Najważniejsze jest niewidoczne dla oczu...”. To cytat z pięknej książki „Mały Książę” Antoine’a de Saint-Exupéry’ego. Przytoczyłem go, bo bardzo lubię tę książkę, a także dlatego, że jeden z najważniejszych etapów rozwoju elektrotechniki jest zwykle niezauważany i niedoceniany w różnych opracowaniach historycznych, a ja chcę wskazać, że to on właśnie był najważniejszy. Tym etapem było zastosowanie silników elektrycznych do napędu różnych maszyn i urządzeń. Była to podstawa tak zwanej drugiej rewolucji przemysłowej, czasowo przypadającej na przełom XIX i XX wieku. O budowie pierwszych silników elektrycznych i o ich zastosowaniach (tych bardziej widocznych) pisałem już we wcześniejszych artykułach, natomiast dziś chcę powiedzieć o tym, jak radykalnie zmieniły się fabryki pod wpływem zastosowania tych silników.

Fabryki, które zapoczątkowały rewolucję techniczną w XIX wieku (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 nieustannej obsługi (m.in. palenia pod kotłem wytwarzającym parę), 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 i bardzo niebezpieczne, bo wirujące obok robotników koła i śmigające pasy były przyczyną wielu groźnych wypadków – polegających głównie na zmiażdżeniu lub urwaniu ręki. Znakomity obraz tej archaicznej techniki przedstawił Andrzej Wajda w „Ziemi obiecanej” (1974). Film, dostępny np. w internecie, warto obejrzeć, bo jest świetnie wyreżyserowany i wirtuozowsko zagrany przez najlepszych polskich aktorów. Wspominam o nim tutaj, bo sceny (drobne epizody) pokazujące funkcjonowanie parowego systemu napędowego całej fabryki są w tym filmie naprawdę znakomicie przedstawione – można by ich używać na lekcjach historii techniki!

Silnik elektryczny zmienia obraz przemysłu

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 nich może być przeznaczony oddzielny silnik. Takie rozwiązanie pozwala także na oszczędność energii, bo niepotrzebne napędy po prostu się wyłącza. Kluczem do osiągnięcia takiej doskonałości było zbudowanie silnika elektrycznego o małych rozmiarach i dużej sprawności.

Doskonaleniem silnika elektrycznego zajmowało się wielu wynalazców i konstruktorów, między innymi Belg Zénobe Théophile Gramme (w 1871 r.) oraz Niemiec Friedrich von Hefner-Alteneck (w 1882 r.). Obaj budowali jednak i doskonalili silniki prądu stałego – mniej wygodne i kosztowniejsze. Prawdziwym osiągnięciem (wykorzystywanym do dziś!) było stworzenie silnika prądu zmiennego. Pierwszy taki silnik zbudował Włoch Galileo 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 u przemysłowców. 

Więcej szczęścia miał pracujący w USA Serb Nikola Tesla (kilkakrotnie przywoływany już przeze mnie we wcześniejszych artykułach), który opatentował swój silnik w 1887 r. Tesla był już wtedy uznanym wynalazcą, dzięki czemu jego silnik zainteresował przemysłowców. Ale był to silnik dwufazowy, mający spore wady eksploatacyjne. 

Silnik trójfazowy, taki, jaki używany jest do dziś, zbudował nasz rodak Michał Doliwo-Dobrowolski w 1889 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 poprzez 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), często jest więc uważany za Niemca. Ale był synem polskiego szlachcica Józefa Doliwo-Dobrowolskiego, co więcej – właśnie za to, że był Polakiem, został relegowany z pierwszego uniwersytetu, w którym rozpoczął naukę (w Rydze). Polacy byli wtedy prześladowani w całym zaborze rosyjskim, bo polski zamachowiec Ignacy Hryniewiecki zabił cara Aleksandra II. Ta obejmująca wszystkich Polaków kara spowodowała, że Doliwo-Dobrowolski wyjechał (wraz z rodzicami) do Niemiec – tam się kształcił, tam pracował i tam zdobył sławę.

Zalety i wady silników elektrycznych

Silniki elektryczne, których genezę w skrócie opisałem, miały tak wiele zalet, że przemysłowcy zaczęli coraz częściej stosować je w fabrykach zamiast kłopotliwego i niebezpiecznego napędu z jedną centralną maszyną parową. Z kolei wytwórcy maszyn roboczych zaczęli je wyposażać we wbudowane silniki elektryczne, czyniąc je samowystarczalnymi elementami procesu produkcyjnego. Wygląd hal fabrycznych radykalnie się zmienił, a praca robotników stała się lżejsza i bardziej wydajna.

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 między 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 swoją dodatkową energię do energii silnika, pokonując zwiększone opory.

Drugim problemem, z którym przyszło się zmierzyć inżynierom stosującym w przemyśle silniki elektryczne, była kwestia prędkości obrotowej tych silników. W wielu procesach produkcyjnych prędkość ta musi się zmieniać w zależności od fazy produkcji. Przy napędzie parowym można było to osiągnąć, przekładając pasy transmisyjne na koła napędowe o większej lub mniejszej średnicy. Również maszyna parowa, napędzająca cały system, mogła się kręcić szybciej albo wolniej. Natomiast przy zastosowaniu napędu elektrycznego pojawił się problem.

Tańsze i wygodniejsze silniki prądu zmiennego

Nie sprawiały kłopotów początkowo używane silniki prądu stałego, takie jak używane w tramwajach i elektrycznych samochodach, bo one mogą się kręcić szybciej albo wolniej, zależnie od wielkości napięcia, jakie do nich dostarczamy. Regulacja napięcia jest łatwa, dlatego sterowanie 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. Częstotliwości w sieci zmieniać nie można, bo jest ona narzucana przez zasilające sieć prądnice, nazywane synchronicznymi właśnie z tego powodu, że trzymają one tę stałą, jednakową częstotliwość.

Dla pokonania tej trudności we współczesnych napędach stosuje się elektroniczne przetwornice częstotliwości i tak zwane falowniki, ale pod koniec XIX wieku, 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, a ta 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. 

Rozwiązaniem elegantszym był stosowany w mniejszych napędach silnik Schragego-Richtera, który dzięki posiadaniu dwóch uzwojeń łączył w sobie wszystkie trzy maszyny układu Leonarda i pozwalał na płynną regulację obrotów w zakresie od 0 do 5000 obrotów na minutę. Obecnie jednak także te maszyny mają już tylko zastosowanie w bardzo starych napędach, bo nieporównanie lepsze są napędy bazujące na elektronicznych przetwornikach częstotliwości.