Рис. 66. Модель для изучения многофазных токов
В колледже Тесла сказал учителю, что знает, как сделать электромотор без щеток, так как они искрят при работе. Учитель ответил, что это невозможно. В 1880 году Тесла запатентовал генератор переменного тока, трансформатор и электромотор переменного тока, не имеющий контактных щеток.
Отметим, что в современном мире получила распространение система трехфазных токов русского электротехника Доливо-Добровольского. Тесла предлагал двухфазную систему, которая требовала для передачи электроэнергии четыре провода.
Для оптимизации энергопотребления электромоторов переменного тока, Тесла предлагал включать параллельно его обмоткам конденсаторы соответствующей емкости, рис. 67. При этом возникают условия «параллельного резонанса», при которых ток, потребляемый от первичного источника, может быть во много раз меньше, чем токи в цепи контура (катушки и конденсатора). В настоящее время, используются аналогичные принципы повышения эффективности преобразования электроэнергии за счет снижения реактивных токов в цепях, для этого применяются конденсаторные установки компенсации реактивной мощности (УКРМ).
Рис. 67. Рисунок Тесла. Конденсатор включается параллельно катушке
Устройства КРМ могут быть высоковольтные, для установки на предприятиях и распределительных энергосетях в месте, до включения понижающего трансформатора, или низковольтные, для работы с обычными потребителями при напряжении 380Вольт.
Фактически, современные УКРМ – это автоматически регулируемые блоки мощных конденсаторов, о применении которых говорил Тесла. Они позволяют уменьшить потребление мощности на 30–50 %, причем в масштабах заводов и предприятий, сотни и тысячи киловатт.
Известный мне случай применения резонансного метода в России 90-х годов сейчас звучит анекдотично. Умелец настроил в резонанс трансформаторную подстанцию завода, после чего общее потребление от сети уменьшилось на 50 %, и завод стал платить за электроэнергию в два раза меньше. Прошло несколько месяцев… Энергетики позвонили руководству завода, и уточняют причины простоя завода. Заводское руководство бодро отвечает, что все нормально, модернизировали оборудование. Приехали энергетики, сломали всю «резонансную электротехнику» и выписали штраф. Умелец пропал из виду…
Насколько важно работать в резонансе, мы можем понять, изучая работы современных инноваторов. Экономия электроэнергии – это потенциальная прибыль, снижение себестоимости продукции. Например, группа «Электролаборатория Степанова» из Оренбурга, в 2010 демонстрировала возможность включения потребителей (моторы, нагреватели, освещение.) мощностью 12 кВт, при потреблении от сети всего 1,2 кВт. В 2011 году Степанов и его партнеры начали работу в Швейцарии, компания Steho www.steholab.com. В 2012 году данная группа продает лицензии во все страны и начинает производство продукции. Их «усилители мощности» можно ставить каскадно, обеспечив от источника мощностью 1 квт нагрузку мощностью 2, 4, 8 или 16 квт.
Известны также разработки компании «Транстим», Минск. Резонансные эффекты, при точной «индивидуальной» настройке аппаратуры, позволяют специалистам этой компании увеличивать выходную мощность генерирующих электростанций, либо снижать потребление мощных насосных, вентиляционных и других систем с асинхронными приводами. Тесла уточнял: промышленная электротехника без резонанса – это безграмотная трата энергии. Будущее энергетики – за резонансными трансформаторами. Мы рассмотрим эту тему отдельно, в другой главе, посвященной резонансным преобразователям энергии.
Важное изобретение Тесла, в котором он предполагает получение самовращения и автономного режима работы: униполярное динамо. В журнале «The Electrical Engineer», 1891 год, Тесла представил статью про диск Фарадея, «Notes on a Unipolar Dynamo». Тесла критиковал эффективность конструкции Фарадея, и предложил существенные улучшения. Далее, он заявил: «Возможно сконструировать и построить униполярный генератор, в котором ток создается таким образом, чтобы однажды будучи запущенным, этот генератор сможет обслуживать себя и даже увеличивать свою силу».
Тесла отметил, что в 1889 году он уже сделал несколько таких самовращающихся машин Рассмотрим особенности конструкции униполярной динамо-машины, которую он описал в своем патенте.
Во-первых, в униполярном динамо Тесла применяются не постоянные магниты, а электромагниты, и они имеют размер больше, чем диаметр диска (обмотка S на рис. 68). Магнитное поле электромагнитов проходит через весь ротор.
Рис. 68. Диск Фарадея (слева) и униполярная машина Тесла (справа)
Во-вторых, Тесла разделил спиральными кривыми диск на сектора (это не сплошной металл, а изолированные друг от друга металлические сектора на диэлектрической основе).
Он указывает в своем патенте, что если сделать сектора по линиям, которые в его рисунке показаны сплошными линиями, то для направления вращения ротора, показанного стрелкой, индуцированные токи в роторе будут иметь магнитное поле, которое будет поддерживать ток в обмотках электромагнита. При другом направлении вращения, ротор тормозится. Ток должен проходить по ротору, через щетки В и В’, в цепь нагрузки, чтобы магнитное поле индуцированного в роторе тока могло усиливать поле электромагнита.
Такой генератор, при замкнутой внешней цепи (подключенной нагрузке), становился самовращающимся. Для упрощения конструкции диска такой машины, вместо вырезания секторов, Тесла предложил закрепить на диэлектрическом роторе несколько отдельных проводов, соединенных с осью в центре, уложенных по нарисованной спиральной линии, и вторым концом подключенных к внешнему контактному кольцу.
Еще один интересный пример технического решения Тесла для систем, использующих токи высокой частоты. Он пишет в лекции «О свете и других высокочастотных явлениях», Институт Франклина, Филадельфия, февраль 1893 года: «Среди множества феноменов, наблюдаемых у электрического тока, возможно, наиболее интересным является импеданс проводников к токам с очень высокой частотой колебаний. В своем первом выступлении перед аудиторией Американского Института Инженеров – Электриков я описал несколько поразительных наблюдений. В частности я продемонстрировал, что при прохождении такого тока, или неожиданных разрядов через толстый металлический брусок, на бруске могут быть точки, отстоящие друг от друга всего на несколько дюймов, разность потенциалов между которыми оказывается достаточной для того, чтобы поддерживать яркое свечение обычной лампы накаливания».
Это заявление нам очень интересно. Обычно Тесла показывал свечение вакуумных (газоразрядных) ламп в высокочастотном электрическом поле. Здесь он говорит о лампах накаливания, а это 97 % тепла, а не только свет. Каким образом тепловая мощность может быть получена при подключении нагрузки к двум соседним точкам на поверхности «толстого металлического бруска»!? На рис. 69 показана схема данного эксперимента. Цепь тока проводимости уже закорочена U-образным контуром из «толстого медного стержня», поэтому включение ламп в цепь ничего не меняет, с точки зрения энергопотребления первичного источника. Каким образом в лампах создается мощность?!
Рис. 69. Схема к идее Тесла о включении ламп в U-образную цепь
Тесла указывает, что к конденсаторам «подключаются очень толстые медные стержни, к которым подводят контакты ламп. Перемещая лампы вдоль стержней, находят такое положение, что они светятся полной мощностью, несмотря на то, что стержни соединены между собой. Можно найти такое положение, в котором одна лампа светится, а другая остается «темной». Тесла не говорит о мощности первичного генератора колебаний. Мы можем предположить, что это не существенно.
Основной процесс происходит в «медных стержнях», на торцы которых подключены силовые конденсаторы разрядника. При современном уровне развития радиотехники, похожие явления можно наблюдать в цепях СВЧ колебаний, как стоячие волны. Таким широкополосным СВЧ источником в данной схеме Тесла является искровой разрядник, создающий продольные волны электронного газа в «медных стержнях». Спектр разряда включает также и очень высокочастотные колебания энергии, стоячая волна которых может иметь точки максимума и минимума изменений амплитуды, отстояшде друг от друга на несколько сантиметров.
В таком случае, лампы в данном эксперименте, подключаются в точках максимальной разности потенциалов стоячей электронной волны, которую создает источник переменного электрического поля в медных стержнях. Эти две точки подключения лампы должны быть в противофазе, чтобы через нить накаливания лампы попеременно проходили электроны от области избытка электронов на медном стержне в область их нехватки, и обратно, при смене фазы. Сила тока в полезной нагрузке зависит от количества свободных электронов, участвующих в колебательном процессе, то есть от толщины стержней, а мощность на выходе может быть увеличена при использовании высоких частот.
