Три фазы

Сто шестьдесят лет назад, в 1862 году, родился изобретатель асинхронного двигателя трёхфазного тока Михаил Доливо-Добровольский.

Михаил Осипович Доливо-Добрвольский родился в Гатчине, окончил реальное училище в Одессе, куда его семья переехала в 1872 году, и в 1878-м поступил на химический факультет Рижского политехнического училища (ныне Рижский технический университет). Однако в июне 1881 года его оттуда отчислили, причём, что называется, «с волчьим билетом» - без права поступления в другие высшие учебные заведения России. По поводу конкретной причины отчисления источники не вполне совпадают, но сходятся в том, что она была политической, связанной с убийством императора Александра II. Так или иначе, лишённый возможности доучиться в России молодой человек сумел выехать в Германию и поступил в Дармштадтскую высшую техническую школу (ныне Дармштадтский технический университет), где в 1882 году была создана первая в мире кафедра электротехники во главе с профессором Эразмом Киттлером, а в 1883-м начал читаться соответствующий курс.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский

Это обстоятельство определило дальнейшую судьбу Михаила Доливо-Добровольского как учёного и инженера - он избрал электротехнику своей специальностью и в 1884 году, закончив обучение, стал одним из первых ассистентов профессора Киттлера в основанной годом ранее лаборатории электротехники.

Стратегический союз

Уже в 1884-1885 Михаил Доливо-Добровольский опубликовал в русском журнале «Электричество» статьи с описаниями двух своих изобретений в области электрохимии: одно касалось топливных элементов, другое - получения алюминия из его окиси при высокой температуре. В 1887 году в его жизни произошли две важные перемены: во-первых, он женился, а во-вторых, Эмиль Ратенау, основатель Немецкой эдисоновской компании (Deutsche Edison-Gesellschaft), в 1888 году переименованной во Всеобщую электротехническую компанию (Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft, AEG), предложил ему место в ней. Брак Доливо-Добровольского спустя десять лет распался, а в AEG он служил до самой своей смерти в 1919 году, последние десять лет занимая пост главного инженера. Так что основные свои изобретения, касающиеся промышленного применения переменного тока, он сделал, работая в AEG.

В поисках лучшего решения

Принцип действия асинхронного двигателя независимо друг от друга открыли в 1888 году сербский физик-изобретатель Никола Тесла и итальянский физик Галилео Феррарис. Тесла сконструировал и запатентовал систему, состоявшую из генератора, линии проводной связи и двигателя переменного тока, - комплект патентов сразу же купила у него компания Westinghouse Electric, предложившая организовать выпуск асинхронных двигателей на своих заводах. Система Теслы была двухфазной, со сдвигом фаз на 90°; теоретически учёный исследовал и возможности использования большего числа фаз, но две представлялись ему оптимальным вариантом - довольно скоро выяснилось, что есть и лучшее решение. Феррарис на основе своих исследований пришел к выводу (ошибочному) о нецелесообразности применения систем переменного тока ввиду их низкого КПД, но именно под впечатлением его статьи (в переводе на английский) Михаил Доливо-Добровольский взялся за усовершенствование асинхронного двигателя.

В том же 1888 году он построил свой первый генератор переменного тока мощностью около 3 кВт не с двумя, как у Теслы, а с тремя обмотками переменного тока, сдвинутыми на 120° относительно друг друга. От трёхфазного генератора работал трёхфазный двигатель со статором в виде кольца Грамма и ротором в виде сплошного медного цилиндра.

В 1889-м Доливо-Добровольский создал новую, более совершенную конструкцию двигателя. В качестве статора в ней использовался кольцевой якорь машины постоянного тока, имеющий 24 полузакрытых паза. Обмотки размещались в пазах по всей окружности статора, что обеспечивало лучшее по сравнению с двигателем Теслы распределение магнитного поля. Короткозамкнутый ротор (типа «беличье колесо»), на который изобретатель оформил германский патент, представлял собой стальной цилиндр с просверленными по периферии каналами; в каналы были заложены медные стержни, электрически соединявшиеся друг с другом на торцевых частях ротора, - собственно, эта конструкция принципиально не изменилась до сих пор. Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм (очень мало для того времени), и опытная установка поражала всех электротехников весьма небольшими размерами для своей мощности.

Исследуя свойства трёхфазной системы, Михаил Доливо-Добровольский установил, что при нормальной работе сумма токов в ней в любой момент времени равна нулю, так что для передачи энергии от генератора к электродвигателю достаточно трёх проводов (в отличие от двухфазной системы, где их требовалось четыре). Параллельно он экспериментировал с соединениями звездой и треугольником, с токами различных напряжений и машинами, имеющими разное число пар полюсов, и разработал все элементы и решения классических трёхфазных цепей переменного тока: трёхфазные трансформаторы, пусковые реостаты, измерительные приборы, схемы включения генераторов и двигателей звездой и треугольником. Первый вариант трёхфазного трансформатора, с радиальным расположением сердечников, был запатентован в 1889 году; за ним последовало несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых удалось получить более компактную форму магнитопровода. Наконец в октябре 1891 года Доливо-Добровольский получил патент на трёхфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости, - эта конструкция в принципе сохранилась до настоящего времени.

Наглядный успех

Убедительнейшей демонстрацией возможностей трёхфазных систем, включая передачу энергии на дальние расстояния, стала лауфен-франкфуртская электропередача, осуществлённая в августе 1891 года, когда во Франкфурте-на-Майне проходила международная электротехническая выставка. Перед главным входом на выставку был построен искусственный водопад и установлен мощный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского мощностью 74 кВт (100 л. с.), который приводил в движение насос, подававший воду к водопаду. Электроэнергия для двигателя - а также для тысячи с лишним горевших на выставке электрических лампочек - вырабатывалась небольшой гидроэлектростанцией с трёхфазным синхронным генератором, стоявшей на реке Неккар, в местечке Лауфен; между Лауфеном и Франкфуртом была проложена линия электропередачи длиной 175 км. Для снижения потерь (их удалось довести до небывало низкого на тот момент значения 25%) исходное напряжение 50-55 В в Лауфене повышалось трёхфазным трансформатором до 15 кВ, а во Франкфурте с помощью другого трёхфазного трансформатора понижалось до 100 В. После закрытия выставки гидроэлектростанция использовалась для энергоснабжения города Хайльбронна, также стоящего на Некаре (Хайльбронн таким образом стал первым в истории городом с трёхфазным электроснабжением); напряжение в высоковольтной линии подняли до 25 кВ, что позволило уменьшить потери до рекордно малой величины в четыре процента.

Вглубь и вширь

С лауфен-франкфуртской электропередачи началась эра переменного тока, а Михаил Доливо-Добровольский продолжил изыскания в области техники высоких напряжений; в 1892 году он запатентовал фазометр, а в 1897-м - стрелочный частотомер, читал лекции, много публиковался. С 1903 по 1907 годы жил с семьей в Лозанне (в 1906-м вся семья получила швейцарское гражданство), целиком посвятив себя научной работе, но в 1907-м развелся с первой женой, вступил в новый брак и вернулся в Германию, где продолжил работу в AEG.

В Россию учёный так и не вернулся, хотя его приглашали занять пост декана электромеханического факультета Санкт-Петербургского политехнического института, открывшегося в 1899 году, - помешали обязательства перед AEG.

В 1918-м он начал теоретически рассматривать возможности передачи постоянного тока высокого напряжения. Однако в следующем году ему пришлось отойти от всей профессиональной деятельности из-за болезни сердца, и эти исследования закончились без результатов. В начале 1919 года он переехал из Берлина в Дармштадт. Поскольку состояние его сердца продолжало ухудшаться, он решил в конце лета 1919-го лечь в терапевтическое отделение академической больницы в Гейдельберге, где фельдшером работал его старший сын Дмитрий. Пятнадцатого ноября 1919 года Михаил Доливо-Добровольский умер. Он похоронен на лесном кладбище в Дармштадте, и эту могилу, расположенную очень близко к памятнику его учителю профессору Эразму Киттлеру, можно посетить и сегодня. В 1969 году его именем была названа улица в центре Дармштадта - Доливоштрассе.