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 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 (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».
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 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 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. После этого асинхронный двигатель 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 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.
В статьях и докладах 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 Доливо-Добровольским двигателей были настолько совершенны, что не претерпели сколько-нибудь существенных изменений за 100 лет своего существования.
В 1917 г. Доливо-Добророльский написал статью «Из истории трехфазного тока», где в частности отмечал: «Трудно понять, почему Тесла с упорством отстаивал иссопряженный двухфазный ток, в то время как мы здесь с самого начала взялись за трехфазную систему. Мне, впрочем, кажется, что немногие люди верили в лучшие свойства электродвигателей при трех фазах вместо двух. Многие заинтересовались трехфазной системой лишь посте того, как стало ясно, что она приводит к уменьшению сечения проводов». А в другой статье он указывал, что «...бесспорным останется технический приоритет того изобретателя или фирмы, которые сумела сделать свое открытие жизнеспособным и на основании своей идеи и опыта создать применимый технический агрегат. Заслуга практической разработки и технического воплощения системы многофазного тока безусловно принадлежит АЭГ, что не должно снижать научной ценности открытий проф. Феррариса и Тесла».
Трехфазная система не получила бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она не решила проблемы передачи энергии иа 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. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформаторе радиальным расположением сердечников (рис. 6.10). Eгo 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. 6.10 б, в, г). Наконец, в октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 6.10 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 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.
Таким образом, в течение 2—3-х 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 задолго до того известен, получили широкое практическое применение только трехфазные машина. 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 ие 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, 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 в развитии электроэнергетики. Кроме того, нельзя упускать из виду, что Доливо-Добровольский работал в условиях наиболее развитой в то время германской электротехнической промышленности и, являясь одним из технических руководителей крупнейшей электротехнической фирмы, располагал большими возможностями для экспериментального исследования и практической реализации своих изобретений. В 1914 г., когда разразилась Первая мировая война, Доливо-Добровольский, как русский подданный, был вынужден покинуть Германию и жил в Швейцарии. Здоровье его было серьезно подорвано, чувство личной неустроенности, оторванность от Родины вызвали обострение сердечной болезни, и в 1919 г. в Гейдельберге Михаил Осипович скончался.