Иллюстрации, приложенные к американскому патенту Теслы на электродвигатель переменного тока
В многофазном двигателе каждый электромагнитный полюс статора (неподвижной части) имеет несколько обмоток, по каждой из которых протекают переменные токи одинаковой частоты и амплитуды, но различные по фазе (в трехфазном двигателе на треть периода).
В июле 1888 г. патенты Теслы приобрел Джордж Вестингауз. Год спустя Westinghouse Co. выпустила на рынок самый маленький в мире электрический аппарат: вентилятор, который приводился в действие 125-ваттным электродвигателем переменного тока. Первый патент Тесла подал на двухфазный двигатель; в современных домах работает множество маленьких однофазных электродвигателей переменного тока, а более крупные и эффективные трехфазные машины распространены в промышленности. В 1889 г. Михаил Осипович Доливо-Добровольский, русский инженер, занимавший должность главного электрика в немецкой компании AEG, изготовил первый трехфазный асинхронный электродвигатель.
Никола Тесла в молодости
В настоящее время в мире ежегодно продается около 12 млрд маленьких электродвигателей, не связанных с промышленностью, в том числе около 2 млрд миниатюрных (самые маленькие – до 4 мм в диаметре) устройств с потребляемой мощностью в доли ватта, которые работают на постоянном токе и служат для создания вибрации в сотовых телефонах. На другом конце спектра – двигатели мощностью 6,8–12,2 МВт, которые устанавливаются на французские скоростные поезда (TGV). А мощность самых больших стационарных двигателей, приводящих в движение компрессоры, вентиляторы и конвейеры, превышает 60 МВт. Это сочетание вездесущности и диапазона мощностей свидетельствует, что электромоторы – это и правда незаменимые источники энергии для современной цивилизации.
Трансформаторы: невоспетые труженики
Мне никогда не нравились преувеличенные заявления о грядущих научных и технических прорывах, таких как дешевый термоядерный синтез, недорогие путешествия со сверхзвуковой скоростью и освоение других планет. Но я всегда восхищался простыми устройствами, которые выполняют огромную работу в современной цивилизации, особенно самыми скромными – или даже невидимыми.
Крупнейший в мире трансформатор: Siemens для Китая
Лучше всего под это описание подходит трансформатор. Люди без инженерного образования могут лишь смутно догадываться о существовании этих устройств, не знают принципов их работы, а также того, насколько незаменимы они в повседневной жизни.
Теоретические основы для создания трансформатора бы- ли заложены в начале 1830-х гг., когда Майкл Фарадей и Джозеф Генри независимо друг от друга открыли явление электромагнитной индукции. Они показали, что переменное магнитное поле может индуцировать электрический ток более высокого напряжения («повышение») или более низкого («понижение»). Потребовалось еще полвека, прежде чем Люсьен Голар, Джон Диксон Гиббс, Чарльз Браш и Себастиан Циани де Ферранти смогли разработать первые рабочие прототипы трансформаторов. Затем три венгерских инженера – Отто Блати, Микша Дери и Карой Циперновский – усовершенствовали конструкцию, придумав тороидальный (в форме пончика) трансформатор, который был продемонстрирован в 1885 г.
На следующий год три американских инженера – Уильям Стэнли, Альберт Шмид и Оливер Шелленбергер, работавшие у Джорджа Вестингауза, – предложили еще более совершенную конструкцию. Устройство приняло классический вид трансформатора Стэнли, в неизменном виде дошедшего до наших дней: центральный железный сердечник, изготовленный из тонких пластин из кремнистой стали. Одну часть делали в форме буквы «E», а вторую – в форме буквы «I», чтобы облегчить укладку заранее свитых витков медной обмотки.
В 1912 г. в обращении к Американскому институту электротехников Стэнли справедливо восторгался тем, что устройство обеспечивает «столь абсолютное и столь простое решение трудной проблемы. Оно оставило далеко позади все механические попытки стабилизировать напряжение. Оно так легко, так уверенно и экономно управляет огромной энергией, которую мы мгновенно на него подаем или мгновенно у него отбираем. Оно необыкновенно надежное, мощное и точное. В этом соединении стали и меди могущественные силы сбалансированы так хорошо, – мы и не подозревали, что такое возможно».
Самые мощные современные воплощения этой неизменной конструкции позволили передавать электричество на огромные расстояния. В 2018 г. компания Siemens поставила первый из семи трансформаторов, превосходящих все прежние разработки: он рассчитан на рабочее напряжение 1100 киловольт (кВ) и обеспечит электроэнергией несколько китайских провинций с помощью высоковольтной линии постоянного тока длиной 3300 км.
Количество трансформаторов в мире выросло до такой величины, которую Стэнли не мог даже вообразить, и произошло это благодаря распространению портативных электронных приборов, которые требовалось заряжать. В 2016 г. в мире одних только смартфонов выпустили 1,8 млрд и каждый из них комплектовался зарядным устройством с миниатюрным трансформатором. Не обязательно разбирать свое зарядное устройство, чтобы увидеть его сердце: изображение зарядки для iPhone легко найти в интернете, и одна из самых крупных ее деталей – это трансформатор.
Но во многих зарядных устройствах установлены трансформаторы еще меньших размеров. Они работают не так, как трансформаторы Стэнли (у них отсутствует обмотка), и используют пьезоэлектрический эффект, проявляющийся в том, что кристалл при деформации порождает электрический ток, а ток вызывает деформацию кристаллов. Звуковые волны, поступающие на такой кристалл, генерируют электрический ток, а ток, проходя через такой кристалл, может порождать звук. Таким образом, один ток можно использовать для получения другого, но уже с другим напряжением.
Новейшее изобретение – это электронные трансформаторы. По размерам и массе они гораздо меньше привычных и, возможно, станут особенно полезными для объединения непостоянных источников энергии (ветровых и солнечных) в единую систему, а также для создания энергосистем постоянного тока.
Не списывайте дизель со счетов
17 февраля 1897 г. Мориц Шрётер, специалист по теории машин, профессор Мюнхенского технического университета, провел официальные сертификационные испытания нового двигателя Рудольфа Дизеля: он желал подтвердить, что механизм эффективен и подходит для развития производства в коммерческих целях.
