Geum.ru

История развития техники носит междисциплинарный характер

Вид материалаДокументы

Содержание


4. Зарождение и развитие техники трёхфазного тока
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
оззрения Фарадея шли в разрез с установившимися в то время взглядами. Поколение Фарадея и последующие ученые использовали в разнообразных направлениях все практические открытия Фарадея. Но на сущность взглядов Фарадея долгое время никто не обращал внимания. К тому же Фарадей не пользовался в своих трудах математическим аппаратом, а потому многие его мысли и воззрения казались современникам недостаточно обоснованными, так как они аргументировались лишь логическими выводами из данных опыта. Взяв из арсенала достижений Фарадея все, что представляло интерес для практики, его современники остались равнодушными к его передовым воззрениям.

Заслуга Д. К. Максвелла состоит в том, что, использовав громадный экспериментальный материал, накопленный Фарадеем за многие годы исследований, он обобщил и развил прогрессивные идеи Фарадея, придав стройную математическую форму законам электромагнитных процессов.

У
Джеймс Клерк Максвелл

(1831 – 1879)
же в первых своих научных работах «О фарадеевых силовых линиях» и «О физических силовых линиях», опубликованных в 1861 – 1864 гг., Максвелл выступает в защиту воззрений Фарадея об активной роли среды, окружающей наэлектризованные и магнитные тела, и математически интерпретирует и обобщает законы, которым подчинены электромагнитные явления. Многолетние теоретические исследования Максвелла в области электричества и магнетизма нашли свое выражение и наиболее полное обобщение в его фундаментальном сочинении «Трактат об электричестве и магнетизме», изданном в 1873 г. В этом труде Максвелл изложил основы разработанной им теории поля, являющейся краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важнейшие результаты своих исследований Максвелл сформулировал в виде известных уравнений (уравнения Максвелла), которые связывают изменения основных величин, характеризующих электрические и магнитные поля.

Максвелл обобщил закон электромагнитной индукции Фарадея, распространив его на любой контур, в любой среде. Он впервые ввел понятие об электрическом смещении и о токах смещения, возникающих при изменении электрического поля. Максвелл утверждал, что там, где кончаются проводники, электрические токи не прекращаются, а продолжаются дальше в виде токов смещения, причем эти токи смещения также возбуждают магнитное поле, как и токи проводимости. Это привело его к установлению принципа замкнутости тока.

Одним из важнейших выводов Максвелла является утверждение о том, что магнитное и электрическое поля тесно связаны между собой и изменение одного из них вызывает появление другого. Максвелл доказал, что изменение электрического состояния в какой-либо одной точке поля сопровождается постепенным распространением этого переменного состояния или возмущения на соседние точки (наподобие волны). Исследования показали, что скорость распространения подобных электромагнитных возмущений совпадает со скоростью света. На основе этого Максвелл приходит к выводу, что «свет состоит из поперечных колебаний той же среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». Этот вывод положен в основу электромагнитной теории света, разработанной Максвеллом и являющейся одним из выдающихся теоретических обобщений естествознания.

Как следствие из теоретических положений Максвелла вытекало, что существует световое давление, величина которого была Максвеллом предсказана.

Максвелл не дожил до торжества своих глубоких научных идей и обобщений. Он сам еще не мог во всем объеме представить себе значения всего того, что содержалось в его «Трактате об электричестве и магнетизме», и того, что из него вытекало. Позднее немецкий физик Г. Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн, а русский физик П. Н. Лебедев открыл световое давление и определил из опытов его величину, совпадавшую со значениями, вычисленными по теории Максвелла.

Следует отметить важное значение работ проф. Н. А. Умова, среди которых особого внимания заслуживает его докторская диссертация (1874 г.) на тему: «Уравнения движения энергии в телах». В этой работе Н. А. Умов связывает кинетическую энергию с движущейся частицей и утверждает в науке понятие о движении энергии. В связи с этим им вводятся понятия о плотности энергии и скорости ее движения и даются дифференциальные уравнения движения энергии в твердых телах постоянной упругости и в жидкостях. Идеи Н. А. Умова оказали серьезное влияние на развитие представлений об энергии; эти идеи позднее (1884 г.) были восприняты и развиты английским физиком Пойнтингом применительно к электромагнитному полю.

В указанный период были проведены отдельные исследования, имевшие чрезвычайно большое значение для практической электротехники. Среди этих работ следует особо отметить исследования свойств мягкого железа, этого важнейшего активного материала, используемого в большинстве электромагнитных устройств.

Основополагающие исследования, касающиеся намагничивания мягкого железа, принадлежат профессору Московского университета Александру Григорьевичу Столетову. В ноябре 1871 г. в Московском математическом обществе А. Г. Столетов зачитал работу, составившую предмет его докторской диссертации, в которой была глубоко исследована зависимость коэффициента восприимчивости от намагниченности железа (этот коэффициент Столетов называл «функцией намагничения»). Проведя множество чрезвычайно тонких экспериментов с намагничиванием замкнутого железного кольца, Столетов установил, что коэффициент восприимчивости с увеличением намагниченности растет, достигает максимума, а затем убывает. Таким образом, Столетов глубоко изучил явление насыщения железа. Этот метод исследования, впервые разработанный Столетовым, положен в основу современных методов изучения магнитных свойств железа.

П
Александр Григорьевич Столетов

(1839 – 1896)
рактическое значение этих исследований правильно оценил сам А. Г. Столетов, указав в заключительных строках своего труда, что знание свойств железа при его намагничивании столь же важно для электромашиностроения, как знание свойств водяного пара для построения паровых машин. Своевременность появления труда Столетова не вызывает сомнений, если вспомнить, что эта работа была опубликована в 1871 г., т. е. спустя всего год после появления первых машин Грамма.

Работы в области исследования магнитных свойств железа были продолжены многими учеными 70 – 80-х годов. Так, в 1880 г. было открыто явление гистерезиса и начались глубокие исследования потерь в железе при его перемагничивании. Большое значение для проектирования электрических машин и аппаратов имели работы Джона Гопкинсона, который в начале 80-х годов сформулировал так называемый закон Ома для магнитной цепи. Гопкинсон впервые предложил при расчете электрической машины или электромагнитного аппарата разбивать их магнитную цепь на ряд участков, каждый из которых имеет постоянные магнитную проницаемость μ и сечение S и представил закон Ома для магнитной цепи в виде

,

где wi – намагничивающая сила;

Ф – магнитный поток;

l – длина соответствующего участка магнитной цепи.

На базе работ Гопкинсона был разработан метод расчета магнитной цепи, который полностью сохранил свое значение до настоящего времени.

На основании теоретических исследований 70 – 80-х годов удалось от грубой эмпирики перейти к осмысленному, достаточно строгому проектированию электрических машин, аппаратов и приборов. Прежде всего, это выразилось в совершенствовании форм магнитопроводов и, следовательно, в уменьшении магнитного рассеяния и в снижении потерь. В частности, машина постоянного тока в 1890 г. получила такую конфигурацию магнито-провода, которая не отличается от современной.


3.4. Краткое заключение


1. 70-е и 80-е годы XIX в. представляют собой период быстрого развития электротехники и различных энергетических применений электричества; это время характеризуется крупными научными обобщениями в области электричества и магнетизма, а также разработкой отдельных теоретических вопросов, позволивших перейти от эмпирических методов исследований в области электромагнетизма к расчетным приемам и методам, основанным на строгих научных данных.

2. Исходным моментом, создавшим возможность развития электротехники в этот период, является построение электромашинного самовозбуждающегося генератора с кольцевым якорем; изобретение этого экономичного и компактного генератора давало для своего времени наиболее совершенное решение проблемы генерирования электроэнергии для энергетических ее применений.

3. 70-е и 80-е годы характеризуются развитием применения электроэнергии на транспорте (для целей электрической тяги и для электродвижения судов). Получает развитие строительство электрических лифтов, подъемных кранов и электрическая тяга на рудниках. В 80-х годах трудами Бенардоса и Славянова были созданы методы электрической сварки и электрической отливки металлов. Кроме того, в этот период усилились работы в области электрических печей.

3. Богатый экспериментальный материал, накопленный в области исследования электричества и магнетизма в первой половине XIX в., и в особенности результаты опытов Фарадея послужили исходным материалом к важному и научному обобщению электромагнитной теории Максвелла. Эта теория стала базой всего последующего развития научных идей в области электричества и магнетизма. В рассматриваемый период было экспериментально доказано существование электромагнитные волн, положено начало исследованию магнитных свойств стали и созданы предпосылки для развития электромашиностроения и электроаппаратостроения на строгой научной основе.


4. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ТРЁХФАЗНОГО ТОКА


Анализ путей развития методов передачи электроэнергии на большие расстояния показывает, что к концу 80-х годов XIX века в электротехнике сложилось кризисное положение. Возможности, которые представлялись как техникой постоянного тока, так и техникой однофазного переменного тока, были ограничены и не позволяли удовлетворительно решить комплексную проблему передачи и потребления электроэнергии. Положение было таково, что эта проблема оказалась центральной не только в области электротехники, но и в развитии промышленности и техники вообще. Действительно, промышленное производство, которое приобретало все более и более концентрированный характер, требовало концентрированного производства энергии. К тому времени было уже ясно, что наиболее удобной и поэтому весьма желательной была бы следующая схема энергоснабжения промышленных предприятий: производство в больших масштабах электроэнергии в местах дешевых источников первичной энергии (тепловой или гидравлической) и передача ее на необходимое расстояние к местам потребления. Только в этом случае промышленность могла бы освободиться от тех сковывавших ее рамок, которые налагались местными энергетическими условиями или экономическими соображениями при транспортировке топлива.

Таким образом, проблема передачи электроэнергии на большие расстояния перерастала в конце XIX в. в общеэкономическую проблему.

Опыты передачи электроэнергии переменным током показали принципиальную возможность решения этой задачи. Трудность, как известно, состояла в том, что не было приемлемых для практики двигателей переменного тока. Следовательно, для того чтобы не ограничивать потребление электроэнергии только осветительными и нагревательными приборами, необходимо было построить двигатель переменного тока. Из современной электротехники известно, что вращающий момент в двигателе переменного тока можно получить в том случае, если будет создано вращающееся магнитное поле, т. е. такое магнитное поле, которое непрерывно вращается в пространстве вокруг неподвижной точки. Если в такое поле поместить, например, медный цилиндр, то в последнем будут наводиться вихревые токи, и в соответствии с законом Ленца этот цилиндр начнет вращаться в направлении вращения поля. На этом принципе построен асинхронный двигатель.

К открытию физического принципа, на котором основана работа асинхронного двигателя, ученые подошли не сразу.


4.1. Открытие явления вращающегося магнитного поля


Имеются указания, что еще в XVIII и начале XIX вв. было замечено тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки и другие явления взаимодействия между немагнитными металлами и магнитной стрелкой при их взаимных перемещениях. Наиболее интересный опыт произвел французский физик Араго, открывший явление, названное им «магнетизмом вращения». В опыте Араго в том случае, когда вращение медного диска происходило при вращении находящегося вблизи него постоянного магнита, был уже заложен принцип асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако здесь вращающееся поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом.

Долгое время явление, открытое Араго, не находило себе практического применения. Только в 1879 г. была сделана попытка усовершенствовать опыт Араго как раз в том направлении, чтобы осуществить вращение магнитного поля с помощью неподвижного устройства. В этом году В. Бейли (Англия) сконструировал прибор, в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Такое намагничивание производилось с помощью импульсов постоянного тока, посылаемых в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Внешний вид прибора Бейли представлен на рис. 4.1. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Араго, был подвешен медный диск. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы получить равномерное вращение магнитного поля. Описанное устройство было настолько технически несовершенно, что прибор Бейли, не получив никакого применения, остался физической игрушкой. Тем не менее, это было некоторое связующее звено между опытом Араго и более поздними работами.



Рис. 4.1. Прибор Бейли

Определенный шаг к открытию явления вращающегося магнитного поля сделал М. Депре, описавший в 1883 г. одну из первых схем синхронной связи. Однако Депре не сумел использовать все возможности разработанной им схемы и не заметил, что при определенных условиях в его схеме можно получить настоящее вращающееся магнитное поле.

К открытию явления вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга итальянский ученый Г. Феррарис и югославский ученый и изобретатель работавший большую часть жизни в Америке, Н. Тесла. Феррарис указывал, что способ получения вращающегося магнитного поля он нашел в 1885 году, но впервые сообщил о своем открытии в докладе Туринской Академии наук в марте.1888 г.

Двумя месяцами позже, в мае того же года с изложением существа своих открытий выступил Тесла, хотя идеи о бесколлекторном электродвигателе переменного тока у него появились еще в 1882 г.

Феррарис и Тесла в результате своих исследований показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу, питать двумя переменными синусоидальными токами, отличающимися друг от друга только по фазе, и если этот фазовый сдвиг составляет ровно 90°, то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей этих катушек получает равномерное вращательное движение, не изменяясь, однако, по абсолютной величине (рис. 4.2).



Рис. 4.2. Вращение результирующего вектора магнитной индукции В в двухфазной системе


Так было установлено, что с помощью двух или более переменных токов можно получить непрерывно вращающееся магнитное поле. Минимально необходимое для этого число токов равно двум. Поэтому вполне естественно, что исследование многофазных систем началось с системы двухфазной.


4.2. Двухфазная система


Феррарис построил небольшой двухфазный двигатель мощностью около 3 Вт. На рис. 4.3 представлена схема этого двигателя, где видны две пары взаимно перпендикулярных катушек 1-1' и 2-2' и полый медный цилиндр 3, сидящий на валу 4. Достаточно подвести к катушкам 2-2' ток, отличающийся по фазе от тока в катушках 1-1' на 90°, как во внутренней полости катушек возникнет вращающееся магнитное поле, и медный цилиндр (ротор) начнет вращаться. Но как получить два тока, отличающихся по фазе на 90° или, по крайней мере, на угол, близкий к 90°? Феррарис решает эту задачу двумя путями. В одном случае катушки 1-1' включались в первичную цепь трансформатора, а катушки 2-2' – во вторичную. Для того чтобы этот сдвиг был по возможности ближе к 90° обмотка катушек 2-2' имела большее сопротивление, чем обмотка катушек 1-1'.Благодаря этому во вторичную цепь трансформатора вводилось большое активное сопротивление, что приводило к уменьшению фазового сдвига в этой цепи. В другом случае в цепь одной катушки включалось добавочное активное сопротивление, а в цепь другой – добавочное индуктивное сопротивление.



Рис. 4.3. Схематический разрез модели двигателя Феррариса


Таким образом, Феррарис, для того чтобы получить двухфазную систему токов, «расщеплял» обычный однофазный переменный ток, создавая так называемую искусственную или вспомогательную фазу. Этот метод требовал дополнительных довольно сложных устройств для «расщепления» фаз, и, кроме того, фазовый сдвиг практически никогда не составлял 90°, что привело к искажению вращающегося поля.

Но не эти недостатки (на которые, собственно, сначала и не обратили внимания) помешали Феррарису и некоторым его современникам разработать конструкцию промышленного двухфазного электродвигателя. В своем теоретическом исследовании Феррарис предположил, что электрический двигатель, так же как это принято для электрических устройств в технике слабых токов, должен работать не при максимальном к. п. д., а при максимальной полезной мощности. Простые математические преобразования показывали, что такому условию удовлетворяет двигатель ротор которого имеет скольжение, равное 50%, т. е. вращается со скоростью вдвое меньшей, чем скорость вращающегося магнитного поля. Такой ротор должен был иметь обмотку с большим сопротивлением. Дальнейший математический анализ привел Феррариса к неправильному выводу, что двигатель, построенный на базе использования свойств вращающегося магнитного поля, принципиально не может иметь к. п. д. выше 50%. Естественно, столь низкий к. п. д. не мог удовлетворить электротехников-практиков, и интерес к работам Феррариса заметно ослабел. Так ошибочное начальное условие в теоретическом анализе на некоторое время задержало развитие прогрессивной по своему существу технической идеи.

Для полноты представлений об истории двухфазной системы можно добавить, что в 1889 – 1890 гг. были построены первые конденсаторные двигатели, в которых сдвиг по фазе осуществлялся с помощью конденсаторов.

П
Никола Тесла

(1856 – 1943)
о иному пути пошли некоторые другие изобретатели, и среди них наибольших успехов добился Никола Тесла. Тесла, не прибегая к попыткам получить необходимую разность фаз в самом двигателе, пришел к выводу о целесообразности построения такого генератора, который сразу давал бы, так сказать, в готовом виде два тока с разностью фаз в 90°.



Рис. 4.4. Схемы генератора и двигателя Н. Тесла

Тесла построил двухфазный генератор и питал от него двухфазный асинхронный двигатель. Схематически система Тесла в ее наиболее характерной форме представлена на рис. 4.4. На этом рисунке слева изображен синхронный генератор, а справа – асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две перпендикулярные друг другу катушки. Без особых пояснений понятно, что в таких катушках генерировались два тока, сдвинутых 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 тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу короткозамкнутых катушек.

Важнейшим недостатком построенных двигателей Тесла было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имели очень большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины.

Существенным недостатком двухфазной системы являлось то, что она требовала для передачи электроэнергии четырех проводов вместо двух при однофазной системе. Правда, Тесла предлагал сделать один провод общим, и тогда число проводов снижалось до трех, однако и в этом случае расход меди на провода увеличивался примерно в 1,5 раза в сравнении с однофазной системой (максимальное значение тока в общем проводе в