W poprzednim artykule z tego cyklu, zatytułowanym „Początki elektrycznych pojazdów”, pisałem o wykorzystaniu pierwszych, bardzo jeszcze prymitywnych silników elektrycznych, do napędu różnych pojazdów: najpierw łodzi elektrycznej Jacobiego, potem lokomotyw elektrycznych Siemensa, a także samochodów elektrycznych. Jednak najważniejsze było zastosowanie silników elektrycznych do napędu różnych maszyn i urządzeń. Była to podstawa tak zwanej drugiej rewolucji przemysłowej, przypadającej na przełom XIX i XX w.
Fabryki które zapoczątkowały rewolucję techniczną w XIX w. (wtedy jeszcze nie wiedziano, że jest to pierwsza rewolucja i że trzeba będzie te rewolucje numerować) korzystały z napędu w postaci maszyny parowej. Ponieważ maszyna taka wymagała ustawicznej obsługi (m.in. palenia pod kotłem wytwarzającym parę), więc stosowano jedną dużą maszynę na całą fabrykę, a energię mechaniczną z tej maszyny napędowej dostarczano do krosien tkackich lub innych maszyn roboczych za pomocą ogromnych wałów napędowych pod sufitem hali fabrycznej oraz systemu kół i pasów napędowych. Było to kłopotliwe, niewygodne i bardzo niebezpieczne, bo wirujące obok robotników koła i śmigające pasy były przyczyną wielu groźnych wypadków – głównie polegających na zmiażdżeniu lub urwaniu ręki.
W odróżnieniu od omówionego wyżej napędu parowego – napęd elektryczny maszyn fabrycznych jest czysty i bezpieczny. Silniki elektryczne, ciche i sprawne, mogą być umieszczone przy każdej maszynie osobno. Co więcej – jeśli maszyna wykonuje kilka różnych czynności, to do każdej z tych czynności może być przeznaczony oddzielny silnik. Takie rozwiązanie pozwala także na oszczędność energii, bo niepotrzebne napędy się po prostu wyłącza.
Kluczem do osiągnięcia takiej doskonałości było zbudowanie silnika elektrycznego o małych wymiarach i dużej sprawności.
Doskonaleniem silnika elektrycznego zajmowało się wielu wynalazców i konstruktorów, m.in. i Belg Zénobe Théophile Gramme (w 1871 r.) oraz Niemiec Friedrich Hefner-Alteneck (w 1882 r.). Obaj budowali jednak i doskonalili silniki prądu stałego – mniej wygodne i kosztowniejsze. Prawdziwym osiągnięciem (wykorzystywanym do dnia dzisiejszego!) było stworzenie silnika prądu zmiennego. Pierwszy taki silnik zbudował Włoch Galilea Ferraris w 1885 r.. Został za to członkiem Akademii Nauk w Turynie, ale mimo sukcesu na wystawie międzynarodowej w Antwerpii, jego silnik nie znalazł uznania przemysłowców. Więcej szczęścia miał pracujący w USA Serb Nikola Tesla, który opatentował swój silnik w 1887 r. Tesla był już wtedy uznanym wynalazcą, więc jego silnik zainteresował przemysł, ale był to silnik dwufazowy, mający spore wady eksploatacyjne. Silnik trójfazowy, taki jaki używany jest do dziś, zbudował nasz rodak Michał Doliwo-Dobrowolski w 1989 r. To był naprawdę genialny konstruktor i wynalazca. Jako pierwszy na świecie zbudował on silnik elektryczny dużej mocy (sto koni mechanicznych!) i pokazał, że można go skutecznie zasilać przez linię energetyczną nawet z odległości 175 km. Niestety Doliwo-Dobrowolski mimo polskiego pochodzenia i polskiego nazwiska całe życie pracował na uniwersytetach niemieckich (w Darmstadt, we Frankfurcie i w Heidelbergu), więc często jest uważany za Niemca.
Jednak wkrótce okazało się, że silniki elektryczne w fabrykach mają także pewne wady. Główną wadą była słaba zdolność pokonywania przez silniki elektryczne skokowych zmian obciążenia. Przy wielu procesach produkcyjnych opór stawiany maszynie roboczej przez obrabiany przedmiot może się nagle i radykalnie zmieniać. Przykładem mogą być procesy walcowania w hucie. Gdy walce wirują swobodnie w powietrzu – opór jest znikomy. Ale gdy miedzy walce wbija się obrabiany blok stali – konieczny jest skokowy wzrost mocy silnika napędowego, żeby ten metal zgnieść i przewalcować. Przy napędzie parowym problem praktycznie nie istniał, bo nadmiar mocy maszyny parowej i jej bezwładność przezwyciężały opory. Silnik elektryczny nie dawał takich możliwości.
Problem rozwiązał niemiecki inżynier elektryk Karl Ilgner, który w 1901 r. opatentował koło zamachowe. Silnik elektryczny Ilgnera miał na wale dodatkowe masywne koło, które szybko wirując gromadziło duży zasób energii kinetycznej. Gdy obciążenie ze strony maszyny roboczej raptownie wzrastało – koło dodawało swoja dodatkową energię do energii silnika, pokonując zwiększone opory.
Drugim problemem, z którym przyszło się zmierzyć inżynierom stosującym silniki elektryczne w przemyśle, była kwestia prędkości obrotowej tych silników. Początkowo używane silniki prądu stałego, takie jak używane w tramwajach i elektrycznych samochodach, mogły się kręcić szybciej albo wolniej, zależnie od wielkości napięcia, jakie do nich dostarczamy. Regulacja napięcia jest łatwa, więc sterowania takimi silnikami nie nastręczało większych trudności. Ale w fabrykach chętniej stosowano tańsze i wygodniejsze silniki prądu zmiennego (głównie trójfazowe), a te mają szybkość obrotową zawsze taką samą, dyktowaną przez częstotliwość prądu w sieci zasilającej.
Dla pokonania tej trudności we współczesnych napędach stosuje się elektronicznej przetwornice częstotliwości i tak zwane falowniki, ale pod koniec XIX w., gdy silniki elektryczne masowo trafiały do fabryk, takiej możliwości nie było. Zastosowano więc trochę desperackie rozwiązanie, które wymyślił i spopularyzował amerykański inżynier elektryk i wynalazca Harry Ward Leonard. Zbudował on w 1891 r. układ napędowy złożony z silnika prądu zmiennego (zasilanego z sieci energetycznej), który napędzał prądnicę prądu stałego, która z kolei zasilała silnik wykonawczy prądu stałego napędzający maszynę roboczą. Było to rozwiązanie mało eleganckie (jak sięganie prawą ręką do lewej kieszeni), ale przez swoją prostotę bardzo niezawodne i stosowane (w starszych fabrykach) do dziś.
Ryszard Tadeusiewicz, prof. AGH
