Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

28.08.2015

29 ЕЛЕКТРИЧНІ ГЕНЕРАТОРИ ЗМІННОГО СТРУМУ

Наукові напрямки, дослідження в яких виявилися так само плідні, як в області струмів високої частоти, нечисленні. Унікальні властивості цих струмів і вражаюча природа явищ, які вони продемонстрували, негайно заволоділи увагою. інтерес до досліджень у цій області виявили вчені, перспективою їх промислового застосування зацікавилися інженери, а лікарі побачили в них довгоочікуване засіб ефективного лікування тілесних захворювань. З того моменту, коли були опубліковані мої перші науково-дослідні роботи в 1891 році, написано сотні томів на цю тему, зроблено безліч висновків у зв’язку з цим новим явищем. Тим не менш, це науково-технічний напрям знаходиться в періоді становлення, і майбутнє зберігає в своїх надрах щось незрівнянно більш значне.

Я з самого початку усвідомлював нагальну потребу створення ефективних приладів, що відповідають зростаючим вимогам, і протягом восьми років, послідовно виконуючи висловлені раніше обіцянки, розробив не менше п’ятдесяти типів перетворювачів, або електричних генераторів, змінного струму, бездоганних у всіх відносинах і доведених до такого ступеня досконалості, що і зараз ні в один з них не зміг би внести яких-небудь істотних поліпшень. Якби я керувався практичними міркуваннями, можливо, відкрив би прекрасне, що приносить дохід справу, надаючи попутно значні послуги людству. Але сила обставин і небачені раніше перспективи ще більш значних досягнень направили свої зусилля в інше русло. І тепер все йде до того, що незабаром на ринку будуть продаватися прилади, які, як це ні дивно, були створені двадцять років тому!

Ці генератори, спеціально призначені для того, щоб працювати в освітлювальних мережах постійного і змінного струму, створювати затухаючі та незатухаючі коливання з частотою, амплітудою і напругою, встановлюваними в широкому діапазоні. Вони компактні, автономні, протягом довгого часу не потребують обслуговування і будуть вважатися дуже зручними і корисними в різних областях, наприклад, для бездротового телеграфу та телефону; для перетворення електричної енергії; для утворення хімічних сполук шляхом злиття і приєднання; для синтезу газів; для виробництва озону; для освітлення, зварювання, санітарної профілактики та дезінфекції муніципальних, лікувальних і житлових приміщень, а також для багатьох інших цілей в наукових лабораторіях і на промислових підприємствах. Хоча ці перетворювачі ніколи раніше не були описані, загальні принципи їх пристрою викладені в повному обсязі в моїх публікаціях і патентах, більш докладно в датированых 22 вересня 1896 року, і тому, думається, декілька доданих фотографій і супутнє коротке пояснення дадуть вичерпну інформацію, якщо така знадобиться.

Основними частинами такого генератора є конденсатор, котушка самоіндукції для накопичення високого потенціалу, переривник і трансформатор, що живиться від періодичних розрядів конденсатора. Пристрій включає в себе як мінімум три, а зазвичай чотири, п’ять або шість елементів установки; регулювання ефективності здійснюється декількома способами, найчастіше з допомогою простого юстировочного гвинта. При сприятливих умовах можна отримати ККД до 85 %, тобто можна сказати, що енергія, що надходить від джерела живлення, може бути регенерована у вторинному контурі трансформатора. Якщо головне достоїнство апарату такого типу явно обумовлено чудовими можливостями конденсатора, то певні специфічні якості є наслідком освіти послідовного контуру за умови дотримання точних гармонійних співвідношень та мінімізації втрат на тертя, а також інших втрат, що і є однією з основних цілей цього проекту.

Кажучи узагальнено, прилади можна розділити на два класи: один, в якому переривач має тверді контакти, і інший, в якому замикання і розмикання здійснюються з допомогою ртуті. Ілюстрації з 1 по 8 включно демонструють перший тип, а решта — другий. Перші здатні досягати більш високої ефективності з урахуванням того, що втрати від замикання і розмикання знижено до мінімуму, і перехідний опір, що викликає згасання коливань, мало. Другі краще використовувати в тих випадках, коли потрібна велика потужність на виході і велике число розмикань в секунду. двигун і переривач споживають, звичайно, певну кількість енергії, частка якої, однак, буде тим менше, чим більше потужність установки.

На малюнку 1 представлений один з перших типів генераторів, побудований для експериментальних цілей. Конденсатор поміщений в ящик прямокутної форми з червоного дерева, на який монтується котушка самоіндукції, витки якої, підкреслюю, розділені на дві секції, що з’єднуються паралельно або послідовно в залежності від напруги живлення в 110 або 220 вольт. З ящика виступають чотири мідних стрижня з укріпленою на них пластиною з пружинними контактами і регулювальними гвинтами; над ящиком поміщені два масивних висновку, сполучених з первинною обмоткою трансформатора. Два стрижня призначені для з’єднання з конденсатором, а два інших використовуються для приєднання до клем вимикача перед котушкою самоіндукції і конденсатором. Первинна обмотка трансформатора складається з декількох витків мідної стрічки, до кінців якої припаяні короткі штирі, точно відповідні призначеним для них висновків. Вторинна обмотка складається з двох частин, намотаних таким чином, щоб максимально знизити власну ємність і в той же час дати можливість котушці витримувати дуже високу напругу між її висновками в центрі, які з’єднані з клемами на двох виступаючих гумових стійках. Порядок сполук в ланцюзі може дещо змінюватись, але зазвичай вони такі, як схематично представлені в травневому номері «Electrical Experimenter» на сторінці 89, де йдеться про мій трансформаторі, призначеному для роботи в генераторах змінного струму, фотознімок якого вміщено на сторінці 16 того ж номера журналу. Принцип дії пристрою полягає в наступному. Коли вимикач включений, струм від джерела живлення спрямовується через котушку самоіндукції, намагнічівая залізний сердечник всередині неї і роз’єднуючи контакти переривника. наведений струм заряджає конденсатор до високої напруги, і після замикання контактів акумульована енергія скидається через первинну обмотку, викликаючи тривалу серію коливань, які порушують налаштовану вторинну обмотку.

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 1. Генератор, створений для експериментальних цілей

Пристрій виявилося надзвичайно корисним у проведенні всіляких лабораторних експериментів. Наприклад, при дослідженні явищ імпедансу трансформатор був знятий, а до висновків підключена зігнута мідна пластина. Пластина часто замінювалася великим кільцевим витком, щоб продемонструвати явища індукції на відстані, тобто здатність збуджувати резонансні контури, використовувані в різних дослідженнях і вимірах. Трансформатор, придатний для будь-якого застосування, можна легко виготовити і приєднати до будь входів, тим самим досягалася велика економія часу і праці. Всупереч припущенням стан контактів переривника не приносило великих неприємностей, незважаючи на те, що сила струму, що проходив через них, була великою, тобто при наявності резонансу сильний струм виникав тільки в тому випадку, коли контур був замкнутий, і виключалася можливість утворення руйнівної дуги. Спочатку я застосовував платинові і іридієві контакти, пізніше замінив матеріал метеоритним речовиною і врешті-решт зупинився на вольфраме. Останній приніс найбільше задоволення, оскільки допускав безперервну роботу протягом багатьох годин і днів.

На малюнку 2 представлений малий генератор, спроектований для деяких спеціальних цілей. В основу розробки лягла ідея отримання великих енергій за дуже короткий проміжок часу після порівняно тривалої паузи. Для цієї мети використовувалися котушка з великою самоиндукцией і переривач швидкої дії. Завдяки такій побудові конденсатор заряджався до високого потенціалу. У вторинній обмотці були отримані швидкозмінний струм і іскрові розряди великої величини, придатні для зварювання тонких проводів, для засвічування ламп розжарювання, для запалу вибухових сумішей та інших подібних застосувань. Цей прилад був також пристосований для живлення від батарей, і ця модифікація виявилася досить ефективною як запальника для газових двигунів, на яку мені був наданий патент за номером 609250 від 16 серпня 1898 року. Ілюстрація 3 представляє великий генератор першого класу, призначений для експериментів в області бездротової передачі, одержання рентгенівських променів та інших наукових досліджень. Він складається з ящика і двох розміщених усередині нього конденсаторів, що мають таку ємність, яку можуть витримати заряджаюча котушка і трансформатор. Автоматичний переривач, ручний вимикач і сполучні клеми змонтовані на передній панелі самоіндукції котушки так само, як і одна з контактних пружин. Корпус конденсатора має три висновки, з яких два крайніх служать тільки для з’єднання, в той час як середній забезпечений контактною пластиною з гвинтом для регулювання інтервалу, під час якого замкнутий контур. Вібруючу пружину, єдина функція якої полягає в тому, щоб викликати періодичні розмикання, можна налаштовувати, змінюючи ступінь стиснення, а також відстань від залізного сердечника, що знаходиться в центрі заряджає котушки, з допомогою чотирьох регулювальних гвинтів, які видно на верхній панелі, що забезпечує будь-який бажаний режим механічної установки. Первинна обмотка трансформатора виконано з мідної полоси, і у відповідних точках зроблені висновки для довільного варіювання числа витків. Так само, як в осцилятор, представленому на малюнку 1, котушка самоіндукції має двосекційну обмотку, щоб прилад міг працювати від мережі напругою 110 і 220 вольт; було також передбачено декілька вторинних обмоток, відповідних хвиль різної довжини в первинній обмотці. Потужність на виході становила приблизно 500 ватт при затухаючі коливання близько 50.000 періодів в секунду. Незатухаючі коливання з’являлися на короткі проміжки часу при стисканні вібраційної пружини, яка щільно притискалася до залізного сердечника, і при роз’єднанні контактів за допомогою регулюючого гвинта, який виконував і функцію ключа. За допомогою цього генератора я провів низку важливих спостережень, і саме одна з таких машин була представлена на лекції в Нью-Йоркської академії наук у 1897 році.

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 2. Малий генератор коливань Тесли, розроблений як запальник для газових двигунів

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 3. Великий генератор коливань Тесли, призначений для проведення експериментів по бездротової передачі

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 7. Великий трансформатор Тесли

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 8. Перетворювач з роторним переривників, використовуваний для експериментів в області бездротової передачі

Ілюстрація 4 демонструє тип трансформатора, у всіх відносинах ідентичний тому, що був представлений у вже згадуваному травневому номері «Electrical Experimenter» за 1919 рік. Він складається з тих же самих основних деталей, розміщених аналогічним чином, але він спеціально сконструйований для джерел живлення від 220 до 500 вольт і вище. Настроювання здійснюється шляхом встановлення контактної пружини і переміщення залізного сердечника вгору і вниз всередині індукційної котушки за допомогою двох регулювальних гвинтів. Для запобігання пошкоджень від короткого замикання в лінію живлення включені плавкі запобіжники. Під час фотозйомки прилад працював, генеруючи незатухаючі коливання, від освітлювальної мережі в 220 вольт.

Ілюстрація 5 представляє більш пізню модифікацію трансформатора, який призначався головним чином для заміни котушки Румкорфа. У цьому випадку застосовується первинна обмотка зі значно більшим числом витків, а вторинна знаходиться в безпосередній близькості від неї. струми, що утворюються в останній, напругою від 10.000 до 30.000 вольт використовуються зазвичай для зарядки конденсаторів і харчування автономної високочастотної котушки. Механізм управління влаштований трохи інакше, але обидві деталі — і осердя, контактна пружина — регулюються, як і раніше.

Ілюстрація 6 демонструє невеликий прилад з серії такого роду пристроїв, призначений, зокрема, для виробництва озону або дезінфекції. Для своїх габаритів він надзвичайно ефективний і може бути підключений до мережі напругою 110 або 220 вольт постійного або змінного струму, перше краще.

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 9. Трансформатор і ртутний переривач

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 10. Великий перетворювач Тесли з герметичною камерою і ртутним контролером

На малюнку 7 показаний більш великий трансформатор цієї серії. Конструкція і компонування складових частин залишилися колишніми, але в корпусі є два конденсатори, один з яких входить в ланцюг котушки, як і в попередніх моделях, в той час як інший підключений паралельно до первинної обмотки. Таким чином, в останній утворюються струми великої сили і, отже, посилюються ефекти у вторинної ланцюга. Введення додаткового резонансного контуру дає також інші переваги, але настройка виявляється більш важкою справою, і тому бажано використовувати прилад такого роду для отримання струмів заданої постійної частоти.

Іл. 11. Генератор Тесли з герметично закритим ртутним переривників, сконструйованим для генераторів низької напруги

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 13. Інший вид перетворювача змінного струму з герметично запаяних ртутним переривником

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 14. Схема компонування деталей моделі, представленої на ілюстрації 13

Ілюстрація 8 показує трансформатор з роторним переривників. У корпусі є два конденсатора однакової ємності, які можуть з’єднуватися послідовно або паралельно. Заряджаючі індуктивності мають форму двох довгих бобін, на яких містяться два висновки вторинного контуру. Для приведення в дію спеціально сконструйованого переривника застосовується невеликий мотор постійного струму, число оборотів якого може варіюватися в широких межах. За іншими характеристиками цей генератор подібний моделі, представленої на малюнку 3, і з вищесказаного легко можна зрозуміти, як він працює. Цей трансформатор використовувався мною в дослідах по бездротової передачі і часто для освітлення лабораторії моїми вакуумними трубками, а також експонувався під час згаданої вище лекції, яку я читав перед Нью-Йоркською академією наук.

Тепер перейдемо до машин другого класу, однією з яких є перетворювач змінного струму, показаний на малюнку 9. у його схему входять конденсатор і заряджаюча індукційна котушка, які поміщені в одну камеру, трансформатор і ртутний переривник. Конструкція останнього була вперше описана в моєму патенті № 609251 від 16 серпня 1898 року. він складається з приводиться в рух електродвигуном полого барабана з невеликою кількістю ртуті всередині нього, що відкидається відцентровою силою на стінки порожнини і захоплює за собою контактний диск, періодично замикає й розмикає конденсаторну ланцюг. З допомогою регулювальних гвинтів над барабаном можна за бажанням змінювати глибину занурення лопатей, отже, тривалість кожного контакту, і таким чином регулювати характеристики переривника. Цей вид переривника задовольняв всім вимогам, так як справно працював з струмами силою від 20 до 25 ампер. Кількість переривань в секунду становило зазвичай від 500 до 1000, але можлива і більш висока частота. всі пристрій має габарити 10 дюймів х 8 дюймів х 10 дюймів, вихідна потужність складає приблизно 1 /2 кВт.

В описаному тут перетворювачі переривач схильний до впливу атмосфери і відбувається поступове окислення ртуті. Від цього недоліку позбавлений прилад, представлений на ілюстрації 10. Він має перфорований металевий корпус, всередині якого розміщуються конденсатор і заряджаюча індукційна котушка, а над ним знаходяться мотор переривника і трансформатор.

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 15 і 16. Перетворювач Тесли з герметично закритим ртутним переривників, робота якого регулюється силою тяжіння; вузли електродвигуна і переривника

Тип ртутного переривника, який буде описаний, діє за принципом реактивного струменя, яка, пульсуючи, створює контакт з обертовим диском усередині барабана. Нерухомі деталі закріплені всередині камери на штанзі, що проходить по всій довжині полого барабана, і ртутний затвор використовується для герметичного закриття камери, всередині якої знаходиться переривник. Проходження струму всередину барабана здійснюється за допомогою двох ковзних кілець, розташованих зверху, які з’єднані послідовно з конденсатором і первинною обмоткою. Виняток кисню є безперечним удосконаленням, яке усуває окислення металу і пов’язані з цим труднощі і постійно підтримує робочий режим.

На ілюстрації 11 показаний генератор з герметично закритим ртутним переривників. У цьому пристрої нерухомі частини переривника всередині барабана укріплені на трубці, через яку пропущений ізольований провід, що приєднаний до одного висновку вимикача, в той час як інший висновок підключений до резервуару. Це робило непотрібними ковзні кільця і спрощувало конструкцію. Прилад сконструйований для генераторів з низькою напругою і частотою, що потребує порівняно невеликого струму в первинній обмотці, використовувався для збудження резонансних контурів.

Ілюстрація 12 представляє вдосконалену модель генератора коливань, опис якої дано ілюстрації до 10. У цій моделі була ліквідована несуча штанга всередині порожнього барабана, і пристрій, нагнетающее ртуть, утримується на місці під дією сили тяжіння. Більш докладний опис буде приведено у зв’язку з іншою ілюстрацією. І ємність конденсатора, і кількість витків первинного контуру можна змінювати, щоб мати можливість генерувати коливання в декількох частотних режимах.

Ілюстрація 13 являє собою фотографічне зображення ще одного типу генератора змінного струму з герметично закритим ртутним переривників, а ілюстрація 14 являє собою схему ланцюгів і компонування частин, які відтворені з мого патенту № 609245 від 16 серпня 1898 року, де описується саме цей пристрій. Конденсатор, індукційна котушка, трансформатор і переривач розміщені, як і раніше, але останній має конструктивні відмінності, що стане зрозумілим після розгляду цієї схеми. Порожній барабан з’єднаний з віссю, яка змонтована з вертикальним підшипником і проходить через постійний електромагніт порушенняd двигуна. Всередині барабана на підшипниках кочення укріплено тіло h з магнітного речовини, захищеного ковпаком b в центрі пластинчастого залізного кільця, з полюсними наконечниками оо, на яких є підключені до струму спіралі р Кільце підтримується чотирма стійками, і у намагніченому стані воно утримує тіло h в одному положенні під час обертання барабана. Останній виготовлений із сталі, а ковпак краще зробити з нейзильберу, чорніння кислотою або нікельованого. Тілоh має коротку трубку k, зігнуту, як показано, для вловлювання рідини в процесі її обертання і викидання на зуби диска, прикріпленого до барабану. Диск має ізоляцію, а контакт між ним і зовнішнім контуром здійснюється за допомогою ртутної воронки. При швидкому обертанні барабана струмінь рідкого металу викидається на диск, замикаючи і розмикаючи таким способом контакт приблизно 1.000 разів в секунду. Прилад працює безшумно і завдяки відсутності окислюється середовища залишається незмінно чистим і у відмінному стані. Можливо тим не менш домогтися набагато більшого числа коливань в секунду для того, щоб зробити струми придатними для бездротової телефонії, та інших подібних цілей.

Модифікований тип генератора коливань представлений на ілюстраціях 15 і 16, перша є фотографічним зображенням, а друга — схемою, що показує компонування внутрішніх частин регулятора. В даному випадку вал b. несучий пустотіла контейнер , спираючись на підшипники кочення, з’єднаний зі шпинделем j. до якого прикріплений вантаж k. ізольований від останнього, але механічно з ним з’єднаний, зігнутий кронштейн L служить опорою свободновращающемуся диску переривника з зубцями. Диск підключений до зовнішнього контуру за допомогою ртутної воронки і ізольованого штепселя, що виступає з верхньої частини валу. Завдяки похилому положення електродвигуна вантаж k утримує диск переривника на місці силою тяжіння, і, оскільки вал обертається, контур, що складається з конденсатора і первинної котушки, швидко замикається і розмикається.

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 17. Перетворювач Тесли з перериває пристроєм у вигляді струменя ртуті

Ілюстрація 17 демонструє ідентичний прилад, в якому переривач являє собою струмінь ртуті, що б’є в ізольоване зубчасте колесо, яке знаходиться на ізольованому штирі в центрі ковпака барабана, як це видно на знімку. З’єднання з конденсатором здійснюється за допомогою щіток, що знаходяться на цій же кришці.

Ілюстрація 18 — тип перетворювача з ртутним переривником із застосуванням диска, модифікованого в деяких деталях, які необхідно уважно розглянути.

Тут представлено лише кілька перетворювачів змінного струму, робота над якими завершена, і вони становлять малу частину високочастотної апаратури, докладний опис якої я сподіваюся представити пізніше, коли буду вільний від невідкладних зобов’язань.

Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Іл. 18. Перетворювач Тесли з ртутним переривником із застосуванням диска

Короткий опис статті: електричний генератор Нікола Тесла підбив підсумки робіт в області енергетики змінного струму, зокрема розглянувши принцип роботи генераторів змінного струму Нікола Тесла, електричний генератор змінного струму, енергетика змінного струму

Джерело: Нікола Тесла. Електричні генератори змінного струму

Також ви можете прочитати