Помоги проекту - поделись книгой:
В России крупнейшие станции переменного тока были сооружены в конце 80-х и начале 90-х годов XIX в. Первая центральная электростанция построена венгерской фирмой «Ганц и Кº» в г. Одессе в 1887 г. Основным потребителем энергии была однофазная система электрического освещения нового театра. Эта электростанция представляла собой для своего времени прогрессивное сооружение. Она имела четыре водотрубных котла общей производительностью 5 т пара в час, а также два синхронных генератора общей мощностью 160 кВт при напряжении на зажимах 2 кВ и частоте 50 Гц. От распределительного щита энергия поступала в линию длиной 2,5 км, ведущую к трансформаторной подстанции театра, где напряжение понижалось до 65 В (на которое были рассчитаны лампы накаливания). Оборудование электростанции было столь совершенным для своего времени, что, несмотря на то что топливом служил привозной английский уголь, стоимость электроэнергии была ниже, чем на более поздних петербургских и московских электростанциях. Расход топлива составлял 3,4 кг/(кВт∙ч) [на петербургских электростанциях 3,9–5,4 кг/(кВт∙ч)].
В том же году началась эксплуатация электростанции постоянного тока в Царском Селе (ныне г. Пушкин). Протяженность воздушной сети в Царском Селе уже в 1887 г. была около 64 км, тогда как два года спустя суммарная кабельная сеть «Общества 1886 г.» в Москве и Петербурге, составляла только 115 км. В 1890 г. Царскосельская электростанция и сеть были реконструированы и переведены на однофазную систему переменного тока напряжением 2 кВ. По свидетельству современников, Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.
Крупнейшей в России электростанцией для снабжения однофазной системы переменного тока была станция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н.В. Смирновым. Мощность ее составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существовавшей в то время станции постоянного тока. В качестве первичных двигателей использовались четыре вертикальные паровые машины мощностью 250 л.с. каждая. Применение переменного напряжения 2000 В позволило упростить и удешевить электрическую сеть и увеличить радиус электроснабжения (более 2 км при потере до 3% напряжения в магистральных проводах вместо 17–20% в сетях постоянного тока). Таким образом, опыт эксплуатации центральных станций и однофазных сетей показал преимущества переменного тока, но вместе с тем, как уже отмечалось, выявил ограниченность его применения. Однофазная система тормозила развитие электропривода, усложняла его. Так, например, при подключении силовой нагрузки к сети Дептфордской станции приходилось дополнительно помещать на валу каждого синхронного однофазного двигателя еще разгонный коллекторный двигатель переменного тока. Легко понять, что такое усложнение электропривода делало весьма сомнительной возможность его широкого применения.
3.5. ОТКРЫТИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СОЗДАНИЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX столетия, когда решение комплексной энергетической проблемы вызвало к жизни электропередачу и электропривод. Электрификация началась тогда, когда оказалось возможным строить крупные электрические станции в местах, богатых первичными ресурсами, объединять их работу на общую сеть и снабжать электроэнергией любые центры и объекты электропотребления.
Техническая сторона электрификации заключалась в разработке многофазных систем, из которых практика сделала выбор в пользу системы трехфазной. Наиболее важными и во всяком случае новыми элементами трехфазной системы были электродвигатели, действие которых основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.
Ранее упоминался опыт Д.Ф. Араго, в котором диск и вращающийся магнит отражали только возможность осуществления асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако это поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом.
Долгое время явление, открытое Д.Ф. Араго, не находило практического применения. Только в 1879 г. английский ученый Уолтер Бейли сконструировал прибор (рис. 3.9), в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства —: путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Намагничивание производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так, что через восемь переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление в пространстве на 360°. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Д.Ф. Араго, был подвешен медный диск. У. Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение магнитного поля. Прибор У. Бейли не нашел никакого применения. Тем не менее он был некоторым связующим звеном между опытом Д.Ф. Араго и более поздними исследованиями. С позиций сегодняшнего дня представляется крайне простым осуществление вращающегося магнитного поля в установке У. Бейли или в подобном приборе иной конструкции путем питания электромагнитов синусоидальными токами с различными начальными фазами. Однако в 80-х годах XIX столетия на это ушло несколько лет работы и поисков многих ученых, среди которых были Марсель Депре, разработавший в 1883 г. систему синхронной связи двух движений, изобретатель репульсионного двигателя американский ученый Илайю Томсон (1853–1937 гг.), американский электротехник Чарльз Бредли, немецкий инженер Фредерик Хазельвандер (1859–1932 гг.) и др. В связи с этим интересно привести фразу И. Томсона: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению». История открытия вращающегося магнитного поля и многофазных систем до крайности запутана. В 90-е годы XIX в. прошли многие судебные процессы, на которых разные фирмы, скупившие патенты изобретателей, пытались утвердить свои права на многофазные системы. Только американская фирма «Вестингауз» провела более 25 судебных процессов.
Однако исчерпывающие и получившие наибольшую известность экспериментальные и теоретические исследования вращающегося магнитного поля выполнили независимо друг от друга выдающиеся ученые итальянец Галилео Феррарис (1847–1897 гг.) и серб Никола Тесла (1856–1943 гг.) [1.6; 3.6; 3.7].
Г. Феррарис утверждал, что суть явления вращающегося магнитного поля он осознал еще в 1885 г., но доклад «Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов» он сделал в Туринской академии (членом которой он состоял с 1880 г.) 18 марта 1888 г.
Н. Тесла в своей автобиографии рассказывал, что идея двухфазного асинхронного двигателя родилась у него еще в 1882 г., когда он работал в Будапештской телеграфной компании. Гуляя в парке с другом, он, осененный идеей, тростью сделал на песке набросок принципа, который изложил шесть лет спустя на конференции в американском Институте электроинженеров. Доклад в этом институте состоялся 16 мая 1888 г., т.е. на два месяца позднее доклада Г. Феррариса. Но первую заявку на получение патента на многофазные системы Н. Тесла подал еще 12 октября 1887 г, т.е. ранее выступления Г. Феррариса.
Остановимся сначала на работе Г. Феррариса, исходя не из приоритетных соображений, а из того, что в его работе дан более обстоятельный теоретический анализ, и еще потому, что именно перевод доклада Г. Феррариса в английском журнале попал в свое время в руки М.О. Доливо-Добровольскому и вызвал первый импульс в серии последующих замечательных изобретений.
Г. Феррарис умел в очень ясной форме объяснять трудные физические процессы. Вот как им было объяснено явление вращающегося магнитного поля. Рассмотрим показанную на рис. 3.10 пространственную диаграмму, на которой ось
Но как получить два переменных тока, сдвинутых один относительно другого по фазе? Г. Феррарис предложил метод «расщепления фаз», при котором искусственным путем создавался сдвиг по фазе при включении в цепь двух взаимно перпендикулярно расположенных катушек фазосмещающих устройств. На рис. 3.11 показан внешний вид модели двухфазного асинхронного двигателя, хранящейся в музее г. Турина, директором которого до конца жизни был Г. Феррарис.
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.
Неудачным 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
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.
Для 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.
Следующим шагом М.О. Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного электродвигателя. Уже переход от двухфазной системы к трехфазной дает значительный выигрыш в этом отношении. Дальнейшее увеличение числа фаз нецелесообразно, так как оно привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода. Вскоре 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. Как уже отмечалось, П.Н. Яблочков и 3. Грамм еще в конце 70-х годов XIX в. 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. Если в том же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстоящих точек, то на четырех кольцах легко получить двухфазную систему тока (рис. 3.14,
Н. Тесла построил синхронный генератор, в котором имелись три независимые катушки, расположенные под углом 60° одна к другой. Такой генератор давал трехфазную систему токов, но требовал для передачи энергии шесть проводов, так как в этом случае получалась несвязанная трехфазная цепь с токами, сдвинутыми по фазе на 60°. М.О. Доливо-Добровольский в результате исследования различных схем обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока. Таким образом были получены токи с разностью фаз 120° (рис. 3.14. б). Сохранив в этой машине коллектор, можно было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя.
Таким путем была найдена связанная трехфазная система, при которой для передачи и распределения электроэнергии требуется только три провода. В двухфазной системе Н. Теслы также имелась возможность обойтись тремя проводами, однако достоинства симметричной связанной трехфазной цепи подкреплялись другими преимуществами как двигателей, так и вообще трехфазной системы. Последняя является симметричной, уравновешенной и экономичной. На три провода в трехфазной системе для передачи одинаковой мощности требовалось затратить металла на 25% меньше, чем на два провода в однофазной. Эта очевидная экономия металла была одним из главных аргументов в пользу трехфазной системы.
Дальнейшее увеличение числа фаз привело бы к некоторому улучшению использования электрических машин, но вызвало бы соответствующее увеличение числа линейных проводов. Таким образом, трехфазная система электрических токов является оптимальной многофазной системой.
Системе трех «сопряженных» токов М.О. Доливо-Добровольский дал специальное наименование «Drehstrom», что в переводе на русский язык означает «вращающийся ток». Указанный термин, хорошо характеризующий способность образовывать вращающееся магнитное поле, до настоящего времени сохранился в немецкой литературе.
Весной 1889 г. был построен первый трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью около 100 Вт (рис. 3.15). Этот двигатель питался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты.
Поражает конструктивная законченность первых асинхронных электродвигателей М.О. Доливо-Добровольского. Стержни «беличьего колеса» он предлагает делать неизолированными, сердечник ротора массивным или шихтованным, стержни по торцам он соединил короткозамыкающими кольцами, для статора впервые ввел полузакрытые пазы.
Вслед за первым одноякорным преобразователем был создан второй, более мощный, а затем началось изготовление трехфазных синхронных генераторов. Уже в первых генераторах применялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и треугольник. В дальнейшем М.О. 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.
Важным достижением М.О. Доливо-Добровольского явилось также то, что он отказался от выполнения двигателя с выступающими полюсами и сделал обмотку статора распределенной по всей его окружности, благодаря чему значительно уменьшилось магнитное рассеяние по сравнению с двигателями Н. Теслы. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил современные конструктивные формы. Вскоре М.О. Доливо-Добровольским было внесено еще одно усовершенствование: кольцевая обмотка статора была заменена барабанной. После этого асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором приобрел современный вид.
Новое затруднение в развитии трехфазной техники возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников энергии, как отдельных генераторов, так и электростанций в целом. Дело в том, что пусковой ток асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором может в несколько раз превышать номинальный, и по этому включение двигателя мощностью свыше 2 кВт отражалось на работе других потребителей.
М.О. Доливо-Добровольский в 1890 г. изготовил двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью примерно 3,7 кВт и при первом же испытании обнаружил значительное ухудшение пусковых свойств. Причина этого заключалась в том, что короткозамкнутый ротор был «слишком замкнут накоротко». При увеличении сопротивления обмотки ротора пусковые условия заметно улучшались, но рабочие характеристики двигателя ухудшались. Анализ возникших затруднений привел к созданию так называемого фазного ротора, т.е. такого, обмотка которого делается, подобно обмотке статора, трехфазной и ее концы соединяются с тремя кольцами, насаженными на вал. С помощью щеток эти кольца соединяются с пусковым реостатом. Таким образом, в момент пуска цепь ротора имеет большое сопротивление, которое уменьшается по мере нарастания частоты вращения. На рис. 3.16, взятом из доклада М.О. Доливо-Добровольского на первом Всероссийском электротехническом съезде (1899), показана принципиальная конструкция двигателя.
Но фазный ротор требовал устройства на валу контактных колец, а это рассматривалось многими электротехниками как недостаток по сравнению с короткозамкнутым ротором, не имевшим никаких трущихся контактов. Однако с этим недостатком пришлось мириться, и, несмотря на то что впоследствии были разработаны различные меры по улучшению условий пуска крупных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, двигатели с контактными кольцами применяются в промышленности до настоящего времени.
В статьях и докладах М.О. Доливо-Добровольского содержится много рассуждений о недопустимости сосредоточенных обмоток в машинах переменного тока, о пульсациях намагничивающей силы, о повышенном магнитном рассеянии, ухудшающем условия пуска. Налицо формирование элементов теории асинхронных машин. Конструктивные же формы созданных М.О. Доливо-Добровольским двигателей были настолько совершенны, что не претерпели сколько-нибудь существенных изменений более чем за 100 лет своего существования.
Трехфазная система не получила бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она не решила проблемы передачи энергии на большие расстояния. Но электропередача выгодна при высоком напряжении, которое в случае переменного тока получается при помощи трансформатора. 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 стремления найти более удовлетворительное решение.
В 1889 г. М.О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников (рис. 3.17,
Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80–90-х годах XIX в. значительное место в электропотреблении занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, иногда потребителю было желательно иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно — для осветительной нагрузки, другое, повышенное, — для силовой.
Чтобы можно было регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), М.О. Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. четырехпроводную схему трехфазной цепи, или, иначе, систему с нейтральным проводом. Одновременно он указал, что вместо нейтрального, или нулевого, провода можно использовать землю.
М.О. Доливо-Добровольский обосновал свои предложения доказательством того, что четырехпроводная трехфазная система допускает определенную несимметрию нагрузки; при этом напряжение на зажимах каждой фазы будет оставаться неизменным. Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпроводной системы М.О. Доливо-Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор.
Таким образом, в течение 2–3 лет были конструктивно разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения: трансформатор, трехпроводная и четырехпроводная линии передачи и асинхронный двигатель в двух его основных модификациях (с фазным и короткозамкнутым ротором). Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип построения которых был уже известен, получили широкое применение только трехфазные машины. Так зародилась и получила свое начальное развитие трехфазная система электрического тока.
Изучение истории техники трехфазных цепей показывает, что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М.О. Доливо-Добровольского. Он не только разработал основные элементы трехфазной системы, но и сделал ряд важнейших изобретений в области техники постоянного тока, в электроизмерительной технике; ему принадлежат также некоторые другие работы. Несомненно, столь быстрый и полный успех трудов М.О. Доливо-Добровольского во многом определяется тем обстоятельством, что они отвечали основным потребностям практики. Действительно, М.О. Доливо-Добровольский начал свою инженерную и научную деятельность в тот период, когда развивавшиеся производительные силы общества ставили перед электротехникой все новые и более ответственные задачи. Основное направление работ Доливо-Добровольского совпало с главным направлением развития электроэнергетики [3.8].
В своем докладе на Международном конгрессе электриков в г. Франкфурте-на-Майне (1891 г.) он показал, что магнитный поток в магнитопроводе катушки, включенной в цепь переменного тока, целиком определяется напряжением (если считать частоту и число витков заданным) и не зависит от магнитного сопротивления. С изменением магнитного сопротивления меняется только намагничивающий ток. Это положение, которое М.О. Доливо-Добровольский называет первым основным положением теории переменного тока, действительно является исходным во всех расчетах электромагнитных устройств. Далее он отметил, что если магнитный поток изменяется синусоидально, то ЭДС (или соответственно напряжение) также изменяется по закону синуса, причем ЭДС и магнитный поток различаются по фазе на
М.О. Доливо-Добровольский рекомендовал принять в качестве основной формы кривой тока синусоиду. В отношении частоты тока он высказался за 30–40 Гц. Позднее в результате критического отбора получили применение лишь две частоты промышленного тока: 60 Гц в США и 50 Гц в других странах. Эти частоты оказались оптимальными, ибо повышение частоты ведет к чрезмерному возрастанию частоты вращения электрических машин (при том же числе полюсов), а ее снижение неблагоприятно сказывается на равномерности освещения.
Следует отметить, что в 1888 г. У. Томсон показал возможность применения гармонического анализа Фурье для любого периодического (несинусоидального) тока. (Французский ученый Жак Батист Фурье (1768–1830 гг.) предложил свой знаменитый метод в 1822 г., разрабатывая теорию тепла).
3.7. ЭЛЕКТРОПРИВОД, ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТ И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ
Как известно, одними из наиболее распространенных в промышленности являются механические процессы. Поэтому уже в 70–80-х годах XIX столетия начинает проявляться стремление электрифицировать эти процессы, т.е. осуществить электрический привод различных исполнительных механизмов. Однако до начала 90-х годов применение электропривода носило эпизодический характер. Лишь в некоторых случаях, когда предприятия располагали блок-станциями для электрического освещения, электродвигатели применялись для привода вентиляторов, насосов, подъемников и других механизмов. Следует отметить, что на Всероссийской политехнической выставке в 1872 г. В.Н. Чиколев впервые демонстрировал швейную машину с электрическим приводом — это был первый в мире «электрифицированный станок».
Положение изменилось коренным образом в связи с изобретением асинхронного двигателя. В достаточно короткий срок этот тип двигателя занял доминирующее положение в системе электропривода промышленных предприятий. Чрезвычайная простота асинхронного двигателя, особенно с короткозамкнутым ротором, его надежность и невысокая стоимость позволяют установить в любом цехе сотни и тысячи двигателей при небольшом обслуживающем персонале. Такие двигатели могут выполняться в герметических корпусах, и, следовательно, их можно использовать в тяжелых условиях: в атмосфере повышенной влажности, бензиновых паров и т.п. Асинхронные двигатели без повреждений выдерживают значительные кратковременные перегрузки, тогда как в двигателях постоянного тока любая перегрузка ускоряет износ коллектора.
Существенным недостатком асинхронного двигателя является трудность регулирования частоты вращения. Поэтому до настоящего времени еще очень велик удельный вес регулируемых машин постоянного тока в системе промышленного электропривода. Недостатком асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором также является ограничение их мощности условиями пуска. Это обстоятельство в начальный период развития трехфазной техники, когда мощности электрических станций были невелики, заставляло во многих случаях отказываться от применения двигателей с короткозамкнутым ротором. Мощные двигатели с короткозамкнутым ротором применялись только в случаях, когда они питались от отдельного генератора. Такие установки часто использовались, например, в водокачках.
Практически развитие электропривода происходило двумя неравнозначными путями. Первый, наиболее типичный, — замена паровых двигателей, работавших на трансмиссию. Это был путь создания крупногруппового электропривода, который не исключал тяжелых производственно-гигиенических условий, определявшихся наличием трансмиссий. Второй путь — эпизодическое применение одиночного привода. Последнее, как правило, имело место только в случае крупных ответственных исполнительных механизмов, предъявлявших специфические требования к приводному двигателю (привод кранов, центрифуг, прокатных станов и т.п.). Но уже в конце века практика наглядно убеждала в преимуществах одиночного привода.
Последний вид привода освобождает промышленное предприятие от трансмиссий и, главное, позволяет работать каждому отдельному исполнительному механизму при переменных нагрузках и наивыгоднейших скоростях, а также позволяет ускорить пуск и изменение направления вращения. Одиночный привод оказал существенное влияние и на конструкцию самого исполнительного механизма. Сближение приводного двигателя с исполнительным механизмом иногда получалось настолько тесным, что конструктивно они представляли собой единое целое. Например, в случае электропривода рольганга ролик, служащий для перемещения металла, является наружным ротором асинхронного двигателя.
В 70-х и особенно 80-х годах XIX в. проводилось много работ по применению электричества на транспорте. Так называемые конно-железные дороги уже не удовлетворяли возросших потребностей городского населения, а применение парового городского транспорта оказалось неприемлемым из-за дыма и копоти. Реальная возможность для проведения опытов по электрификации транспорта появилась после изобретения генератора Грамма.
Во всех случаях, когда электрическая энергия для питания тягового двигателя генерировалась гальванической или аккумуляторной батареей, техническое решение шло в направлении создания автономных устройств тяги, т.е. таких, в которых как генерирующая установка, так и электродвигатель были размещены на самом экипаже или судне. Когда же для выработки электроэнергии стали применять генераторы Грамма, приводимые в действие соответствующими паровыми агрегатами, система автономной электрической тяги перестала распространяться. Проблема электрической тяги могла найти решение лишь при условии разработки приемов экономичной передачи электроэнергии от места ее генерирования к движущемуся экипажу, вагону и т.п. Таким образом, электрическая тяга могла развиваться в виде неавтономной тяги с применением методов экономичной передачи электроэнергии на расстояние.
Система автономной электрической тяги, однако, не была полностью отвергнута; усовершенствование аккумуляторов позволило устраивать систему автономной тяги, пользуясь смонтированной в вагоне или на судне аккумуляторной батареей, током от которой питался электродвигатель.
В 1879 г. В. Сименсом была построена первая небольшая электрическая железная дорога на промышленной выставке (рис. 3.18.). Электрическая энергия по отдельному контактному рельсу передавалась к двигателю небольшого вагона, напоминавшего собой современную аккумуляторную тележку (электрокар); обратным проводом служили рельсы, по которым двигался «локомотив». К последнему были прицеплены три тележки, на которых могли разместиться 18 пассажиров.
В России первые опыты неавтономной электрической тяги были проведены Ф.А. Пироцким. Еще в 1875–1876 гг. он использовал для передачи электроэнергии обычный железнодорожный рельсовый путь. Чтобы улучшить проводимость рельсового пути, он применил стыковые электрические соединения, а для усиления изоляции двух ниток рельсов одной колеи (они были изолированы слоем окалины и шпалами) — смазку подошвы рельсов асфальтом.
В августе 1880 г. Ф.А. Пироцкий осуществил пуск электрического трамвая на опытной линии в районе Рождественского парка конной железной дороги в Петербурге. Питалась эта линия от небольшой электростанции, построенной в парке, с генератором мощностью 4, а позднее 6 л.с. Под трамвайный электровагон был приспособлен двухъярусный вагон конной железной дороги (масса с пассажирами 6,5–7,0 т), к раме которого был подвешен электродвигатель, приводивший в движение ведущую ось через двухступенчатую зубчатую передачу. Схема, предложенная Ф.А. Пироцким, некоторое время применялась для питания трамвайной сети и за рубежом. Она была достаточно проста и давала возможность обойтись без третьего рельса, затруднявшего уличное движение и усложнявшего все сооружение. Недостатком такой схемы было наличие больших потерь электроэнергии от токов утечки из-за плохой изоляции рельсов.
После изобретения способа питания от верхнего контактного провода, сделанного в 1883 г. независимо Ван-Депулем (США) и В. Сименсом (Германия), схему питания по двум рельсам перестали применять на электротранспорте, если не считать ее применения в настоящее время для автоблокировки. Заслугой Ф.А. Пироцкого является также введение зубчатой передачи (вместо ременной) от вала двигателя к колесам. В 1889 г. подобный же передаточный механизм, получивший название «трамвайного привода», был применен Спрэгом в США.
С 1883 г. действовала линия трамвая в г. Портуме (Ирландия) длиной 9,6 км; в 1884 г. были открыты для эксплуатации трамвайные линии в городах Брайтоне (Англия) длиной 1,5 км и Франкфурте-на-Майне (Германия) длиной 6,56 км. Первый трамвай в России, киевский, был пущен для общего пользования в 1892 г., причем решение о строительстве трамвайной линии было принято лишь после того, как убедились, что ни конная, ни паровая тяга не способны преодолеть крутой подъем от ул. Подол к Крещатику. Трамвайная линия соединила густонаселенную окраину Киева с центром города.
На электрическом транспорте почти исключительное применение получил постоянный ток, обеспечивающий надежную работу тяговых электродвигателей и удобное регулирование скорости. Поэтому по мере развития техники переменного тока пришлось сооружать преобразовательные подстанции.
Наиболее естественным и поэтому первым по времени преобразователем переменного тока в постоянный была двигатель-генераторная установка. В 1885–1889 гг. создаются первые одноякорные преобразователи переменного тока в постоянный, которые в каждом случае представляли собой комбинацию синхронного электродвигателя и генератора постоянного тока с общим якорем. Одноякорный преобразователь обладает рядом существенных преимуществ перед двигатель-генераторной установкой: меньшая на 30–40% масса, значительно меньшие габариты (до 50%), высокий КПД.
Поделиться книгой: