Ю.О. Беличенко. Трансформаторы

Трансформаторы П. Н. Яблочкова  применялись только для электрического освещения и не могли использоваться в других промышленных целях. Трансформатор, служащий для общего промышленного пользования, изобрёл Иван Филиппович Усагин (1855-1919) — русский физик, создатель трансформатора, талантливый демонстратор физических опытов. Усагин также создал специальный аппарат для фотографирования солнечных затмений; ему удалось получить большое количество снимков спектров твердых и газообразных тел. По приглашению Усагин участвовал в Первом Международном конгрессе физиков в Париже. С 1881 года Усагин работал механиком отдела прикладной физики Политехнического музея; в качестве механика и демонстратора физических опытов на публичных лекциях в Политехническом музее И.Ф. Усагин работал до конца своей жизни.

Иван Усагин из бедной крестьянской семьи, с 10 лет помогал отчиму торговать в Москве бакалеей у Рогожской заставы. На скудные средства Иван приобрел учебник физики Николая Алексеевича Любимова (1830-1897), профессора Московского университета. В подвале под лавкой Ваня устроил «физический кабинет» для занятий разными опытами с электрическими машинами, гальваническими элементами и т.д. Отчим выследил приемного сына и уничтожил его лабораторию. Ваня написал А.Н. Любимову полное горечи письмо, и через два дня он получил ответ. Профессор Любимов определил его учеником в университетские мастерские, где тот мог бы ближе соприкасаться с физическими приборами, а затем перевёл в свою лабораторию для обучения постановке опытов и демонстраций. Николай Алексеевич лично несколько месяцев обучал Ивана арифметике, алгебре, геометрии, правописанию и грамматике, поддерживал его материально. В 1882 году И.Ф. Усагин уже занимал должность университетского механика, и успешно готовил опыты и демонстрации к лекциям по физике. В этом же году кафедру физики в университете возглавил Aлександр Григорьевич Столетов. И.Ф. Усагин постоянно совершенствовал технику демонстрации физических опытов. С 1893 года стал работать с Н. А. Умовым; он бессменно демонстрировал физические опыты на всех лекциях Умова в университете и на публичных лекциях. По ходатайству профессора Н.А. Умова, в 1899 году, за заслуги перед наукой И.Ф. Усагину было присвоено звание личного почётного гражданина.  

Так вот, демонстрируя опыты с катушкой Румкорфа и с осветительной системой П.Н. Яблочкова, Усагин напряженно думал над изобретением более совершенного прибора, при помощи которого было бы возможно экономично передавать электрическую энергию на любые расстояния не только для освещения, но и для других потребностей.

И.Ф. Усагин решил создать трансформатор промышленного типа. 

Летом 1882 г. в Москве открылась Всероссийская промышленно-художественная выставка. Выставка показала достижения русской науки и техники. В павильоне электричества экспонировались открытия и изобретения выдающихся русских ученых-электротехников — Лодыгина, Лачинова, Яблочкова, Чиколева и др. В этом павильоне демонстрировал свое изобретение и И.Ф. Усагин. Изобретение И.Ф. Усагина представляло собой индукционные катушки, названные изобретателем «бобинами». На сердечник были навиты первичная и вторичная обмотки. Если в индукционных катушках Румкорфа и П.Н. Яблочкова число витков вторичной обмотки в несколько раз превышало число витков первичной обмотки, то бобины И.Ф. Усагина имели в первичной и вторичной обмотках одинаковое число витков из проволоки одинаковой толщины. Бобины выполняли роль трансформаторов. Но в отличие от катушки Румкорфа и трансформатора П.Н. Яблочкова, бобины И.Ф. Усагина не имели ни прерывателей, ни конденсаторов. Подключенные к цепи высокого напряжения, они понижали напряжение до расчетной величины, а главное — разветвляли цепь переменного тока.

Трудно переоценить значимость этого изобретения. При помощи трансформатора Усагина был освещен павильон электричества промышленно-художественной выставки 1882 года в Москве. Демонстрируя на выставке изобретение, И.Ф. Усагин подключил к цепи четыре свечи Яблочкова, платиновую проволоку, маленький электродвигатель, изобретенный самим И.Ф. Усагиным, лампу Ренье. Все потребители работали безукоризненно и, что особенно важно, не зависели друг от друга: при отключении одного или нескольких потребителей остальные работали по-прежнему, без перегрузки. Одновременная работа нескольких потребителей восхищала присутствовавших при демонстрации.

Трансформатор Усагина — прототип современных трансформаторов.  Его изобретение открыло широкие возможности для установки машин высокого напряжения, уменьшая при этом ток и, следовательно, потери; позволило смело применять переменный ток, и открыло неограниченные возможности для передачи электроэнергии на любые расстояния.

Выдающийся русский ученый А.Г. Столетов (о нём ниже), ближайшим сотрудником которого был ученый-самородок И. Ф. Усагин, писал с сожалением о неприятии в России изобретения: «Невольно  вспоминается та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве. ...И в ученых докладах, и в газетных статьях система обличалась как нечто еретическое, ненациональное и безусловно гибельное». Тем не менее, на Всероссийской выставке 1882 г. в Москве Усагин награжден медалью, только Иван Филиппович не смог взять патент на свое изобретение: для выкупа привилегии требовался взнос не менее 450 руб. золотом. Такой суммы при весьма скудном заработке И. Ф. Усагин, конечно, не имел.

Теперь следующая загвоздка: не существовало надежных двигателей переменного тока. Они плохо раскручивались, при перегрузке останавливались и не могли составить конкуренции двигателям постоянного тока. Конструкторы не понимали почему так происходит?

Итальянский электротехник профессор Галилео Феррарис (1847-1897) из Турина исследовал вращающиеся магнитные поля, созданные двумя или тремя переменными токами одинакового периода, но разной фазы, изготовил лабораторные образцы двухфазных асинхронных двигателей и в 1888 г. дал независимо от Н. Теслы строгое научное описание существа указанного явления. Чуть ранее этого, в 1885 году, Феррарис развил теорию, по которой два переменных тока, сдвинутые по фазе на 90°, с помощью катушек, соответственно расположенных, создают постоянное по интенсивности вращающееся магнитное поле, которое можно использовать при создании электродвигателя переменного.

Однако Феррарис считал, что двигатель, собранный по двухфазной схеме, окажется весьма неэкономичным. Тем не менее, Никола Тесла знаменитый изобретатель из Сербии применил эту систему для электродвигателя и даже опробовал его, использовав энергию электростанции на Ниагарском водопаде.

В 1888 году Михаи́л О́сипович Доли́во-Доброво́льский (1862-1919) начал работу над двигателем своей конструкции. Он установил, что при наличии только двух пар полюсов невозможно образовать постоянное по величине вращающееся магнитное поле, и начал увеличивать число полюсов или фаз. Характеристики двигателей улучшались, но... каждая фаза требовала для питания два провода, что в эксплуатации сводило на нет все преимущества двигателя: ведь каков расход меди!

Остановившись на трехфазной системе, Доливо -Добровольский разработал схему в которой для питания использовалось всего три провода.

Применив короткозамкнутый ротор в двигателе, изобретатель убрал из него коллекторно-щеточный аппарат, сделав машину весьма удобной и простой в обращении. Это произошло в 1889 году, то есть всего лишь за год он разработал конструкцию, которая используется до сих пор!

Триумф трехфазной системы электропередачи пришел в 1891 году, когда Техническое руководство фирмы AEG (альгемайн электрицитэйт гезельшафт — АЕГ) первая фирма, которая ввела понятие полного бренда — логотип, дизайн и фирменный стиль) — приняло смелое решение: продемонстрировать участникам Франкфуртской электротехнической выставки передачу электроэнергии на расстояние в 175 км (по тем временам это был фантастический проект) между городами Лауффен и Франкфурт-на-Майне.

Руководителем работ по реализации проекта был М.О. Доливо-Добровольский. За очень короткий срок должен был спроектировать и построить небывалые по мощности асинхронный короткозамкнутый двигатель (100 л.с.) и трёхфазные трансформаторы. Власти германских земель отнеслись отрицательно к сооружению ЛЭП, испытывая страх перед деревянными столбами, украшенными табличками с черепами. Тогда Доливо-Добровольский публично провёл опасный эксперимент. Когда линию впервые включили под напряжение, один из проводов был специально оборван, с яркой вспышкой упав на рельсы железной дороги. Абсолютно уверенный в надёжности спроектированной им защиты, Михаил Осипович сразу же подошёл к проводу и поднял его голыми руками. Этот довод оказался самым убедительным.

25 августа 1891 года работу линии электропередач продемонстрировали посетителям выставки. Зажглись 1000 электроламп, питаемых переменным током от гидростанции г. Лауффена; был успешно испытан мощный стосильный асинхронный двигатель, приводивший в действие 10-метровый декоративный водопад, низвергавшийся со скалы.

Несмотря на то, что некоторые детали, по свидетельству Доливо-Добровольского, «придумывались в течение часа», всё оборудование действовало безотказно. Успешная работа линии дальней передачи электроэнергии свидетельствовала о возможности и экономической целесообразности применения системы трёхфазного переменного тока, а её создателю принесла мировую известность. Испытание системы Доливо-Добровольского продемонстрировало небывалый КПД передачи — он составил 79% при напряжении в 28 300 В.

По гравюре 1890г. Где изображён машинный зал центральной электростанции в Берлине мы вполне можем составить представление о  промышленном развитии Германии во второй половине XIX века.

В России в 1893 году в Новороссийске также была построена трехфазная электростанция мощностью 1200 кВт с таким машинным отделением: cтроил электростанцию русский инженер-путеец А. Шенснович.

Старейшая из ныне действующих электростанций Петербурга — Электростанция №2 Центральной ТЭЦ — отмечает 120-летие В ЭТОМ ГОДУ. 27 апреля 1897 года Центральная электростанция Акционерного Общества «Гелиос» дала промышленный ток. Были пущены 7 паровых котлов и 4 паровые машины Аугсбургского машиностроительного завода. Через год установили еще 6 котлов и 3 машины. Установленная мощность станции составила 5,25 МВт. (для сравнения сегодня установленная электрическая мощность — 55,0 МВт). Параллельно со строительством здания станции общество «Гелиос» вело многочисленные переговоры о возможности прокладки кабелей от электростанции к промышленным и частным потребителям.

Вот уже почти 130 лет, как в мировой энергетике доминируют передачи трехфазного тока, но это не значит, что они не имеют недостатков: дело в том, что для переменного электрического тока в принципе не существует идеальных изоляторов. Такой электротехнический прибор, как конденсатор, состоящий из пластин, переложенных диэлектриком, для переменного тока — сопротивление, а не накопитель энергии. Если себе представить воздушную линию электропередачи, как конденсатор, где обкладками являются провода, а диэлектрик окружающий воздух, то можно понять, что с увеличением расстояния передачи емкость самой системы будет увеличиваться, а с ней и потери. И чем выше напряжение — тем больше. В каких-то пределах передача трехфазными токами оказывается неэкономичной.

Автор трехфазной системы Доливо-Добровольский это прекрасно понимал и говорил, что со временем следует перейти для сверхдальних электропередач к линиям постоянного тока высокого напряжения. С развитием полупроводниковой техники это стало возможным.