Vplyv jednosmerného stroja na vývoj striedavého motora
Vývoj indukčného motora prebiehal paralelne s vývojom jednosmerného motora. Začal sa v prvej polovici 19. storočia [1], no na rozdiel od jednosmerného motora sa mu nevenovala taká pozornosť, pretože v tom čase ešte neboli k dispozícii striedavé zdroje vhodné na jeho napájanie [2]. Z tohto pohľadu sa nedá presne určiť kto, kedy a ako prvý asynchrónny motor vynašiel. Na jeho vývoji sa podieľalo veľa známych aj menej známych vedcov a konštruktérov, ktorí ho neustále vylepšovali, a tak ho postupne priblížili k jeho dnešnej podobe.
Objav elektromagnetizmu dánskym fyzikom a chemikom Hansom Christianom Oerstedom (1777 – 1851) v roku 1820 a objavy v elektrotechnike v rovnakom období vytvorili základ skúmania vzájomného silového pôsobenia elektrických prúdov. Francúzsky matematik a fyzik André-Marie Ampere (1775 – 1836) v roku 1821 Oerstedov objav teoreticky zdôvodnil a pokračoval v skúmaní vzájomných účinkov elektrických prúdov. Zistil, že ak prúdy tečú v rovnakom smere v dvoch paralelných vodičoch, tak medzi nimi pôsobí príťažlivá sila. Ak tečú v opačnom smere, tak sa vodiče odpudzujú. Ampere odvodil základné vzorce, ktoré opisovali vzájomné pôsobenie prúdov vo vodičoch, a potvrdil ich platnosť experimentmi. V r. 1827 zostrojil prístroj, na ktorom prakticky overoval vzťah medzi magnetickým poľom a elektrickým prúdom. Originálny nákres princípu tohto prístroja je na obr. 1. A. M. Ampere je tak považovaný za otca elektrodynamiky.
Nezávisle od Ampera sa aplikáciami elektromagnetizmu v praxi zaoberal aj Michael Faraday (1791 – 1867). V roku 1821 zhotovil „elektromagnetický rotátor“, ktorý možno považovať za prvý elektromotor. Rotátor bol napájaný jednosmerným napätím. Vzájomné pôsobenie magnetického poľa od permanentného magnetu a prúdu pretekajúceho vodičom v tomto magnetickom poli spôsobilo trvalý otáčavý pohyb. M. Faraday a ďalší známy vedec Jozeph Henry (1797 – 1878) sa v prvej polovici 19. storočia intenzívne venovali elektromagnetizmu a v podstate položili základy vývoja nielen jednosmerných, ale aj striedavých strojov.
Chronológia vývoja striedavého motora
Úsilie vedcov a konštruktérov v polovici 19. storočia bolo venované predovšetkým vývoju jednosmerných motorov a dynama. Zmena nastala po roku 1884, keď Nikola Tesla (1856 – 1943) predviedol v Štrasburgu dvojfázový striedavý indukčný motor (obr. 2). Patent na tento model motora si dal Tesla zaregistrovať až po emigrácii do Spojených štátov v roku 1887 už ako americký patent.
Tesla už počas štúdia na Vysokej technickej škole v Štajerskom Hradci pracoval ako asistent u svojho profesora Poschla. Tam sa utvrdil v názore, že motory na jednosmerný prúd nie sú na praktické použitie príliš vhodné. Prekážalo mu nielen iskrenie na komutátore, ale aj vysoké straty energie pri jej prenášaní na väčšiu vzdialenosť. Vtedy prvýkrát prišiel na myšlienku zostrojiť motor na striedavý prúd, ktorú však jeho profesor jednoznačne zavrhol.
Svojej myšlienky sa nevzdal ani neskôr pri štúdiu v Prahe, ani pri práci v telegrafickej ústredni v Budapešti. Týmto problémom sa zaoberal niekoľko rokov a objavil pritom viacfázový prúd a točivé magnetické pole. S novými objavmi sa vydal do Paríža a vstúpil do služieb Edisonovej kontinentálnej spoločnosti. Začiatkom roku 1883 odcestoval do Štrasburgu, kde robil praktické pokusy s motormi na striedavý prúd a predstavil už spomínaný motor. Svoj vynález chcel uplatniť v praxi, ale získať potrebný kapitál v Paríži sa mu nedarilo. Nakoniec sa mu to podarilo až po emigrácii do Ameriky.
Tesla najprv pracoval v Edisonových laboratóriách, ale pre nezhody sa s Edisonom neskôr rozišiel. Po rozchode vytvoril Tesla začiatkom roka 1887 spoločnosť na oblúkové osvetľovanie a tento podnik mu slúžil na to, aby získal finančné prostriedky na ďalšie experimenty. Tesla vtedy pracoval veľmi intenzívne, takže už v októbri toho istého roku prihlásil základné vynálezy rozvodu striedavého prúdu a rôzne typy elektromotorov a generátorov na striedavý prúd. Okrem dvojfázového patentoval aj trojfázový indukčný motor.
O Teslove vynálezy ihneď prejavil záujem George Westinghouse. Teslove vynálezy sa pre neho zrodili v pravú chvíľu. Odberatelia prúdu z jeho striedavých centrál od neho totiž požadovali, aby im tiež dodal motor na striedavý prúd. Tesla predal patentové práva Westinghousovmu podniku za milión dolárov a získal tak prostriedky na svoje ďalšie výskumy. Na obr. 3 sú zobrazené asynchrónne motory vyrobené vo firme Westinghouse Electric Company [4], [5].
V r. 1888 spoločnosť Westinghouse kúpila všetky Teslove patentové práva týkajúce sa viacfázových striedavých motorov a viacfázového rozvodu elektrickej energie. Spoločnosť následne vyvíjala komerčný striedavý asynchrónny motor. Tesla tu pôsobil do konca roka 1889 ako špecialista a pokúšal sa aj o vývoj jednofázového asynchrónneho motora a asynchrónneho motora s pomocnou fázou.
S súčasnosti nie je veľmi známy fakt, že skúmaniu točivého magnetického poľa a striedavého elektrického prúdu sa venoval aj známy taliansky fyzik a elektrotechnik Galileo Ferraris (1847 – 1897). Ferraris sa venoval prednostne transformátorom a pri ich štúdiu zistil, že primárne a sekundárne prúdy transformátora sú fázovo posunuté. Pracoval s myšlienkou, že dva prúdy s rozdielnou fázou môžu byť použité na vytvorenie dvoch magnetických polí. Tak by sa dalo vytvoriť otáčavé magnetické pole bez akéhokoľvek prepínania vinutí. Ferraris uvedenú skutočnosť využil a v roku 1885 vyrobil prvý model striedavého motora s rotujúcim magnetickým poľom [6]. Tento model postupne vylepšoval a v r.1886 vznikol model (obr. 4), ktorý veľmi pripomína motor s kotvou nakrátko. Ferraris si svoje modely striedavých strojov nikdy nedal patentovať, ale naopak, využíval ich len vo vlastnom laboratóriu, kde ich často voľne predvádzal návštevníkom.
Ďalším významným vedcom a konštruktérom, ktorý sa pričinil o pokrok v oblasti indukčných motorov, bol ruský inžinier Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolskij (1862 – 1919). Po skončení štúdia na Vyššej technickej škole v Darmstadte začal v roku 1887 pracovať v berlínskej elektrotechnickej firme AEG, kde pôsobil celý život najprv ako hlavný elektrikár, potom ako technický riaditeľ. V roku 1889 Dolivo-Dobrovolskij podal patentovú prihlášku na trojfázový asynchrónny elektromotor s kotvou nakrátko. Patent na tento motor podal v roku 1890 aj v USA (obr. 5) a v tom istom roku si dal patentovať aj riadenie rýchlosti asynchrónneho motora s krúžkovou kotvou pomocou odporov v rotore [7]. Rotor z motora s klietkovou kotvou (kotvou nakrátko) je na obr. 6 [8]. Okrem vývoja asynchrónnych motorov sa Dolivo-Dobrovolskij venoval aj transformácii trojfázového napätia a trojfázovým generátorom. Je autorom 60 patentov v uvedenej oblasti a túto problematiku spracoval aj teoreticky. Všetky hlavné komponenty trojfázového systému, ktoré M. Dolivo-Dobrovolskij navrhol, sa pri výrobe, prenose a použití elektrickej energie využívajú aj v súčasnosti.
S jeho menom sa spája ešte jeden dôležitý medzník v Európe. V roku 1891 bol vo Frankfurte n. M. medzinárodný elektrotechnický veľtrh. M. Dolivo-Dobrovolskij tu prezentoval diaľkový prenos elektrickej energie na vzdialenosť 176 km pomocou vysokého napätia (28,3 kV) a následnú transformáciu na mieste spotreby na 65 V. Účinnosť prenosu dosiahla 79 %. To presvedčivo demonštrovalo výhody trojfázového systému prenosu elektrickej energie oproti iným riešeniam. Preto sa mnohí historici domnievajú, že práve veľtrh v roku 1891 vo Frankfurte je považovaný za začiatok masovej elektrifikácie.
Asynchrónne motory vyrábala aj firma Ganz v Budapešti. Na obr. 7 je zobrazený motor vyrobený v r. 1917 a je na Katedre elektrotechniky a mechatroniky FEI TU v Košiciach.
Literatúra
[1] Kaňuch, J.: Jednosmerný stroj – historický vývoj, Časopis pre elektrotechniku a energetiku, ročník 14, číslo 1/2008, str. 22 – 25.
[2] Kaňuch, J.: Striedavý stroj – generátor – historický vývoj. Časopis pre elektrotechniku a energetiku, ročník 14, číslo 6/2008, str. 37 – 39.
[3] Tesla Memorial Society of New York Website, Dostupné tu.
[4] Tesla Motor System, Westinghouse photo collection, Dostupné tu.
[5] Westinghouse Electric Corporation, Dostupné tu.
[6] Galileo Ferraris, Physicist, Pioneer of Alternating Current Systems, Inventor of the Induction Motor, Dostupné tu.
[7] Patent US427978 A – Alternating current motor, Dostupné tu.
[8] The first three phase asynchronous motor in MunichMuseum, Dostupné tu.
Pokračovanie v ďalšom čísle.
Kolektív autorov:
Ján Kaňuch et al.
jan.kanuch@tuke.sk
