Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
Двухфазный двигатель Феррариса состоял из двух пар взаимно-перпендикулярных катушек полого медного цилиндра, сидящего на валу. Если подвести к одной паре катушкам ток, отличающийся по фазе от тока в другой паре катушек на 90°, то во внутренней полости катушек возникнет вращающееся магнитное поле и медный цилиндр (ротор) начнет вращаться. Измерения показали, что двигатель развивал мощность до 3 Вт. Задачу получения двух токов, отличающихся по фазе на 90°, Феррарис решал двумя путями. В одном случае пара катушек включалась в первичную цепь трансформатора с разомкнутой магнитной системой, другая – во вторичную; в другом – в цепь первой катушки включалось добавочное активное сопротивление, а в цепь второй – добавочное индуктивное сопротивление.
Таким образом, одна возможность получить двухфазную систему токов состояла в «расщеплении» обычного однофазного переменного тока; при этом создавалась так называемая искусственная, или вспомогательная, фаза.
Этот метод требовал дополнительных, довольно сложных устройств для «расщепления» фаз, и, кроме того, фазный сдвиг практически никогда не составлял 90°, что приводило к искажению вращающегося поля.
Но не эти недостатки (на которые, собственно, сначала и не обратили внимания) помешали Феррарису и некоторым его современникам разработать конструкцию промышленного двухфазного электродвигателя. По иному пути пошли некоторые другие изобретатели, и среди них наибольших успехов добился Никола Тесла. Тесла, не прибегая к попыткам получить необходимую разность фаз в самом двигателе, пришел к выводу о целесообразности построения такого генератора, который сразу давал бы, так сказать, в готовом виде два тока с разностью фаз 90°.
Тесла построил двухфазный генератор и питал от него двухфазный асинхронный двигатель. Он состоял из синхронного генератора и асинхронного двигателя. 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.
Пока Тесла пытался усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная система трехфазного тока.
Это сделал М. О. Доливо-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер и явился основоположником техники трехфазного тока.
Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский, познакомившись с содержанием доклада Феррариса, не согласился с его выводом о практической непригодности индукционного электродвигателя. Еще раньше Доливо-Добровольский заметил, что если замкнуть накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока при его торможении, то возникает тормозящий момент большой величины. Он пришел к выводу о нецелесообразности изготовления обмотки ротора с таким большим сопротивлением, при котором ротор имел бы скольжение около 50 %. Наоборот, если сопротивление обмотки ротора будет небольшим, то уже при незначительном скольжении в стержнях обмотки возникнут большие токи, которые в достаточно сильном поле статора создадут значительный вращающий момент.
Эксперименты в этом направлении привели его к разработке трехфазной электрической системы и, в принципе, не изменившейся до настоящего времени конструкции асинхронного электродвигателя.
Первым важным шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки. С точки зрения уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог бы стать ротор в виде медного цилиндра, как в двигателе Феррариса. Но медь плохо проводит магнитный поток статора, и КПД такого двигателя был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко возрастет, но КПД не повышается, так как электрическая проводимость стали меньше, чем меди. Выход из этого противоречия состоял в том, чтобы выполнить ротор в виде стального цилиндра и в просверленные по его периферии каналы закладывать медные стержни. На лобовых частях ротора эти стержни должны быть хорошо электрически соединены друг с другом. В 1889 г. Доливо-Добровольский запатентовал изобретение ротора с беличьей клеткой, той конструкции ротора асинхронного двигателя, которая сохранилась принципиально в том же виде и до настоящего времени.
Важнейшим достижением Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного двигателя и использование машины. Переход от двухфазной системы к трехфазной дает значительный выигрыш в этом отношении. Дальнейшее увеличение числа фаз приведет к значительному увеличению расхода меди на провода.
Было необходимо найти способ получения трехфазной системы.
Теслу устраивал синхронный генератор, в котором имелись три независимые катушки, расположенные под углом 60° друг к другу. Такой генератор давал трехфазный ток, но требовал для передачи энергии шесть проводов, так как в этом случае получалась несвязанная трехфазная цепь с токами, отличавшимися друг от друга по фазе на 60°. Доливо-Добровольский в результате исследования различных схем обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машины постоянного тока. Таким образом был получен трехфазный ток с разностью фаз 120°. Сохранив в этой машине коллектор, можно было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя, на кольцах которого получался трехфазный ток. В зависимости от способа подключения существуют два вида соединений электродвигателя: «звезда» и «треугольник».
Таким путем была найдена связанная трехфазная система, у которой та особенность, что она требует для передачи и распределения электроэнергии только трех проводов. В двухфазной системе Теслы также имелась возможность обойтись тремя проводами, однако достоинства симметричной связанной трехфазной цепи подкреплялись другими преимуществами. Например, на три провода в трехфазной системе при прочих разных условиях требовалось затратить металла на 25 % меньше, чем на два провода в однофазной системе. Эта очевидная экономия меди в значительной мере способствовала решению вопроса о выборе системы тока в пользу трехфазной системы.
Весной 1889 г. был построен первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью около 100 Вт. Этот двигатель питался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты.
Новое затруднение в развитии техники трехфазного тока возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников тока: как отдельных генераторов, так и электростанций в целом. При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток может в несколько раз превышать номинальный. Чем больше начальный пусковой ток в сравнении с номинальным током и чем больше двигателей включается в какую-либо сеть, тем больше должна быть мощность этой сети, чтобы включение двигателей меньше отражалось на работе других потребителей. Уже в случае применения машин мощностью свыше 2–3 кВт нужны специальные меры для уменьшения бросков тока и связанного с этим снижения напряжения в сети.
М. О. Доливо-Добровольский в 1890 г. изготовил двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 3,7 кВт и при первом же испытании установил значительное ухудшение пусковых свойств. Причина этого, согласно определению изобретателя, 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 ротора, 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 скорости. Но фазный ротор требовал устройства на валу двигателя контактных колец, и это рассматривалось многими электротехниками как недостаток по сравнению с короткозамкнутым ротором, не имеющим никаких трущихся контактов. Однако с этим пришлось мириться, и, несмотря на то что впоследствии были разработаны различные меры для улучшения условий пуска крупных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, двигатели с контактными кольцами широко применяются в промышленности до настоящего времени.
Благодаря своим превосходным показателям двигатели конструкции Доливо-Добровольского получили широкое распространение. Вот тогда и началась электрификация всех отраслей промышленности.
