История электротехники - Коллектив авторов

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.

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).

3.7. ЭЛЕКТРОПРИВОД, ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТ И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ

Как известно, одними из наиболее распространенных в промышленности являются механические процессы. Поэтому уже в 70–80-х годах XIX столетия начинает проявляться стремление электрифицировать эти процессы, т.е. осуществить электрический привод различных исполнительных механизмов. Однако до начала 90-х годов применение электропривода носило эпизодический характер. Лишь в некоторых случаях, когда предприятия располагали блок-станциями для электрического освещения, электродвигатели применялись для привода вентиляторов, насосов, подъемников и других механизмов. Следует отметить, что на Всероссийской политехнической выставке в 1872 г. В.Н. Чиколев впервые демонстрировал швейную машину с электрическим приводом — это был первый в мире «электрифицированный станок».

Положение изменилось коренным образом в связи с изобретением асинхронного двигателя. В достаточно короткий срок этот тип двигателя занял доминирующее положение в системе электропривода промышленных предприятий. Чрезвычайная простота асинхронного двигателя, особенно с короткозамкнутым ротором, его надежность и невысокая стоимость позволяют установить в любом цехе сотни и тысячи двигателей при небольшом обслуживающем персонале. Такие двигатели могут выполняться в герметических корпусах, и, следовательно, их можно использовать в тяжелых условиях: в атмосфере повышенной влажности, бензиновых паров и т.п. Асинхронные двигатели без повреждений выдерживают значительные кратковременные перегрузки, тогда как в двигателях постоянного тока любая перегрузка ускоряет износ коллектора.

Существенным недостатком асинхронного двигателя является трудность регулирования частоты вращения. Поэтому до настоящего времени еще очень велик удельный вес регулируемых машин постоянного тока в системе промышленного электропривода. Недостатком асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором также является ограничение их мощности условиями пуска. Это обстоятельство в начальный период развития трехфазной техники, когда мощности электрических станций были невелики, заставляло во многих случаях отказываться от применения двигателей с короткозамкнутым ротором. Мощные двигатели с короткозамкнутым ротором применялись только в случаях, когда они питались от отдельного генератора. Такие установки часто использовались, например, в водокачках.