МИХАИЛ ОСИПОВИЧ ДОЛИВО-ДОБРОВОЛЬСКИЙ
Текст Александра Титова.
Опубликован в 35-м томе журнала «МОСТ» (Санкт-Петербург, 2012)
Страница журнала здесь:
http://www.proza.ru/avtor/dianalucifer
Согласно нашей традиции, мы публикуем статьи по истории электротехники. Кратко о том, кто такой Михаил Осипович Доливо-Добровольский. Это электротехник конца XIX века, который изобрёл трёхфазную систему электропередачи совершенно в том самом виде, в котором мы пользуемся ею сейчас, а также изобрёл один из очень популярных типов асинхронных электромоторов, который с тех пор не изменился, и этими моторами мы тоже широко пользуемся сейчас. Почему не Тесла, который изобрёл промышленный асинхронный мотор и первым начал электрификацию США с помощью системы переменного тока? Об этом будет далее.
Фамилия читается с ударением на «и»: Доливо. Долива (Три розы) (Doliwa) – это польский дворянский герб. Википедия говорит: «Герб этот был пожалован одному витязю за отличие при крепости Ливе; роза же, как и всякий цветок в гербе воина, означает примирителя или избавителя от осады». Мне не удалось найти, какому именно витязю; один и тот же герб в Польше может принадлежать очень многим фамилиям. Так что Doliwa – это не фамилия, а название герба, и наш Добровольский из рода Добровольских (Dobrowolski) герба Doliwa. Распространённый вариант происхождения фамилии Добровольский такой: фамилию мог получить студент духовного учебного заведения за то, что поступил в учение добровольно, либо за прилежание и добрую волю к учёбе. Но в опубликованной родословной (Веселовский О.Н. Доливо-Добровольский. – М., 1963; Храмов Ю.А. Физики: Биографический справочник. – Киев, 1977. – С.129) первым известным предком значится Григорий Одынец Добровольский, владелец имения Тересполь в Люблинском воеводстве, умерший около 1563 года В 1832 году Ф.О. Доливо-Добровольскому был высочайше пожалован диплом на российское дворянство и герб.
«В верхней правой четверти золотое солнце на лазоревом поле – древний герб Волыни, где были имения Доливо-Добровольских. В верхней левой четверти на золотом поле змея, кусающая свой хвост, – символ вечности. В нижней правой четверти на червлёном поле серебряный рыцарь с поднятым мечом. В нижней левой четверти древний герб рода Долива, перевязь вправо, исполнена волнистой, на перевязи три геральдических красных розы. В центре щита золотой военный крест.
Щит увенчан шлемом с дворянской короной. В нашлемнике два чёрных орлиных крыла и серебряная рука с мечом. Слева намёт – лазоревый с серебром, справа – золотой с красным» (Часть 10 Общего гербовника дворянских родов Всероссийской империи, с.151).
М.О. Доливо-Добровольский родился в Гатчине 21 декабря 1861 года. Его отец – Осип Фролович в это время был директором Гатчинского сиротского института. Кстати, в 90-х годах XIX века в Москве он был издателем газеты «Правда». Мать Ольга Михайловна Евреинова – дочь управляющего Петергофским дворцовым правлением. Далее цитирую №118 (273) «Гатчинской районной вечёрки»: «В 1873 году семья Доливо-Добровольских переехала в Одессу. Здесь Михаил окончил реальное училище, и в сентябре 1878 года поступил в Рижский политехнический институт. За участие в антиправительственной агитации он был исключён из института без права поступления в другие высшие учебные заведения Российской империи. Для продолжения своего образования Михаил Осипович избрал Дармштадское (Германия) высшее техническое училище, где уделялось особое внимание практическому применению электричества. В 1887 году М.О. Доливо-Добровольский был приглашён в фирму AEG (Allgemeine Elektricitats-Geselschaft), где проработал всю жизнь, пройдя путь от электрика до директора фирмы».
Теперь об изобретениях. Сам М.О. Доливо-Добровольский в книге «Из истории трёхфазного тока» пишет так: «Отдельные изобретения различных изобретателей иногда наслаиваются или перекрещиваются самым причудливым образом. Приоритет в таких случаях очень трудно установить. ...С возникновением трёхфазного тока связано много имён, каждое с известным правом. Самый краткий их перечень в алфавитном порядке таков: Бредли, Венстрём, Доливо-Добровольский, Тесла, Феррарис, Хазельваедер. Но я мог бы его при небольшом усилии удвоить».
Говоря очень кратко, суть истории такова. Промышленную систему переменного тока (генератор, оборудование электропередачи и асинхронные моторы без коллектора) изобрёл Никола Тесла. Эта система была двухфазной. С июня 1888 года Тесла и Вестингауз начали работы по электрификации в США. Тесла имел патенты со всеобьемлющими формулировками, под которые подходило и другое оборудование (в частности, Доливо-Добровольского). Система Вестингауза и Теслы оказалась менее удачной, чем у Доливо-Добровольского, но это стало ясно всем, лишь когда новая система Доливо-Добровольского была запущена в 1891 году. Сразу же была запущена и «патентная война». С одной стороны, новая система была явно лучше тесловской и подлежала повсеместному внедрению, с другой стороны – чтобы её строить, надо было, согласно формулировкам тесловских патентов, платить Тесле и Вестингаузу. В этом смысле патентно чистым в новой системе был только ротор «беличья клетка». Похожая история произошла и с радиосвязью. В ходе «патентных войн» имя Николы Теслы старательно удалялось из истории электротехники.
Перейдём к технической стороне вопроса.
Вот генератор, линии и мотор Теслы:
Вот мотор Доливо-Добровольского, точнее, схематическое изображение ротора:
И вот его линии электропередачи:
(Иллюстрации взяты из Википедии)
Далее цитирую по книге К.В. Рыжков «100 великих изобретений» (М.: Вече, 1999):
«Изобретение Теслы знаменовало собой начало новой эры в электротехнике и вызвало к себе живейший интерес во всём мире. Уже в июне 1888 года фирма «Вестингауз Электрик Компани» купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей. Эти двигатели поступили в продажу в следующем году. Они были гораздо лучше и надёжнее всех существовавших до этого моделей, но не получили широкого распространения, так как оказались весьма неудачно сконструированы. Обмотка статора в них выполнялась в виде катушек, насаженных на выступающие полюса. Неудачной была и конструкция ротора в виде барабана с двумя взаимно перпендикулярными, замкнутыми на себя катушками. Всё это заметно снижало качество двигателя как в момент пуска, так и в рабочем режиме. Вскоре индукционный двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским электротехником Доливо-Добровольским… Первым важным новшеством, которое внёс Доливо-Добровольский в асинхронный двигатель, было создание ротора с обмоткой «в виде беличьей клетки». Во всех ранних моделях асинхронных двигателей роторы были очень неудачными, и поэтому КПД этих моторов был ниже, чем у других типов электрических двигателей. (Феррарис… создал асинхронный двухфазный двигатель с КПД порядка 50% и считал это пределом.) Очень большое значение играл здесь материал, из которого изготавливался ротор, поскольку тот должен был удовлетворять сразу двум условиям: иметь малое электрическое сопротивление (чтобы индуцируемые токи могли свободно протекать через его поверхность) и иметь хорошую магнитную проницаемость (чтобы энергия магнитного поля не растрачивалась понапрасну). С точки зрения уменьшения электрического сопротивления лучшим конструктивным решением мог бы стать ротор в виде медного цилиндра. Но медь плохой проводник для магнитного потока статора, и КПД такого двигателя был очень низким. Если медный цилиндр заменяли стальным, то магнитный поток резко возрастал, но, поскольку электрическая проводимость стали меньше, чем меди, КПД опять был невысоким. Доливо-Добровольский нашёл выход из этого противоречия: он выполнил ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало его магнитное сопротивление), а в просверленные по периферии последнего каналы стал закладывать медные стержни (что уменьшало электрическое сопротивление). На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом (замыкались сами на себя). Решение Доливо-Добровольского оказалось наилучшим. После того как он получил в 1889 году патент на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть до настоящего времени. Вслед за тем Доливо-Добровольский стал думать над конструкцией статора – неподвижной части двигателя. Конструкция Теслы казалась ему нерациональной. Поскольку КПД электрического двигателя напрямую зависит оттого, насколько полно магнитное поле статора используется ротором, то, следовательно, чем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше потери электрической энергии и тем меньше КПД. Чтобы этого не происходило, зазор между ротором и статором должен быть как можно меньше. Двигатель Теслы с этой точки зрения был далёк от совершенства – выступающие полюса катушек на статоре (как это видно на рисунке) создавали слишком большой зазор между статором и ротором. Кроме того, в двухфазном двигателе не получалось равномерное движение ротора. Исходя из этого, Доливо-Добровольский видел перед собой две задачи: повысить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы. Первая задача была несложной – достаточно было убрать выступающие полюса электромагнитов и равномерно распределить их обмотки по всей окружности статора, чтобы КПД двигателя сразу увеличилось. Но как разрешить вторую проблему? Неравномерность вращения можно было заметно уменьшить, лишь увеличив число фаз с двух до трёх. Но был ли этот путь рациональным? Получить трёхфазный ток, как уже говорилось, не представляло большого труда. Построить трёхфазный двигатель тоже было нетрудно – для этого достаточно разместить на статоре три катушки вместо двух и каждую из них соединить двумя проводами с соответствующей катушкой генератора. Этот двигатель должен был по всем параметрам быть лучше двухфазного двигателя Теслы, кроме одного момента – он требовал для своего питания шести проводов, вместо четырёх. Таким образом, система становилась чрезмерно громоздкой и дорогой. Но, может быть, существовала возможность подключить двигатель к генератору как-нибудь по-другому? …И, наконец, решение, совершенно неожиданное и гениальное по своей простоте, было найдено».
Это решение было продемонстрировано на Франкфуртской международной электротехнической выставке 1891 года. Цитирую журнал «Релейщик»
«Высоковольтная линия электропередачи (ВЛ) длиной 170 км и напряжением 15 кВ соединила ГЭС близ местечка Лауфен с городом Франкфурт-на-Майне, где проходила Международная электротехническая выставка.
В числе других элементов на ВЛ были смонтированы и устройства её защиты от повреждений. Официальный пуск ВЛ состоялся 25 августа 1891 г. Однако перед пуском ВЛ возникли неожиданные затруднения. Дело в том, что ВЛ пересекла территории четырёх германских земель, и местные власти очень опасались высокого напряжения. Люди испытывали страх перед деревянными столбами с табличками, на которых был изображён череп. Люди очень опасались обрыва провода и падения его на землю, хотя было разъяснено, что все меры безопасности предусмотрены и ВЛ надёжно защищена. Тогда М.О. Доливо-Добровольскому пришлось провести опасный, но убедительный эксперимент. На границе двух земель собрались представители местных властей. Включили ВЛ под напряжение, и на глазах у всех присутствующих искусственным путём оборвали провод, который с яркой вспышкой упал на рельсы железной дороги. М.О. Доливо-Добровольский сейчас же подошёл и поднял провод голыми руками – настолько он был уверен, что спроектированная им защита сработает надёжно. Это было первое короткое замыкание и первое правильное срабатывание реле защиты».
Теперь отметим один момент, который остался недоисследованным. Упомянутые здесь изобретатели говорили о «вращающемся магнитном поле». Либо эти слова возникли из-за тех самых войн формулировок, либо это просто образное выражение. Описанные выше моторы – и Теслы, и Феррариса, и Доливо-Добровольского – по-видимому, вращение магнитного поля не используют. Я говорю «по-видимому», потому что ротор вращающееся поле всё-таки создаёт. Статор – нет. Переключение обмоток – это не вращение поля. В самой явной форме разницу можно увидеть при рассмотрении опыта Араго (1824 год) и мотора Бейли (1879 год). В опыте Араго постоянный магнит вращается рядом с медным диском, и диск начинает вращаться вслед за магнитом. В моторе Бейли вместо постоянного магнита несколько катушек и коммутатор, который переключает ток с одной катушки на другую по кругу. Диск и здесь вращается по направлению включения очередной катушки, как если бы рядом вращался магнит. Но в статьях Теслы описаны устройства, использующие именно вращение поля – например, катушка электромагнита вращается у него вокруг продольной оси. Сегодня мы вооружены знанием про силу Лоренца и можем представить, чего ожидать от таких устройств. Но как они работают на самом деле?
Продолжение следует