Geum.ru

История развития техники носит междисциплинарный характер

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
раза больше максимальных значений каждого из токов в двух других проводах).

Казавшаяся очевидной экономическая нецелесообразность двухфазной системы в совокупности со многими техническими недостатками машин Тесла задерживала внедрение этой системы в практику. Фирма Вестингауз, в которой работал Тесла, осуществила несколько установок по системе Тесла. Наибольшей по масштабам установкой этой системы была Ниагарская гидроэлектростанция.


4.3. Система трехфазного тока


В то время как Тесла и его сотрудники в Америке пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная электрическая система, а именно система трехфазного тока. Изучение документальных материалов, относящихся к истории трехфазного тока, показывает, что в 1887 – 1889 гг. идеи многофазных систем разрабатывались с большим или меньшим успехом несколькими учеными и инженерами. Некоторые из них указывали возможность получения трехфазной системы. Однако авторы этих идей и исследований в одних случаях не видели перспектив развития такой системы и ограничивали свои задачи улучшением использования активных материалов в машинах, в других случаях (например, Тесла), не найдя пути к связанной трехфазной системе (трехфазная цепь, в которой каждая фаза генератора независимо от других соединена двумя проводами со своим приемником, называется несвязанной трехфазной цепью. Если вместо трех отдельных обратных проводов применить один общий провод, то получится четырехпроводная связанная трехфазная цепь. При равномерной нагрузке фаз общий обратный провод может быть устранен, и в этом случае получается трехпроводная связанная трехфазная цепь.), останавливались перед неприятной необходимостью увеличения числа линейных проводов.

Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился Михаил Осипович Доливо-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер и явился основоположником техники трехфазного тока.

О
Михаил Осипович Доливо-Добровольский

(1862 – 1919)
сенью 1888 г. Доливо-Добровольский, тогда еще молодой инженер, познакомился с содержанием доклада Феррариса и обратил свое внимание именно на ту часть доклада, где Феррарис делает вывод о практической непригодности индукционного электродвигателя. Доливо-Добровольский не согласился с таким выводом Феррариса. Он еще до ознакомления с работой Феррариса заметил, что если замкнуть накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока при его торможении (т. е. в опыте динамического торможения), то возникает тормозящий момент большой величины. «Я тотчас же сказал себе, – вспоминал позднее Доливо-Добровольский, – что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить в него такой коротко-замкнутый 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».

Следовательно, Доливо-Добровольский сразу же понял, что нет необходимости делать обмотку ротора с таким большим сопротивлением, при котором ротор имел бы скольжение около 50%. Он совершенно правильно рассудил, что если сопротивление обмотки ротора будет небольшим, то уже при незначительном скольжении в стержнях обмотки возникнут большие токи, которые в достаточно сильном поле статора создадут значительный вращающий момент.

Усиленная работа в выявленном уже направлении привела Доливо-Добровольского в необычайно короткий срок к трехфазной электрической системе и совершенной, в принципе не изменившейся до настоящего времени, конструкции асинхронного электродвигателя.

Первым важным шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки. Это изобретение было сделано следующим образом. Как указано выше, Доливо-Добровольский пришел к выводу, что сопротивление ротора должно быть небольшим. В этом отношении лучшим конструктивным решением мог бы быть ротор в виде медного цилиндра, как это было сделано в двигателе Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного потока статора, и к. п. д. такого двигателя был бы очень низок. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко возрастет, но вместе с тем электрическая проводимость стали меньше, чем меди, и поэтому к. п. д. опять не может быть высоким. Выход из этого противоречия, найденный Доливо-Доброволь-ским, состоял в том, что он предложил выполнять 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 друг с другом. На рис. 4.5 представлены чертежи из первого патента в области трехфазной системы. Этим патентом (заявлен 8 марта 1889 г.) Доливо-Добровольский закрепил за собой изобретение ротора с беличьей клеткой, т. е. той конструкции ротора асинхронного двигателя, которая сохранилась принципиально в том же виде и до настоящего времени.



Рис. 4.5. Роторы с обмоткой в виде беличьей клетки (из патента М. О. Доливо-Добровольского)


Важнейшим этапом в трудах Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного двигателя и улучшается использование машины. Уже переход от двухфазной системы к трехфазной дает значительный выигрыш в этом отногении. Дальнейшее увеличение числа фаз, по мнению Доливо-Добровольского, не являлось целесообразным, так как привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода. Вскоре, как будет показано ниже, выяснились и другие преимущества трехфазной системы.

Но каким образом проще всего получить трехфазную систему? Уже был известен способ, при помощи которого обычную машину постоянного тока можно было превратить в генератор переменного тока. Яблочков и Грамм еще в конце 70-х годов секционировали кольцевой якорь генератора и получали от каждой секции переменный ток. В середине 80-х годов были построены первые вращающиеся одноякорные преобразователи. Эти преобразователи очень просто получались из обычной машины постоянного тока: от двух диаметрально противоположных точек обмотки якоря двухполюсной машины делались отпайки, которые выводились на контактные кольца. В этом случае к коллектору машины подводился постоянный ток, а с колец снимался переменный ток (рис. 4.6). Если в том же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстоящих точек, то на четырех, соответственно, кольцах легко получить двухфазный ток (рис. 4.7).



Рис. 4.6. Схема одноякорного преобразователя:

1-1' – щетки со стороны постоянного тока; 2-2' – щетки со стороны переменного тока


Тесла устраивал генератор, в котором имелись три независимые катушки, расположенные под углом 60° друг к другу.

Такой генератор давал трехфазный ток, но требовал для передачи энергии шести проводов, так как в этом случае Тесла получал несвязанную трехфазную цепь.




Рис. 4.7. Схема двухфазного одноякорного преобразователя

Рис. 4.8. Схема трехфазного одноякорного преобразователя

Доливо-Добровольский в результате исследования различных схем обмоток пришел к мысли сделать ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машины постоянного тока. Таким образом, был получен трехфазный ток с разностью фаз 120° (рис. 4.8). Сохранив в этой машине коллектор, Доливо-Добровольский мог использовать ее в качестве одноякорного преобразователя, на кольцах которого получался трехфазный ток.

Следовательно, Доливо-Добровольский пришел к связанной трехфазной системе, которая отличалась той особенностью, что требовала для передачи и распределения электроэнергии только трех проводов. В двухфазной системе Тесла также имелась возможность обойтись тремя проводами, однако достоинства связанной трехфазной цепи подкреплялись многими другими преимуществами как двигателей, так и вообще трехфазной системы. Оказалось, например, что на три провода в трехфазной системе при прочих равных условиях требовалось затратить меди на 25% меньше, чем на два провода в однофазной системе. Эта очевидная экономия в проводниковой меди в значительной мере способствовала в свое время решению вопроса о выборе системы тока в пользу трехфазной системы.

Особые свойства системы трехфазного тока, отличающие ее как от системы постоянного тока, так и от системы однофазного переменного тока, и, в частности, возможность с помощью трехфазного тока получить вращающееся магнитное поле заставили Доливо-Добровольского предложить даже новый термин, характеризующий новую систему. Системе «сопряженных» токов (согласно более позднему определению таких трех переменных токов, геометрическая сумма которых в любой момент времени равна нулю) было дано наименование «Drehstrom», что в переводе на русский язык означает «вращающий ток». Указанный термин до настоящего времени сохранился в немецкой литературе.

Ранней весной 1889 г. М. О. Доливо-Добровольский построил первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью около 100 Вт (рис. 4.9). Этот двигатель питался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты.



Рис. 4.9. Первый трехфазный асинхронный двигатель М. О. Доливо-Добровольского


Вслед за первым преобразователем был построен второй, более мощный, а затем стали строиться трехфазные синхронные генераторы. Уже в первых генераторах применялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и в треугольник. В дальнейшем Доливо-Добровольскому удалось улучшить использование статора с помощью широко применяемого в настоящее время метода, заключающегося в том, что обмотку делают разрезной и противолежащие катушки соединяют встречно друг другу (рис. 4.10).

Важным достижением Доливо-Добровольского явилось также то, что он отказался от выполнения двигателя с выступающими полюсами и сделал обмотку статора распределенной по всей его окружности. Благодаря этому значительно уменьшилось магнитное рассеяние в сравнении с двигателями Тесла. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил почти современные конструктивные формы. Вскоре Доливо-Добровольским было внесено еще одно усовершенствование: кольцевой тип обмотки статора был заменен барабанным. После этого асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в своих принципиальных частях не менялся.

Новое затруднение в развитии техники трехфазного тока возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников тока: как отдельных генераторов, так и электростанций в целом. Дело в том, что при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток может в несколько раз превышать номинальный. Чем больше начальный пусковой ток в сравнении с номинальным током и чем больше двигателей включается в какую-либо сеть, тем больше должна быть мощность этой сети, чтобы включение двигателей меньше отражалось на работе других потребителей. Если при работе малых машин начальный пусковой ток не имеет большого практического значения, то в случае применения машин мощностью свыше 2 – 3 кВт уже не являются безразличными условия работы сети, равно как и конструкция обмотки ротора самого двигателя.



Рис. 4.10. Разрезная обмотка статора: а – соединение треугольником; б – соединение звездой


М. О. Доливо-Добровольский в 1890 г. изготовил двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью примерно 3,7 кВт и при первом же испытании установил значительное ухудшение пусковых свойств. Причину этого он увидел в том, что короткозамкнутый ротор согласно его выражению был «слишком замкнут накоротко». При увеличении сопротивления обмотки ротора пусковые условия заметно улучшались, но рабочие характеристики двигателя ухудшались. Анализ возникших затруднений привел Доливо-Добровольского к мысли создать «переменную степень короткого замыкания». Эта идея была реализована в изобретении так называемого фазного ротора, т. е. такого ротора, обмотка которого делается подобно обмотке статора трехфазной и концы обмотки соединяются с тремя кольцами, насаженными на вал. С помощью щеток эти кольца соединяются с пусковым реостатом. Таким образом, в момент пуска в цепь ротора включается большое сопротивление, которое выводится по мере нарастания скорости. На рис. 4.11 представлена схема трехфазного асинхронного двигателя Доливо-Добровольского с фазным ротором и пусковым реостатом.



Рис. 4.11. Трехфазный асинхронный двигатель М. О. Доливо-Добровольского с фазным ротором и пусковым реостатом


Как было отмечено, фазный ротор требовал устройства на валу двигателя контактных колец, и это рассматривалось многими электротехниками как недостаток в сравнении с короткозамкнутым ротором, не имеющим никаких трущихся контактов. Однако и до сегодняшнего дня реостатный пуск находит применение в промышленных электроприводах. Система трехфазного тока не имела бы в первые же годы своего существования быстрого и широкого успеха, если бы она не решала проблемы передачи энергии на большие расстояния. Но для электропередачи требуется высокое напряжение, которое в случае переменного тока получается при помощи трансформаторов. Трехфазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформирования энергии, но требовала трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих аппаратов не могло не вызвать отрицательного отношения многих электриков к новой системе. Поэтому представляется вполне естественным стремление Доливо-Добровольского и в этом случае найти более удовлетворительное решение.



Рис. 4.12. Трансформаторы М. О. Доливо-Добровольского: а – с радиальным расположением сердечников; б, в, г – «призматический» тип; д – с параллельным расположением стержней в одной плоскости


В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников (рис. 4.12, а). Конструкция этого трансформатора еще напоминает машину с выступающими полюсами, в которой устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем Доливо-Добровольский предложил несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых он стремился получить более компактную форму магнитопровода (рис. 4.12, б, в, г). Наконец, 4 октября 1891 г. им была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 4.12, д). В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время.

Целям электропередачи отвечали также работы Доливо-Добровольского, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80 – 90-х годах прошлого века значительное место занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, иногда было желательно иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно для осветительной нагрузки, а другое, повышенное, для силовой.

Для того чтобы иметь возможность регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. четырехпроводную схему трехфазной цепи или, иначе, систему трехфазного тока с нулевым проводом. Сразу же он указал, что вместо нейтрального или нулевого провода можно использовать землю. Доливо-Добровольский правильно обосновал свои предложения доказательством того, что четырехпроводная трехфазная система позволяет допускать определенную несимметрию нагрузки, которая в этом случае не вызывает существенного нарушения режима работы, поскольку избыточный ток возвращается по нейтральному проводу. Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпроводной системы Доливо-Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор (рис. 4.13).



Рис. 4.13. Четырехпроводная трехфазная цепь с автотрансформатором: Г – генератор; АТ – автотрансформатор; Н – нагрузка


Таким образом, в течение 2 – 3 лет были конструктивно разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения: генератор, трансформатор, трехпроводная и четырехпроводная линии передачи и асинхронный двигатель в двух его основных модификациях (с фазным и короткозамкнутым ротором).

Изучение истории техники трехфазного тока показывает, что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М. О. Доливо-Добровольского. Он не только разработал основные элементы системы трехфазного тока, но и сделал ряд важнейших изобретений в области техники постоянного тока, в области электроизмерительной техники. Несомненно, столь быстрый и полный успех трудов М. О. Доливо-Добровольского во многом определялся тем обстоятельством, что его труды отвечали основным требованиям эпохи.

Действительно, Доливо-Добровольский начал свою инженерную и научную деятельность в тот период, когда развивавшиеся производительные силы общества ставили перед новой областью техники – электротехникой все новые и новые, все более и более ответственные задачи. Основное направление работ Доливо-Добровольского совпало с главным направлением в развитии электроэнергетики и приводной техники. Кроме того, нельзя упускать из виду, что Доливо-Добровольский работал в условиях наиболее развитой в то время германской электротехнической промышленности и, являясь одним из технических руководителей крупнейшей электротехнической фирмы, располагал большими возможностями для экспериментального исследования и практической реализации своих изобретений.


4.4. Первая линия электропередачи трехфазным током


Генеральным испытанием разработанной М. О. Доливо-Добровольским системы явилась Лауфен-франкфуртская экспериментальная электропередача. Этот выдающийся для своего времени эксперимент был приурочен к Международной электротехнической выставке и Международному конгрессу электротехников, которые проводились в 1891 г. во Франкфурте-на-Майне (Германия).

Организаторы франкфуртской выставки по инициативе видного немецкого электротехника О. фон Миллера предложили фирме АЕГ, в которой в то время работал Доливо-Добровольский, передать электрическим путем энергию водопада р. Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние между этими двумя пунктами составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина, дававшая полезную мощность около 300 л. с.

Перед Доливо-Добровольским была поставлена весьма ответственная задача, если учесть, что до этого времени дальность электропередачи, не считая нескольких опытных установок, не превышала 15 км. Наиболее осведомленные о работах Доливо-Добровольского лица выражали опасение, что к. п. д. передачи может оказаться ниже 50%, а один германский специалист даже подсчитал, что при расстоянии 170 км к. п. д. электропередачи при напряжении около 30 кВ не будет превышать 12,5%.

В июле 1890 г правление фирмы АЕГ на основе заключения Доливо-Добровольского ответило принципиальным согласием осуществить электропередачу. Доливо-Добровольскому предстояло в течение года спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и трехфазные трансформаторы мощностью 100 – 150 кВА. Постройка генератора была поручена главному инженеру швейцарского завода «Эрликон» Ч. Броуну, который сотрудничал с Доливо-Добровольским в области конструирования многофазных машин. Срок был чрезвычайно короткий, а задачи весьма ответственные: во-первых, новая система тока подвергалась испытанию перед лицом представителей всего мира, во-вторых, масштабы испытания были невиданными. Двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились. Об опытных конструкциях не могло быть и речи: трансформаторы и двигатели должны были быть впервые испытаны уже на выставке во Франкфурте, так как в Берлине, у АЕГ, не было соответствующего трехфазного генератора для испытаний двигателя большой мощности. Однако Доливо-Добровсльский не остановился перед трудностями. «Если я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и подвергнуть его недоверию, которое вряд ли удалось бы потом быстро рассеять, – писал он, – я обязан был принять на себя эту задачу и разрешить ее. В противном случае опыты Лауфен – Франкфурт и многое, что должно было затем развиваться на их основе, пошли бы по пути применения однофазного тока».

В январе 1891 г. был проведен предварительный опыт, который должен был рассеять сомнения в возможности высоковольтной передачи электроэнергии. Во дворе завода в несколько рядов была протянута двухпроводная линия длиной в несколько километров. Проведенные испытания на однофазном переменном токе при напряжениях от 16 до 33 кВ дали положительные результаты. Немедленно после этих испытаний началось строительство линии Лауфен – Франкфурт.

B августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемые током от Лауфенской гидростанции; 12 сентября того же года двигатель Доливо-Добровольского привел в действие декоративный водопад. Энергетический цикл был замкнут. Небольшой декоративный водопад приводился в действие энергией другого водопада, удаленного от первого на 170 км