ТРЕХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ И АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

В то время как Н. 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 [1.6; 3.7]…

Например, Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, сконструировал двух‑ и трехфазные генераторы. Однако Ч. Бредли не знал о явлении вращающегося магнитного поля и предполагал, что потребители в многофазных системах должны включаться как однофазные на каждую пару проводов.

Ф. Хазельвандер подошел к трехфазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у генератора и двигателя постоянного тока выполняет взаимообратимые функции, он решил его устранить, считая что достаточно те точки обмоток якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пластинам коллектора, соединить соответственно друг с другом. Это удобно сделать у обращенных машин, якоря которых неподвижны, а полюсы вращаются. Тогда генератор будет связан с двигателем проводами, число которых равно числу коллекторных пластин. Стремясь уменьшить число линейных проводов,

Ф. 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 Михаил Осипович Доливо‑Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником техники трехфазных систем.

М.О. Доливо‑Добровольский (1862–1919 гг.) родился в Петербурге, учился в Рижском политехническом институте, но был отчислен в связи с массовыми антиправительственными выступлениями студентов в год цареубийства (1881 г.).

Лишенный права поступать в высшие учебные заведения России, он выехал в Германию и завершил свое образование в Высшем техническом училище г. Дармштадта, в котором большое внимание уделялось практическим применениям электричества.

Осенью 1888 г. М.О. Доливо‑Добровольский прочел доклад Г. Феррариса о вращающемся магнитном поле и был крайне удивлен его выводом о практической непригодности «индукционного» электродвигателя. Еще до этого М.О. Доливо‑Добровольский заметил, что если замкнуть накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока его торможении (т.е. в опыте динамического торможения), то возникает большой тормозящий момент. «Я тотчас же сказал себе, – вспоминал позднее М.О. Доливо‑Добровольский, – что если сделать вращающееся магнитное поле по методу Г. 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 М.О. Доливо‑Добровольский пришел к выводу о нецелесообразности изготовления обмотки ротора с таким большим сопротивлением, при котором ротор имел бы скольжение 50%. В стержнях малого сопротивления при небольшом скольжении возникнут токи, которые в достаточно сильном магнитном поле статора создадут значительный вращающийся момент.

Усиленная деятельность в этом направлении в необычайно короткий срок привела к разработке трехфазной электрической системы и совершенной, в принципе не изменившейся до настоящего времени, конструкции асинхронного электродвигателя.

Первым важным шагом, который сделал М.О. Доливо‑Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьего колеса.

^{Рис. 3.13. Варианты ротора с обмоткой в виде беличьего колеса (из патента Доливо‑Добровольского)}

^{1 – стальной цилиндр; 2 – медные стержни; 3 – медные пластины или кольца}

Для уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигателе Г. 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. Однако отметим, что электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди. М.О. Доливо‑Добровольский нашел блестящее решение – 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. На рис. 3.13 представлены чертежи из первого патента М.О. Доливо‑Добровольского в области трехфазной системы. Этим патентом он закрепил за собой изобретение ротора с «беличьим колесом», конструкция которого принципиально сохранилась в том же виде и до настоящего времени.

Следующим шагом М.О. Доливо‑Добровольского явилась замена двухфазной системы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного электродвигателя. Уже переход от двухфазной системы к трехфазной дает значительный выигрыш в этом отношении. Дальнейшее увеличение числа фаз нецелесообразно, так как оно привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода. Вскоре выяснились и другие преимущества трехфазной системы.

^{Рис. 3.14. Схемы двухфазного (а) и трехфазного (б) одноякорных преобразователей}

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. Как уже отмечалось, П.Н. Яблочков и 3. Грамм еще в конце 70‑х годов XIX в. 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 просто получались из обычной машины постоянного тока: от двух диаметрально 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. Если в том же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстоящих точек, то на четырех кольцах легко получить двухфазную систему тока (рис. 3.14, а).

Н. Тесла построил синхронный генератор, в котором имелись три независимые катушки, расположенные под углом 60° одна к другой. Такой генератор давал трехфазную систему токов, но требовал для передачи энергии шесть проводов, так как в этом случае получалась несвязанная трехфазная цепь с токами, сдвинутыми по фазе на 60°. М.О. Доливо‑Добровольский в результате исследования различных схем обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока. Таким образом были получены токи с разностью фаз 120° (рис. 3.14. б). Сохранив в этой машине коллектор, можно было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя.

Таким путем была найдена связанная трехфазная система, при которой для передачи и распределения электроэнергии требуется только три провода. В двухфазной системе Н. Теслы 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 проводов. Таким образом, трехфазная система электрических токов является оптимальной многофазной системой.

Системе трех «сопряженных» токов М.О. Доливо‑Добровольский дал специальное наименование «Drehstrom», что в переводе на русский язык означает «вращающийся 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 электродвигатель мощностью около 100 Вт (рис. 3.15). Этот двигатель питался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты.

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

Вслед за первым одноякорным преобразователем был создан второй, более мощный, а затем началось изготовление трехфазных синхронных генераторов. Уже в первых генераторах применялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и треугольник. В дальнейшем М.О. Доливо‑Добровольскому удалось улучшить использование статора с помощью широко применяемого в настоящее время метода, заключающегося в том, что обмотку делают разрезной и противолежащие катушки соединяют встречно.

Важным достижением М.О. 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 Н. Теслы. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил современные конструктивные формы. Вскоре М.О. Доливо‑Добровольским было внесено еще одно усовершенствование: кольцевая обмотка статора была заменена барабанной. После этого асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором приобрел современный вид.

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 электродвигателя с короткозамкнутым ротором может в несколько раз превышать номинальный, и по этому включение двигателя мощностью свыше 2 кВт отражалось на работе других потребителей.

^{Рис. 3.15. Первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо‑Добровольского (в собранном и разобранном виде)}

^{Рис. 3.16. Трехфазный асинхронный двигатель Доливо‑Добровольского с фазным ротором и пусковым реостатом}

М.О. Доливо‑Добровольский в 1890 г. изготовил двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью примерно 3,7 кВт и при первом же испытании обнаружил 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, т.е. такого, обмотка которого делается, подобно обмотке статора, трехфазной и ее концы соединяются с тремя кольцами, насаженными на вал. С помощью щеток эти кольца соединяются с пусковым реостатом. Таким образом, в момент пуска цепь ротора имеет большое сопротивление, которое уменьшается по мере нарастания частоты вращения. На рис. 3.16, взятом из доклада М.О. Доливо‑Добровольского на первом Всероссийском электротехническом съезде (1899), 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 на то что впоследствии были разработаны различные меры по улучшению условий пуска крупных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, двигатели с контактными кольцами применяются в промышленности до настоящего времени.

В статьях и докладах М.О. Доливо‑Добровольского содержится много рассуждений о недопустимости сосредоточенных обмоток в машинах переменного тока, о пульсациях намагничивающей силы, о повышенном магнитном рассеянии, ухудшающем условия пуска. Налицо формирование элементов теории асинхронных машин. Конструктивные же формы созданных М.О. Доливо‑Добровольским двигателей были настолько совершенны, что не претерпели сколько‑нибудь существенных изменений более чем за 100 лет своего существования.

Трехфазная 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. Трехфазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформирования энергии, но требовала трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих аппаратов не могло не вызвать стремления найти более удовлетворительное решение.

В 1889 г. М.О. Доливо‑Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников (рис. 3.17, а). Его конструкция еще напоминает машину с выступающими полюсами, в которой устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было предложено несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых удалось получить более компактную форму магнитопровода (рис. 3.17, б, в, г). Наконец, в октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 3.17, д). В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время.

Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80–90‑х годах XIX в. значительное место в электропотреблении занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, иногда потребителю было желательно иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно – для осветительной нагрузки, другое, повышенное, – для силовой.

Чтобы можно было регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), М.О. Доливо‑Добровольский разработал в 1890 г. четырехпроводную схему трехфазной цепи, или, иначе, систему с нейтральным проводом. Одновременно он указал, что вместо нейтрального, или нулевого, провода можно использовать землю.

^{Рис. 3.17. Трансформаторы Доливо‑Добровольского}

^{а) – с радиальным расположением сердечников; б – г – «призматические»; д – с параллельным расположением стержней в одной плоскости}

М.О. Доливо‑Добровольский обосновал свои предложения доказательством того, что четырехпроводная трехфазная система допускает определенную несимметрию нагрузки; при этом напряжение на зажимах каждой фазы будет оставаться неизменным. Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпроводной системы М.О. Доливо‑Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор.

Таким образом, в течение 2–3 лет были конструктивно разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения: трансформатор, трехпроводная и четырехпроводная линии передачи и асинхронный двигатель в двух его основных модификациях (с фазным и короткозамкнутым ротором). Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип построения которых был уже известен, получили широкое применение только трехфазные машины. Так зародилась и получила свое начальное развитие трехфазная система электрического тока.

Изучение истории техники трехфазных цепей показывает, что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М.О. Доливо‑Добровольского. Он не только разработал основные элементы трехфазной системы, но и сделал ряд важнейших изобретений в области техники постоянного тока, в электроизмерительной технике; ему принадлежат также некоторые другие работы. Несомненно, столь быстрый и полный успех трудов М.О. Доливо‑Добровольского во многом определяется тем обстоятельством, что они отвечали основным потребностям практики. Действительно, М.О. Доливо‑Добровольский начал свою инженерную и научную деятельность в тот период, когда развивавшиеся производительные силы общества ставили перед электротехникой все новые и более ответственные задачи. Основное направление работ Доливо‑Добровольского совпало с главным направлением развития электроэнергетики [3.8].

В своем докладе на Международном конгрессе электриков в г. Франкфурте‑на‑Майне (1891 г.) он показал, что магнитный поток в магнитопроводе катушки, включенной в цепь переменного тока, целиком определяется напряжением (если считать частоту и число витков заданным) и не зависит от магнитного сопротивления. С изменением магнитного сопротивления меняется только намагничивающий ток. Это положение, которое М.О. Доливо‑Добровольский называет первым основным положением теории переменного тока, действительно является исходным во всех расчетах электромагнитных устройств. Далее он отметил, что если магнитный поток изменяется синусоидально, то ЭДС (или соответственно напряжение) также изменяется по закону синуса, причем ЭДС и магнитный поток различаются по фазе на π/2 . Он ввел понятия активной и реактивной составляющих тока, которые назвал соответственно ваттным (рабочим) и безваттным (возбудительным) токами. Метод разложения любого тока на две составляющие был рекомендован М.О. Доливо‑Добровольским для практических расчетов и анализа процессов в электрических машинах и аппаратах.

М.О. Доливо‑Добровольский рекомендовал принять в качестве основной формы кривой тока синусоиду. В отношении частоты тока он высказался за 30–40 Гц. Позднее в результате критического отбора получили применение лишь две частоты промышленного тока: 60 Гц в США и 50 Гц в других странах. Эти частоты оказались оптимальными, ибо повышение частоты ведет к чрезмерному возрастанию частоты вращения электрических машин (при том же числе полюсов), а ее снижение неблагоприятно сказывается на равномерности освещения.

Следует отметить, что в 1888 г. У. Томсон показал возможность применения гармонического анализа Фурье для любого периодического (несинусоидального) тока. (Французский ученый Жак Батист Фурье (1768–1830 гг.) предложил свой знаменитый метод в 1822 г., разрабатывая теорию тепла).