Разработка трёхфазной электрической системы

Введение

Последнее десятилетие прошлого столетия ознаменовалось в технике событиями, которые можно назвать новым промышленным переворотом. Этот переворот, все последствия которого ещё до сих пор не выявились, оказавший глубочайшее влияние на технику и мировую экономику, создал возможность коренной реконструкции силового аппарата народного хозяйства на базе электрификации и самого широкого внедрения электрической энергии в технологию. Этот переворот заключался во внедрении в практику многофазных, в частности трёхфазного, переменных токов и в связи с этим в практическом разрешении проблемы передачи электрической энергии на большие расстояния.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский является создателем техники трёхфазных переменных токов и первым, кто на базе этой техники сделал возможным передачу электрической энергии с места её производства на практически произвольно большое расстояние к месту потребления. Имя этого великого электротехника, крупного учёного и замечательного конструктора электрических машин и аппаратов принадлежит истории техники, а вместе с тем и истории культуры человечества. На какую бы сторону жизни и деятельности современного человека мы ни обратили внимания - всюду мы видим прямые или косвенные результаты трудов Доливо-Добровольского. Его имя всегда будет являться символом неутомимых творческих исканий инженера и глубоко революционной научно-технической мысли.

Труды его - образец замечательно удачного применения данных науки для самых широких практических целей.

Биография

Рисунок 1-М.О.Доливо-Добровольский.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский (рисунок 1) родился 2 января 1862 года в многодетной дворянской семье. Известный российский электротехник польско-русского происхождения, один из создателей техники трёхфазного переменного тока. В Одессе в 1878 году Михаил окончил реальное училище и 1 сентября 1878 года поступил в Рижский политехнический институт. Для продолжения своего образования Михаил Осипович избрал Дармштадтское высшее техническое училище, где уделялось особое внимание практическому применению электричества. Здесь в 1882 году была учреждена специальная кафедра электротехники, которую возглавил профессор Эразм Киттлер, а в январе 1883 года, впервые в практике высшего образования, был введён специальный курс электротехники. В том же году Э. Киттлер открыл электротехническую лабораторию, в которой после окончания (с отличием) Дармштадтского технического училища должность ассистента занял М. О. Доливо-Добровольский. Молодому преподавателю было поручено вести курс «Электрохимия с особым вниманием к гальванопластике и металлургии». В 1884-1885 годах Михаил Осипович выступил на страницах журнала «Электричество» со своими статьями, в которых описал два изобретения в области электрохимии. Одно из них было связано с топливными элементами, второе касалось способа получения алюминия из его окиси при высокой температуре.

Деятельность и изобретения

Разработка трёхфазной электрической системы

В 1887 году М. О. Доливо-Добровольский приглашён в фирму AEG (Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft), где в 1909 году был назначен директором и проработал в этой должности до конца жизни.

Творческая и инженерная деятельность М. О. Доливо-Добровольского была направлена на решение задач, с которыми неизбежно пришлось бы столкнуться при широком использовании электроэнергии. Работа в этом направлении, на основе полученного Николой Теслой двухфазного тока.

В необычайно короткий срок привела к разработке трёхфазной электрической системы и совершенной, в принципе, не изменившейся до настоящего времени конструкции асинхронного электродвигателя. Главная особенность асинхронного двигателя Доливо-Добровольского-ротор с обмоткой в виде беличьей клетки (рисунок 2).

Рисунок 2- ротор с обмоткой в виде беличьей клетки.

Для уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигателе 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, но вместе с тем электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди. Выход из этого противоречия состоял в том, чтобы 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 друг с другом. Этим патентом Доли­во-Добровольский закрепил за собой изобретение ротора с беличьей клет­кой, то есть той конструкции рото­ра асинхронного двигателя, которая принципиально сох­ранилась в том же виде и до настоящего времени.

Следующим шагом Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной систе­мы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении чиста фаз улучшается распределение намагничиваю­щей силы по окружности статора асинхронного двигателя и ис­пользование' машины. Уже переход от двухфазной системы к трехфазной дает значительный выигрыш в этом отношении. Даль­нейшее увеличение чиста 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. В середине 80-х годов были по­строены первые вращающиеся одноякорные преобразователи.

Эти преобразователи очень про­тока; сто получались из обычной машины постоянного тока: от двухдиаметрально 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. Если в том же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстающих точек, то на четырех кольцах легко получить двухфазного систему тока.

Он выполнил ротор в виде стального цилиндра, а в просверлённые по периферии каналы заложил медные стержни. На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом. В 1889 г. М. О. Доливо-Добровольский получил патент на своё изобретение №51083 от 8 марта 1889г.

Тесла построил синхронный генератор, в котором имелись три не­зависимые катушки, расположенные под углом 60° друг к другу. Такой генератор давал трехфазную систему токов, но требовал для переда­чи энергии шесть проводов, так как в этом случае получалось несвязан­ная трехфазная цепь с токами, сдвинутыми друг от друга по фазе на 60^е. Доливо-Добровольский в результате исследования различных схем обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря ма­шин постоянного тока. Таким образом, были получены тою: с разно­стью фаз 120.Сохранив в этой машине коллектор, можно было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя.

Таким путем была найдена связанная трехфазная система, ко­торая отличается той особенностью, что она требует для передачи и распределения электроэнергии только три провода. В двухфаз­ной системе Тесла 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 проводников. Та­ким образом, трехфазная система электрических токов является оптимальной многофазной системой.

Системе трех «сопряженных» токов Доливо-Добровольский дал специальное наименование «Drehstrom», что в переводе на рус­ский язык означает «вращающий 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 двигатель мощностью около 100 Вт.Этот двигатель пи­тался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты.

Поражает конструктивная законченность первых асинхронных электродвигателей Доливо-Добровольского. Стержни «беличьей клетки» он предлагает делать неизолированными, сердечник рото­ра-массивным или шихтованным, стержни по торцам он соеди­нил короткозамыкающими кольцами, для статора впервые ввел полузакрытые пазы.

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 чему значительно уменьшилось магнитное рассеяние по сравнению с двигателями Тесла. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил современные конструктивные формы. Вскоре Доливо-Добровольским было внесено еще одно усовершенствование, кольцевая обмотка статора была заменена барабанной.

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 двигателя с короткозамкнутым ротором может в несколько раз превышать номинальный, и поэтому включение двигателей мощностью свыше 2-3 кВт уже 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 установил 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, то есть такого, обмотка которого делается, подобно обмотке статора, трехфазной и концы которой соединяются с тремя кольцами, насаженными на вал. С помощью щеток эти кольца соединяются с пусковым реостатом. Таким образом, в момент пуска включается в цепь ротора большое сопротивление, которое выводится по мере нарастания частоты вращения. На рис 6.9, взятом из доклада Доливо-Добровольского на первом Всероссийском электротехническом съезде 1899 г.), 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 иа то, что впоследствии были разработаны различные меры по улучшению условий пуска крупных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, двигателя с контактными кольцами применяются в промышленности до настоящего времени.