Возникновение многофазных систем

Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX века, когда была решена комплексная энергетическая проблема, соединившая в себе технические основы электропередачи и электропривода.

Это решение было найдено в применении многофазных цепей, из которых многолетняя практика сделала выбор в пользу цепей 3-х фазных.

Наиболее интересными и новыми элементами 3-х фазной системы явились электродвигатели.

Принцип действия асинхронного двигателя с вращающимся полем содержится в опытах Араго (1824 г.): при вращении медного диска под (над) магнитной стрелкой она также приходила во вращение. Но в то время это явление так и не смогли объяснить, назвав его "эффект Араго".

К открытию явления вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга итальянский ученый Г. Феррарис и югослав, работавший большую часть жизни в Америке, Н. Тесла (1885 г.).

Они показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом, питать двумя переменными токами, отличающимися по фазе на 90", то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей катушек получает равномерное вращательное движение, не изменяясь по абсолютной величине.

Поэтому естественно, что исследование многофазных систем началось с двухфазных.

Двигатель Феррариса развивал мощность 3Вт. Но как получить два тока отличных по фазе на угол 90° или близкий к нему? Феррарис решал эту проблему двумя путями:

- пара катушек включалась в первичную цепь трансформатора с разомкнутой магнитной системой, а другая пара - в его вторичную цепь;

- в цепь первой пары катушек включали добавочное сопротивление, а в цепь второй - добавляли катушки индуктивности.

Таким образом, один путь получения двухфазной системы токов состоял в "расщеплении" обычного однофазного переменного тока. Метод, требовавший дополнительных достаточно сложных устройств, и, кроме того, фазовый угол никогда не составлял 90° - вращающееся поле искажалось.

Но не эти недостатки помешали Феррарису и некоторым его современникам разработать конструкцию двухфазного двигателя. В своих исследованиях он предположил, что электродвигатель, также, как это принято в технике передачи сигналов, должен работать не при максимальном КПД, а при максимальной полезной мощности! Простые расчеты показывают, что этому условию соответствовал двигатель со скольжением 50%. Естественно, что интерес к его работе упал.

По иному пути пошли некоторые другие изобретатели, и среди них наибольшего успеха добился Н. Тесла. Он не прибегал к попыткам получить разность фаз 90° в самих двигателях, а пришел к выводу о целесообразности построения такого генератора.

Основным недостатком двигателя Тесла, сделавшим его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой, обуславливающих большое магнитное сопротивление и неблагоприятное распределение МДС вдоль воздушного зазора. Конструкция обмотки ротора (как выяснилось потом) тоже была неудачной (две взаимно перпендикулярные обмотки).

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 - в частности на провода - четыре провода (в два раза больше, чем в однофазном токе).

 

Трехфазная система

В то время как Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать 2-х фазную систему, в Европе была разработана более совершенная - трехфазная.

Документы свидетельствуют, что в 1887-1889 гг. многофазные системы разрабатывались несколькими учеными и инженерами.

В Америке Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, конструировал 2-х и 3-х фазные генераторы. Не зная о явлении вращающегося магнитного поля, он предполагал, что потребители в его многофазных системах должны включаться как однофазные.

Немецкий инженер Ф. Хазельвандер подошел к 3-х фазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у генератора и двигателя постоянного тока выполняют взаимообратные функции, он решил его устранить. Для этого те точки обмотки якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пластинам коллектора, соединил соответственно друг с другом. Это удобно сделать у обращенной машины, якоря которых неподвижны, а полюсы вращаются. Стремясь уменьшить при этом число линейных проводов, он нашел минимальный вариант - три провода. Однако он не сумел увидеть всех возможностей этой системы и создать пригодные для практики конструкции машин [1].

Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился М.О. Доливо-Добровольский, сумевший придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником 3-х фазной техники.

Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский, тогда еще молодой инженер, познакомившись с содержанием доклада Феррариса, не согласился с его выводами о практической непригодности индукционного двигателя. Еще до этого он заметил, что если замкнуть обмотки якоря двигателя постоянного тока, то возникает тормозной момент большой величины. Он понял, что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить туда такой короткозамкнутый якорь с малым сопротивлением, то он скорее сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов.

Первым шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки.

Важным этапом в трудах Доливо-Добровольского явилась замена 2-х фазных систем 3-х фазными. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение МДС по окружности статора. Дальнейшее увеличение числа фаз не являлось целесообразным, так как привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода.

Для получения 3-х фазной системы в результате исследований Доливо-Добровольский сделал ответвление от 3-х равноотстоящих точек обмотки якоря машины постоянного тока. Таким образом были получены токи с разностью фаз 120°. Таким путем была найдена связанная 3-х фазная система, отличающаяся той особенностью, что она требовала для передачи и распределения электроэнергии только три провода. В 2-х фазной системе Тесла также можно было обойтись тремя проводами, но достоинства 3-х фазной системы подкрепилось преимуществом двигателей.

Дальнейшее увеличение числа фаз привело бы к некоторому улучшению использования электрических машин, но вызвало бы дополнительный расход меди. Поэтому 3-х фазная система оказалась оптимальной.

Весной 1889 г. был построен первый 3-х фазный асинхронный двигатель мощностью примерно 100 Вт. Он питался от 3-х фазного одноякорного преобразователя и показал хорошие результаты. Вслед за этим был создан другой более мощный одноякорный преобразователь, а затем началось изготовление 3-х фазных синхронных генераторов.

Уже в первых синхронных генераторах применялись два основных способа сопряжения фаз: звезда (условное обозначение -Y) и треугольник (условное обозначение - А).

Важным достижением Доливо-Добровольского явилось также то, что он отказался от выполнения асинхронного двигателя с выступающими полюсами, а сделал обмотку статора распределенной по всей окружности. В результате уменьшилось магнитное рассеяние по сравнению с двигателем Тесла.

Вскоре Доливо-Добровольский заменил кольцевой тип обмотки статора барабанным. Так асинхронный двигатель приобрел современный вид.

Новое затруднение в развитии 3-х фазной техники возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников 3-х фазного переменного тока. Дело в том, что пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в несколько раз превышает номинальный ток.

Анализ возникших затруднений привел к созданию так называемого двигателя с фазным ротором.

 

Трехфазный трансформатор

3-х фазная 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.

3-х фазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформации энергии, но требовала трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих устройств не могло не вызвать стремления поиска более удовлетворительного решения.

В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел 3-х фазный трансформатор [1]. В начале это был трансформатор с радиальным расположением сердечника (рис.1, А). Его конструкция еще напоминает электрическую машину, где отсутствует воздушный зазор.

Затем было предложено несколько конструкций призматических трансформаторов, где удалось получить более компактную форму магнитопровода (рис.1, Б).

Наконец, в октябре 1891 г., была подана заявка на 3-х фазный трансформатор с параллельными стержнями (рис.1, В).

В принципе эта конструкция сохранилась до настоящего времени.

Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем 3-х фазной цепи.

Рис.1

 

В 80-90-х годах XIX века значительное место занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, часто надо было иметь не одно, а два напряжения: одно - для осветительной нагрузки; другое, повышенное, - для силовой.

Чтобы иметь возможность регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. 4-х проводную схему 3-х фазной цепи -систему с нейтральным проводом. Сразу же он указал, что в ряде случаев вместо нейтрального провода можно использовать "землю".

Свои предложения Доливо-Добровольский обосновал доказательством того, что 4-х проводная 3-х фазная система допускает иметь определенную асимметрию нагрузки, поскольку позволяет сохранять в каждой фазе неизменное напряжение.

Для регулирования напряжения в отдельных фазах 4-х проводной системы он предложил использовать изобретенный им 3-х фазный автотрансформатор.

Таким образом, в течение трех лет были конструктивно разработаны все основные элементы 3-х фазной системы электроснабжения [1].

Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип действия которых был известен задолго до того, получил широкое практическое применение лишь 3-х фазный синхронный генератор.

Так зародилась и получила свое начальное развитие 3-х фазная система электрического тока.

Изучение истории техники 3-х фазных цепей показывает, что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М.О. Доливо-Добровольского.

Несомненно, столь быстрый и полный успех его трудов во многом определялся тем обстоятельством, что его труды отвечали основным направлениям эпохи.

Кроме того, нельзя упускать из виду, что Доливо-Добровольский работал в условиях наиболее развитой в то время электротехнической промышленности -германской и, являясь одним из технических руководителей крупнейшей электротехнической фирмы, располагал большими возможностями для экспериментальных исследований и практической реализации своих изобретений. В то время как другим его современникам не доставало инженерного подхода к решению возникающих проблем (Бредли, Тесла) либо материально-технической базы (Хазельвандер), у Доливо-Добровольского было и то и другое, помноженное на глубокие знания и огромную работоспособность.