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.

^{Рис. 3.9. Прибор Бейли}

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.

^{Рис. 3.10. К пояснению открытия Феррариса}

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.

^{Рис. 3.11. Модель двигателя Феррариса}

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 х представляет собой положительное направление вектора магнитной индукции, создаваемой одной из катушек, а ось у – положительное направление поля другой катушки. Для момента времени, когда одна магнитная индукция в точке О изображается отрезком ОА, а другая – ОБ, суммарная результирующая магнитная индукция изобразится отрезком OR. При изменении ОА и OB точка R перемещается по кривой, форма которой определяется законами изменений во времени двух полей. Если две напряженности магнитного поля имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на четверть периода, то геометрическим местом точки R станет окружность. Налицо вращение магнитного поля. Если фазу одной из напряженностей магнитного поля или возбуждающего его тока изменить на 180°, то изменится и направление вращения результирующего магнитного поля. Если поместить в это магнитное поле снабженный валом и подшипниками медный цилиндр, то он будет вращаться. Позднее асинхронные двигатели с полым ротором в виде медного стакана получили название двигателей Феррариса.

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.

^{Рис. 3.12. Конструктивные схемы генератора и двигателя Тесла}

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 √2 раз) больше сечения каждого из двух других проводов.

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.