Коллектив авторов - История электротехники

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

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.

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.

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.