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).