

Перший етап (1831-1851) характеризується створенням електричних генераторів з порушенням від постійних магнітів. Такі генератори в той час називалися «магнітоелектричними машинами». Відкриття в 1831 р явища електромагнітної індукції вказало новий спосіб отримання електричного струму, який знайшов своє практичне втілення в першому уніполярному генераторі - диску Фарадея. Один з перших кроків в історії генератора несе в собі таємницю, що залишилася нерозгаданою. Справа в тому, що ім'я винахідника, який зробив цей крок, залишилося невідомим. Ось що писав М. Фарадей до редакції відомого лондонського наукового журналу 27 липня 1832 р .: «Учора, після повернення в місто, я знайшов закритого листа, воно анонімне, і я не маю можливості назвати його автора. Але з огляду на те, що описує досвід, при якому вперше вдалося отримати хімічне розкладання магнітоелектричним струмом, я надсилаю Вам цього листа для опублікування ».

Лист був підписаний двома латинськими буквами Р.М. Так і увійшов в історію техніки «генератор Р.М.». Ця машина являла собою синхронний багатополюсний генератор, т. Е. Була генератором змінного струму. Лист Р. М. привернуло до проблеми генератора увагу багатьох вчених. Прочитав публікацію і сам Р.М .; в березні 1833 року він звернувся до редакції журналу з вдячністю М. Фарадея за публікацію листа і описом удосконалень в машині. Головне з них - додаткове сталеве кільце (ярмо), замикає магнітний ланцюг сердечників електромагнітів. І знову той же підпис Р.М.

На рис. 2.31 представлений вдосконалений варіант генератора Р.М.

Однак змінний струм в той час не міг ще знайти собі споживача, так як для всіх практичних застосувань електрики (мінна електротехніка, електрохімія, тільки що зародилася електромагнітна телеграфія, перші електродвигуни) був потрібний постійний струм. Тому в подальшому винахідники направили свої зусилля на побудову генераторів, що дають постійний елект річескій ток, розробляючи для цих цілей різноманітні комутаційні пристрої.

Вперше пристосування для випрямлення струму в черзі-полюсной машині (на відміну від уніполярної машини М. Фарадея, яка не потребувала в пристрої для випрямлення струму, так як давала безпосередньо постійний струм) було застосовано в 1832 р в генераторі французьких винахідників братів Пікс. Винахід уявлялося тоді настільки важливим, що повідомлення про нього були двічі зроблені в Паризької академії наук. У перших конструкціях генераторів для отримання струму незмінного напрямку (але різко пульсуючого) застосовувалося так зване коромисло Ампера. А. М. Ампер відзначав пластинчастий барабанний комутатор в машині Пікс з притискається до амальгованих поверхнях пластин пружними мідними або бронзовими пластинами - щітками. Пізніше він став основою комутуючих пристроїв для всіх наступних конструкцій генераторів постійного струму. З машиною Пікс працював Е. Х. Ленц, і саме на цій машині в 1838 р він демонстрував принцип оборотності.

Недоліком машин Р.М. і братів Пікс стало те, що в них доводилося обертати більш-менш важкі постійні магніти. Доцільніше виявилося зробити магніти нерухомими, а змусити обертатися легші котушки. При цьому простіше було виконати і комутуючі пристрій, що обертається частина якого була закріплена на валу разом з якорем. Магнітоелектричні генератори такого типу виявилися значно зручніше і саме в такій конструктивній формі вперше увійшли в практику.

Першим генератором, який отримав практичне застосування, був, як уже зазначалося, електромагнітний генератор Б. С. Якобі. Займаючись удосконаленням методів електричного підривання хв, Б. С. Якобі побудував в 1842 р генератор, названий їм «магнітоелектричної батареєю» (рис. 2.32). При обертанні котушок 3 зубчастої передачею 5 в поле постійних магнітів 1 в них наводилася ЕРС; на валу 2 було комутуючі пристрій 4 в вигляді двох полуцилиндров, що становило найпростіший двохпластинчаста колектор. Цей генератор був прийнятий на озброєння гальванічних команд російської армії, які використовували його для займання мінних запалів.

Прагнення підвищити потужність магнітоелектричних генераторів призвело до збільшення кількості постійних магнітів. Цей шлях відбивав вже знайому з історії розвитку електродвигунів тенденцію: для збільшення потужності з'єднувати кілька елементарних машин в одну.

Найбільшого поширення в лабораторній практиці 40-50-х рр. XIX ст. отримав магнітоелектричний генератор німецького електротехніка Е. Штерера (1813-1890) з трьома обертовими постійними магнітами (1843). Цей генератор використовувався вченими (в тому числі Е. Х. Ленцем і Б. С. Якобі) для дослідження процесів в магнітоелектричних машинах.

Відомий поштовх до побудови більш потужних магнітоелектричних генераторів дали дугові лампи з регуляторами, які отримали застосування на маяках в зв'язку з розвитком морського транспорту. Ще в 1849 р професор фізики Брюссельської військової школи Жан Антуан Нолле взявся за побудову потужного магнітоелектричного генератора для установки на маяках, обравши вже вторований шлях комбінування в одному агрегаті великого числа машин. Роботи Нолле були продовжені іншими вченими, і до 1856 машина отримала своє конструктивне завершення. Для виробництва таких генераторів в Парижі була організована електропромишлен- ная компанія «Альянс» (звідси і походить назва нової машини). Перша така машина була встановлена ​​на маяку поблизу м Гавра.

У генераторі «Альянс» (рис. 2.33) на чавунній станині були укріплені в кілька рядів підковоподібні постійні магніти, розташовані по колу і радіально по відношенню до валу. У проміжках між рядами магнітів на валу встановлювалися диски з великим числом катушек- якорів. У машині було 40 магнітів і 64 стрижня (явнополюсних якоря). Різні варіанти машини «Альянс» мали різну кількість рядів магнітів (три, п'ять, сім). На валу генератора укріплений колектор з 16 металевими пластинами, ізольованими один від одного і від вала машини. Як колекторних щіток служили спеціальні ролики. У машині вперше було передбачено пристрій для зміщення роликів в залежності від навантаження. Переміщення роликів відбувалося під дією тяг, що йдуть від відцентрового регулятора, який був пов'язаний з валом машини.

У 1857-1865 рр. в експлуатації було близько 100 машин «Альянс». Для приводу однієї такої машини був потрібний паровий двигун потужністю 610 л. с. Маса шестідісковим машини «Альянс» доходила до 4 т. Є відомості, що машина «Альянс» отримала схвалення М. Фарадея.

Генератор «Альянс» наочніше, ніж інші, менші за розмірами машини, показав недоліки, властиві взагалі магнітоелектричним машинам. Матеріали і технологія виробництва постійних магнітів були ще недосконалими. Під дією реакції якоря, в результаті природного старіння і можливих вібрацій магніти швидко розмагнічувати, в зв'язку з чим ЕРС генератора зменшувалася і його потужність знижувалася. У всіх цих машинах застосовувалися стрижневі якоря, що мали багатошарову обмотку. При роботі вони швидко нагрівалися внаслідок поганого відводу теплоти, що призводило до руйнування ізоляції. Маса і габарити магнітоелектричних генераторів, незважаючи на їх невелику потужність, були досить значними, і великі машини були порівняно дорогими. Принциповим недоліком машин з явнополюснимі якорями стало те, що вони давали різко пульсуючий струм.

Другий етап у розвитку електричного генератора постійного струму умовно можна позначити періодом з 1851 по 1867 г. Цей етап характеризується переважним конструюванням генераторів з незалежним збудженням, т. Е. З порушенням електромагнітів від стороннього, незалежного джерела. Це сприяло значному поліпшенню роботи генераторів і зменшення їх відносної маси.

Вперше обгрунтоване вказівку на доцільність заміни постійних магнітів електромагнітами дали на початку 50-х рр. XIX ст. німецький вчений Вільгельм Зінстеден (1803-1891) і данський винахідник Серено Хіорт (1801-1870), але їх ідеї і конструкції були настільки незвичайні і несподівані, що спочатку не притягли до себе належної уваги.

Як характерний приклад генератора з електромагнітами, обмотки яких харчувалися струмами від незалежного джерела, може бути зазначений генератор англійця Генрі Уайльда (1863). Цей генератор (рис. 2.34) мав П-подібний електромагніт 1, для живлення якого був пристосований окремий збудник - невеликий магнітоелектричний генератор 2. Замість зазвичай застосовувався стрижневого якоря Г. Уайльд використовував запропонований в 1856 р відомим німецьким іелектротехніком і підприємцем Вернером Сіменсом (1816 -1892) якір з сердечником двотаврового перетину (так званий двох-Т-образний якір), який є різновидом явнополюсного якоря. Цей якір мав форму вала з поздовжніми виточками, в які вкладалася обмотка. Машина з двох Т-образним якорем володіла меншим магнітним розсіюванням, ніж зі стрижневим, але в той же час цей якір, як і стрижневою, маючи багатошарову обмотку з поганим теплоотводом, сильно нагрівався і тим самим

Машина Г. Уайльда підготувала конструкторську думку до створення генераторів з самозбудженням.

Початком третього етапу в розвитку генераторів постійного струму умовно можна вважати 1867 року, коли майже одночасно в різних країнах був встановлений принцип самозбудження. Ми пишемо «умовно» тому, що одну якусь дату назвати неможливо: навколо цього найважливішого в історії електричних машин винаходи розгорівся великий суперечка про пріоритет. На першість претендували дуже відомі вчені і винахідники.

Річ було так. У січні 1867 р В. Сіменс представив в Берлінську академію наук доповідь, в якому виклав суть принципу самозбудження. У доповіді були такі слова: «Однак тієї невеликої кількості магнетизму, яке залишається навіть в самому м'якому залозі, досить, щоб при поновленні обертання знову отримати в замкнутому ланцюзі безперервне зростання струму. Отже, досить один раз пропустити струм в ланцюг обмотки нерухомого магніту, щоб зробити прилад здатним давати струм при кожному поновленні обертання ». В. Сіменс назвав принцип самозбудження «дінамоелектріческіх», а самозбуджується генератор став з тих пір називатися динамо-машиною. Втім, динамо-машиною поступово стали називати будь-машинний генератор постійного струму.

Майже одночасно з В. Сіменсом з ідеєю самозбудження виступили і навіть отримали патенти англійські винахідники Чарльз Уитстон, а також брати Кромвель і Семюель Варлей. Але ще задовго до В. Сіменса в 1856 р угорський фізик, професор Будапештського університету Аньош Єдлик Аньош (1800-1895) Г201 прийшов до висновку про те, що якщо обмотки збудження приєднати до затискачів якоря того ж генератора, то при пуску машини розвивається процес самоусіленія магнітного поля. Разом з тим А. Єдлик Аньош зауважив, що для виникнення цього процесу немає необхідності в установці постійних магнітів, а цілком достатньо залишкового магнетизму. Так А. Єдлик Аньош сформулював не тільки принцип самоусіленія магнітного поля, а й принцип самозбудження генератора. У 1861 р він вже побудував самозбуджується генератор.

Роботи А. Єдлик Аньош були, мабуть, дещо передчасними, і, крім того, він не мав необхідні кошти для промислового виготовлення машин у великих масштабах. Інше становище було у В. Сіменса: будучи главою фірми, з часом завоювала позиції провідного світового електротехнічного концерну, він відкрив широку дорогу для виробництва динамо-машин.

Істотним недоліком перших генераторів з самозбудженням була вельми недосконала конструкція якоря. Так, двох-Т-образний якір В. Сіменса не тільки обмежував потужність машин з-за швидкого нагріву, викликав сильне іскріння на колекторі, а й давав різко пульсуючий струм. Цей струм, в свою чергу, викликав різку пульсацію магнітного потоку і, отже, великі втрати в сталевих сердечниках. В цьому відношенні двох-Т-образний якір нічим не відрізнявся від стрижневі, оскільки і той і інший були тільки різновидами невдалого явнополюсного виконання якорів машин постійного струму. Цей недолік пізніше зумів усунути Фрідріх Хефнер-Альтенек.

Подією, революціонізувати розвиток електричної машини і поклав початок промислової електротехніки, стало об'єднання принципу самозбудження з конструкцією кільцевого якоря.

Розробка самозбуджується генераторів з кільцевими і барабанними якорями і розвиненими магнітними системами склала основний зміст четвертого етапу в розвитку електричних генераторів.

Зеноб Теофіл Грам, займаючись виготовленням електричних машин, став одним з найвідоміших французьких фахівців в області електромашинобудування і електричного освітлення. У червні 1870 він отримав патент, в якому містився опис самозбуджується (в загальному випадку багатополюсного) генератора з кільцевих якорем. На гладкий залізний кільцеподібний сердечник намотувалася замкнута сама на себе обмотка (пізніше таку обмотку стали називати «граммовской»). Від рівновіддалених точок цієї обмотки йшли отпайки до колекторним пластин.

Загальний вигляд однієї з конструкцій генератора Грамма зображений на рис. 2.35, а. На станині 1 укріплені електромагніти 2 з полюсними наконечниками 3, між якими обертається якір 4; в спеціальних власниках укріплені щітки, дотичні з майже сучасного типу колектором 5. Якір приводиться в обертання через приводний шків. Обмотка збудження включена послідовно з обмоткою якоря.

На рис. 2.35, б показана принципова схема генератора, а на рис. 2.35, в - конструкція кільцевого якоря. З. Т. Г. вказував, що сердечник якоря може бути суцільним, а може бути виготовлений з пучка сталевих дротів 1, як показано на малюнку; тут же 2 - котушки обмотки, 3 - колекторні пластини.

Пізніше З. Т. Г. запропонував ще кілька конструкцій самозбуджується машин, різних за зовнішнім виглядом і потужності, але принципових змін в свою машину він більше не вносив.

Генератор Грамма виявився досить економічним джерелом електричної енергії, що дозволяв отримувати значні потужності при високому ККД і порівняно малих габаритах і масі. Порівняння машини Грамма, наприклад, з машиною «Альянс» показує, що самозбуджується генератор з кільцевих якорем мав масу на 1 кВт приблизно в 6 разів меншу, ніж генератор з постійними магнітами.

Очевидні переваги генератора Грамма сприяли тому, що він швидко витіснив інші типи генераторів і отримав дуже широке поширення. На початку 1870-х рр. принцип оборотності електричних машин був уже добре відомий, а машина Грамма використовувалася як в режимі генератора, так і в режимі двигуна. Таким чином, на початку 1870-х рр. обидві лінії розвитку електричних машин (генератора і двигуна) об'єдналися.

Машина Грамма представляла собою машину постійного струму сучасного типу. Однак вона потребувала певних удосконалень, які пішли в 70-80-х рр. XIX ст.

У 80-х рр. XIX ст. тривали дослідження процесів в електричних машинах і вдосконалення їх конструкцій. У 1880 році американський винахідник Хайрем Максим (1840-1916) знову (після А. Пачінотті) запропонував зубчастий якір, а також внутрішні канали для вентиляції. Знаменитий американський електротехнік Томас Алва Едісон (1847-1931) в 1880 р отримав патент на шихтованний якір, в якому пластини ізолювались листами тонкого паперу, пізніше заміненими лаком.

З 1885 р стали застосовуватися шаблонна і компенсаційна обмотки, встановлюватися додаткові полюси.

Величезне значення в удосконаленні проектування електричних машин зіграли роботи Олександра Григоровича Столєтова (1839-1896) по дослідженню магнітних властивостей «м'якого заліза», який довів зв'язок магнітної сприйнятливості заліза з напруженістю магнітного поля.

У 1880 году німецькім фізіком Емілем Варбургом (1846-1931) Було Відкрито явіще гістерезісу и Почаїв дослідження магнітніх Втрата стали. Англійський вчений Джеймс Е. Юінг (1855-1935) прийшов до висновку про «гистерезисного циклу» і запропонував прилад для креслення кривих намагнічування. Видатний американський електротехнік Чарльз Протеус Штейнмец (1865-1923) запропонував емпіричну формулу для визначення втрат на гістерезис. У 1885 р англійський електротехнік Джон Гопкинсон сформулював закон магнітної ланцюга. Таким чином, до кінця 1880-х рр. електрична машина постійного струму набула сучасних конструктивні риси.

Історія електротехніки та електроенергетики