Электрический ток, то есть движение заряженных частиц, называется переменным, если с течением времени направление его движения и величина изменяются. Обычно это циклическое изменение, которое можно передать синусоидой. А теперь представьте себе, что мы берем две такие синусоиды и сдвигаем одну из них по горизонтальной (временно́й) оси на некоторое расстояние. Теперь ток, обозначенный первым графиком, достигает своего максимума в один момент времени, а ток, обозначенный вторым графиком, — в другой, хотя в целом их периоды, напряжение, сила одинаковы. Это и есть две фазы одного тока.

Зачем такое нужно? Все становится понятным, если рассмотреть знаменитый двухфазный асинхронный электродвигатель Николы Теслы. У него есть два основных элемента — ротор, который вращается в центре, и окружающий его неподвижный статор. Статор имеет две обмотки, на которые ток из одного источника подается со сдвигом по фазе. Я подчеркну: ток один и тот же, просто на вторую обмотку он подается со сдвигом по фазе относительно первой, если представить графики этих токов, то одна синусоида будет смещена относительно другой на π/2.

В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед поставил эксперимент: он помещал над намагниченной стрелкой металлический проводник, через который пропускал ток, и стрелка изменяла свое положение в соответствии с магнитным полем. Тесла понял: для того чтобы запустить магнитный ротор, нужно заставить вращаться магнитное поле статора. Именно для этого и служили обмотки со сдвинутыми по фазе друг относительно друга токами: по сути, то одна, то вторая обмотка «подталкивала» ротор к соседке, а суммарно изменение сил, действующих на ротор, имитировало вращение магнитного поля.

Трехфазный асинхронный двигатель М. О. Доливо-Добровольского с фазным ротором и пусковым реостатом

Источник: «История электротехники», издательство МЭИ, 1999

Параллельно с Теслой созданием электродвигателей переменного тока занимался еще один инженер и ученый — итальянец Галилео Феррарис. В 1888 году Тесла и Феррарис одновременно построили двигатели переменного тока, но Тесла это сделал как инженер, с коммерческими целями и хорошей финансовой поддержкой от Вестингауза. А для Феррариса, ученого в большей мере кабинетного, это был лишь очередной интересный опыт, и хотя итальянец опубликовал описание системы чуть раньше Теслы, но так и не сумел разглядеть в своем изобретении потенциал.

А затем исследовательская статья Феррариса о вращающемся магнитном поле, а заодно и описание конструкции двигателей попались на глаза Доливо-Добровольскому.

Трехфазный ток

Тема увлекла Михаила Осиповича не на шутку. В 1888 и 1889 году он разработал и построил несколько электродвигателей переменного тока, трансформаторов и других приборов, необходимых для, скажем так, всемирной электрической системы. Работы он вел независимо от Теслы, но за конкурентом, конечно, послеживал.

Главным прорывом Доливо-Добрвольского, выведшим его вперед, стала реализация трехфазной схемы. В своем патенте Тесла регистрировал «многофазные» токи и допускал применение более чем двух фаз, но сам работал исключительно с двухфазными системами и был адептом именно такой схемы. Почему? Сложно сказать. У Теслы вообще было много странностей.

Доливо-Добровольский построил первый в мире электродвигатель, работающий на трехфазном токе, то есть разделил входящий поток не на два со сдвигом в π/2, а на три со сдвигом на 2π/3. У такой схемы было много преимуществ: более простая конструкция, бо́льшая экономичность и равномерность работы, а если говорить в целом о применении трехфазного тока, то стоит назвать еще и возможность передавать электроэнергию на расстояния с помощью всего трех проводов и полную уравновешенность системы. По сути, Доливо-Добровольский сделал электродвигатель именно таким, каков он сейчас, разработав различные варианты обмоток, статоров, роторов и получив на них ряд патентов.