Коллектив авторов - История электротехники
Г. Феррарисом был сделан существенный вклад в теорию переменных токов. В 1886 г. в своем труде «О разности фаз у токов, о запаздывании вследствие индукции и о потерях в трансформаторе» он впервые рассматривает разность фаз токов в первичной и вторичной обмотках трансформаторов, а также дает методы расчета потерь на гистерезис и вихревые токи. В 1898 г. был опубликован его фундаментальный труд «Научные основания электротехники», вскоре переведенный на русский язык.
Н. Тесла, один из самых известных и плодовитых ученых в области электротехники, начинавший свою научную карьеру в 80-х годах XIX в., получил только в области многофазных систем 41 патент. Некоторое время Н. Тесла работал в Эдисоновской компании в Париже (1882–1884 гг.), а затем переехал в США. В 1888 г. все свои патенты по многофазным системам Н. Тесла продал главе известной фирмы Д. Вестингаузу, который в своих планах развития техники переменного тока сделал ставку на работы Н. Теслы. Впоследствии Н. Тесла много внимания уделял технике высоких частот (трансформатор Теслы) и идее передачи электроэнергии без проводов. Интересная деталь: при решении вопроса о стандартизации промышленной частоты, а диапазон предложений был от 25 до 133 Гц, Н. Тесла решительно высказался за принятую им для своих опытных установок частоту 60 Гц. Тогда отказ инженеров Вестингауза от предложения Н. Теслы послужил начальным импульсом для ученого, решившего расстаться с Вестингаузом. Но вскоре именно эта частота была принята в США в качестве стандартной.
В патентах Н. Теслы были описаны различные варианты многофазных систем. В отличие от Г. Феррариса Н. Тесла полагал, что токи следует получать от многофазных источников, а не пользоваться фазосмещающими устройствами. Утверждая, что двухфазная система, являясь минимальным вариантом системы многофазной, окажется и наиболее экономичной, Н. Тесла, а вслед за ним и фирма «Вестингауз», основное внимание сосредоточили именно на этой системе.
Схематически система Н. Теслы в ее наиболее характерной форме представлена на рис. 3.12, слева изображен синхронный генератор, справа — асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушки в которых генерировались два тока, сдвинутые по фазе на 90°. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольца имеют различные диаметры). Ротор двигателя имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом одна к другой замкнутых на себя катушек.
Основным недостатком двигателя Н. Тесла, который впоследствии сделал его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имели большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины. Таковы были следствия механического переноса в технику переменного тока конструктивных схем машины постоянного тока.
Конструкция обмотки ротора, как выяснилось позднее, тоже оказалась неудачной. Действительно, выполнение обмоток сосредоточенными (а не распределенными по всей окружности ротора) при выступающих полюсах на статоре приводило к ухудшению пусковых условий двигателя (зависимость пускового момента от начального положения ротора), а то обстоятельство, что обмотки ротора имели сравнительно большое сопротивление, ухудшало рабочие характеристики.
Рис. 3.12. Конструктивные схемы генератора и двигателя ТеслаНеудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Известно, что значительную долю стоимости установки для передачи электроэнергии составляют затраты на линейные сооружения и, в частности, на линейные провода. В связи с этим казалось очевидным, что чем меньше принятое число фаз, тем меньше будет число проводов и тем, следовательно, экономичнее устройство электропередачи. Двухфазная система требовала применения четырех проводов, а удвоение числа проводов по сравнению с установками постоянного или однофазного переменного токов представлялось нежелательным. Поэтому Н. Тесла предлагал в некоторых случаях применять в двухфазной системе трехпроводную линию, т.е. делать один провод общим. В этом случае число проводов уменьшалось до трех. Однако расход металла на провода при этом снижался меньше, чем можно было ожидать, так как сечение общего провода должно было быть примерно в 1,5 раза (точнее, в √2 раз) больше сечения каждого из двух других проводов.
Встретившиеся экономические и технические трудности задерживали внедрение двухфазной системы в практику. Фирма «Вестингауз» построила несколько станций по этой системе, из которых наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлектростанция.
3.6. ТРЕХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ И АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
В то время как Н. Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная электрическая система — трехфазная. Изучение документальных материалов показывает, что в 1887–1889 гг. многофазные системы разрабатывались с большим или меньшим успехом несколькими учеными и инженерами [1.6; 3.7]…
Например, Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, сконструировал двух- и трехфазные генераторы. Однако Ч. Бредли не знал о явлении вращающегося магнитного поля и предполагал, что потребители в многофазных системах должны включаться как однофазные на каждую пару проводов.
Ф. Хазельвандер подошел к трехфазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у генератора и двигателя постоянного тока выполняет взаимообратимые функции, он решил его устранить, считая что достаточно те точки обмоток якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пластинам коллектора, соединить соответственно друг с другом. Это удобно сделать у обращенных машин, якоря которых неподвижны, а полюсы вращаются. Тогда генератор будет связан с двигателем проводами, число которых равно числу коллекторных пластин. Стремясь уменьшить число линейных проводов,
Ф. Хазельвандер нашел минимальный вариант — три провода. Однако он не сумел увидеть всех возможностей новой системы и создать пригодные для практики конструкции машин.
Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился Михаил Осипович Доливо-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником техники трехфазных систем.
М.О. Доливо-Добровольский (1862–1919 гг.) родился в Петербурге, учился в Рижском политехническом институте, но был отчислен в связи с массовыми антиправительственными выступлениями студентов в год цареубийства (1881 г.).
Лишенный права поступать в высшие учебные заведения России, он выехал в Германию и завершил свое образование в Высшем техническом училище г. Дармштадта, в котором большое внимание уделялось практическим применениям электричества.
Осенью 1888 г. М.О. Доливо-Добровольский прочел доклад Г. Феррариса о вращающемся магнитном поле и был крайне удивлен его выводом о практической непригодности «индукционного» электродвигателя. Еще до этого М.О. Доливо-Добровольский заметил, что если замкнуть накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока его торможении (т.е. в опыте динамического торможения), то возникает большой тормозящий момент. «Я тотчас же сказал себе, — вспоминал позднее М.О. Доливо-Добровольский, — что если сделать вращающееся магнитное поле по методу Г. Феррариса и поместить в него такой короткозамкнутый якорь малого сопротивления, то этот якорь скорее сам сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов. Мысленно я прямо представил себе электродвигатель многофазного тока с ничтожным скольжением».
Так М.О. Доливо-Добровольский пришел к выводу о нецелесообразности изготовления обмотки ротора с таким большим сопротивлением, при котором ротор имел бы скольжение 50%. В стержнях малого сопротивления при небольшом скольжении возникнут токи, которые в достаточно сильном магнитном поле статора создадут значительный вращающийся момент.
Усиленная деятельность в этом направлении в необычайно короткий срок привела к разработке трехфазной электрической системы и совершенной, в принципе не изменившейся до настоящего времени, конструкции асинхронного электродвигателя.
Первым важным шагом, который сделал М.О. Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьего колеса.
Рис. 3.13. Варианты ротора с обмоткой в виде беличьего колеса (из патента Доливо-Добровольского) 1 — стальной цилиндр; 2 — медные стержни; 3 — медные пластины или кольцаДля уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигателе Г. Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного поля статора, и КПД такого двигателя был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко возрастает. Однако отметим, что электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди. М.О. Доливо-Добровольский нашел блестящее решение — выполнить ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало магнитное сопротивление ротора) и в просверленные по периферии последнего каналы закладывать медные стержни (что уменьшает электрическое сопротивление ротора). На лобовых частях ротора эти стержни должны быть хорошо электрически соединены. На рис. 3.13 представлены чертежи из первого патента М.О. Доливо-Добровольского в области трехфазной системы. Этим патентом он закрепил за собой изобретение ротора с «беличьим колесом», конструкция которого принципиально сохранилась в том же виде и до настоящего времени.
