Трехфазная система и асинхронный двигатель
В то время как 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. Например, в Америке Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, конструировал двух- и трехфазные генераторы. Однако Бредли не знал о явлении вращающегося магнитного поля и предполагал, что потребители в многофазных системах должны включаться как однофазные на каждую пару проводов. Немецкий инженер Ф. Хазельвандер подошел к трехфазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у генератора и двигателя постоянного тока выполняет взаимообратные функции, он решил его устранить, считая что достаточно те точки обмоток якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пластинамколлектора, соединить соответственно друг с другом. Это удобно сделать у обращенных машин, якоря которых неподвижны, а полюсы вращаются. Тогда генератор будет связан с двигателем числом проводов, равным числу коллекторных пластин. Стремясь уменьшить число линейных проводов, 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 М. О. Доливо-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником техники трехфазных систем. Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862—1919 гг.) родился в пригороде Петербурга, в городе Гатчине, а закончил реальное училище в Одессе, где его отец издавал местную газету «Правда». С 1878 г. он учился в Рижском политехническом институте, но закончить обучение ему не удалось, так как за участие в студенческих волнениях в год цареубийства (1881 г.) он был отчислен. Завершил он образование в Германии, в Высшем техническом училище города Дармштадта, в котором большое внимание уделялось практическим применениям электричества. В этих благоприятных условиях природное дарование, трудолюбие и изобретательский талант Доливо-Добровольского помогли ему быстро выдвинуться в число лучших студентов, и в 1884 г. после успешного окончания училища он был оставлен в нем в должности ассистента. Руководство кафедры, высоко оценившее его эрудицию, поручило ему преподавание нового самостоятельного курса по практическому применению Электрохимии. Вскоре произошли события, оказавшиеся счастливыми для молодого преподавателя: на него обратил внимание энергичный предприниматель Эмиль Ратенау, возглавивший только что откупившуюся от эдисоновской компании и ставшую самостоятельной фирму АЭГ (Всеобщая компания электричества). Русский инженер занял должность шеф-электрика фирмы. Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский прочел доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле и был крайне удивлен его выводомо практической непригодности индукционного электродвигателя. Еще до этого Доливо-Добровольский заметил, что если замкнуть накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока при его торможении (т.е. в опыте динамического торможения), то возникает большой тормозящий момент. «Я тотчас же сказал себе, — вспоминал позднее Доливо-Добровольский, — что если сделать вращающееся поле по методу 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 Доливо-Добровольский пришел к выводу о нецелесообразности изготовления обмотки ротора с таким большим сопротивлением, при котором ротор имел бы скольжение около 50 %. стержнях обмотки малого сопротивления при небольшом скольжении возникнут токи, которые в достаточно сильном поле стат создадут значительный вращающий момент. Усиленная деятельность в этом направлении в необычайно короткий срок привела к разработке трехфазной электрической системы и совершенной, в принципе не изменившейся д настоящего времени конструкции асинхронного электродвигателя. Первым важным шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора 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. На рис. 6.5. представлены чертежи из первого патента Доливо- Добровольского в области трехфазной системы. 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. П. Н. Яблочков и 3. 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 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 (рис 6.6). Если в том же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстающих точек, то на четырех кольцах легко получить двухфазного систему тока (рис. 6.7 а). 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 60е. 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 (рис. 6.7 б). 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 (рис. 6.8). 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. Вот как описывал изобретатель впечатление от первого двигателя: «Уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представителей того времени действие.. Электродвигатель, ротор которого имел диаметр около 75 мм и длину также около 75 мм и не обладал никакими особыми присоединениями к сети, мгновенно стал вращаться на полное число оборотов и был совершенно бесшумным. Попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась, и только при особой ловкости было возможно воспрепятствовать таким способом его запуску при включении... Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашенных свидетелей». 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. В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время. Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80—90-х годах прошлого века значительное место в электропотреблении занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную иесимметрию 'систему. Кроме того, иногда было желательно иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно — для осветительной Сгрузки, другое, повышенное, — для силовой. Чтобы можно было регулировать напряжение s отдельных фа. зах и располагать двумя напряжениями в системе (фазном и линейным», Доливо-Добровольскнй разработал в 1890 г. четырехпроводиую схему трехфазной цепи, или, иначе, систему с нейтральным прозодом. Одновременно он указал, что вместо нейтрального, или нулевого, провода можно использовать землю. Дсливо-Добровольский обосновал свои предложения доказательством того, что четырехпроводная трехфазная система допускает определенную иесимметрию нагрузки; при этом напряжение на зажимах каждой фазы будет оставаться неизменным. Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпроводной системы Долизо-Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор.
Популярное: Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной... Почему люди поддаются рекламе?: Только не надо искать ответы в качестве или количестве рекламы... Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... ©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1473)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |