Жанр: Энциклопедия
Сто великих изобретений
...8 году фирма
"Вестингауз Электрик Компани" купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск
асинхронных двигателей. Эти двигатели поступили в продажу в следующем
году. Они были гораздо лучше и надежнее всех существовавших до этого моделей, но не получили широкого распространения, так как оказались весьма неудачно сконструированы. Обмотка статора в них выполнялась в виде катушек,
насаженных на выступающие полюса. Неудачной была и конструкция ротора в
виде барабана с двумя взаимно перпендикулярными, замкнутыми на себя катушками. Все это заметно снижало качество двигателя как в момент пуска, так
и в рабочем режиме.
Вскоре индукционный двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским электротехником Доливо-Добровольским. Исключенный в 1881 году по политическим мотивам из Рижского политехнического института, Доливо-Добровольский уехал в Германию. Здесь он закончил Дармштадтское высшее техническое училище и с 1887 года начал работу в крупной
германской электротехнической фирме АЭГ. Первым важным новшеством, которое внес Доливо-Добровольский в асинхронный двигатель, было создание
ротора с обмоткой "в виде беличьей клетки". Во всех ранних моделях асинхронных двигателей роторы были очень неудачными, и поэтому КПД этих моторов был ниже, чем у других типов электрических двигателей. (Феррарис, о
_ , - котором упоминалось выше, создал
асинхронный двухфазный двигатель с
КПД порядка 50% и считал это пределом.) Очень большое значение играл
здесь материал, из которого изготавливался ротор, поскольку тот должен был
удовлетворять сразу двум условиям:
иметь малое электрическое сопротивление (чтобы индуцируемые токи могли
свободно протекать через его поверхность) и иметь хорошую магнитную
проницаемость (чтобы энергия магнитного поля не растрачивалась понапрасну). С точки зрения уменьшения электрического сопротивления лучшим конструктивным решением мог бы стать
ротор в виде медного цилиндра. Но
медь плохой проводник для магнитного потока статора и, КПД такого двига
Рис. 58-10. Роторы "в виде беличьей
клетки" Доливо-Добровольского
Константин РЫЖОВ
239
теля был очень низким. Если медный цилиндр заменяли стальным, то магнитный поток резко возрастал, но, поскольку электрическая проводимость стали
меньше, чем меди, КПД опять был невысоким. Доливо-Добровольский нашел
выход из этого противоречия: он выполнил ротор в виде стального цилиндра
(что уменьшало его магнитное сопротивление), а в просверленные по периферии последнего каналы стал закладывать медные стержни (что уменьшало электрическое сопротивление). На лобовых частях ротора эти стержни электрически
соединялись друг с другом (замыкались сами на себя). Решение Доливо-Добровольского оказалось наилучшим. После того как он получил в 1889 году патент
на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть до настоящего времени.
Вслед за тем Доливо-Добровольский стал думать над конструкцией статора неподвижной части двигателя. Конструкция Теслы казалась ему нерациональной. Поскольку КПД электрического двигателя напрямую зависит от того, насколько полно магнитное поле статора используется ротором, то, следовательно,
чем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят
через поверхность ротора), тем больше потери электрической энергии и тем меньше
КПД. Чтобы этого не происходило, зазор между ротором и статором должен быть
как можно меньше. Двигатель Теслы с этой точки зрения был далек от совершенства - выступающие полюса катушек на статоре (как это видно на рисунке)
создавали слишком большой зазор между статором и ротором. Кроме того, в
двухфазном двигателе не получалось равномерное движение ротора. Исходя из
этого, Доливо-Добровольский видел перед собой две задачи: повысить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы. Первая задача была несложной - достаточно было убрать выступающие полюса электромагнитов и
равномерно распределить их обмотки по всей окружности статора, чтобы КПД
двигателя сразу увеличилось. Но как разрешить
вторую проблему? Неравномерность вращения можно было заметно уменьшить, лишь увеличив число фаз с двух до трех. Но был ли этот путь рациональным? Получить трехфазный ток, как уже говорилось, не представляло большого труда. Построить трехфазный двигатель тоже было нетрудно для этого достаточно разместить на статоре три катушки вместо двух и каждую из них соединить
Двумя проводами с соответствующей катушкой генератора. Этот двигатель должен был по всем параметрам быть лучше двухфазного двигателя Теслы,
кроме одного момента - он требовал для своего
питания шести проводов, вместо четырех. Таким
образом, система становилась чрезмерно громозд- ^ ^.^ ^^ соединекои и дорогой. Но, может быть, существовала воз- ^я на кольцевом якоре геможность подключить двигатель к генератору как- нератора для получения
нибудь по другому? Доливо-Добровольский про- трехфазного тока
240 100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
Рис. 58-12 Кривые токов, сдвинутые
по фазе на 120 градусов
водил бессонные ночи над схемами многофазных цепей На листах бумаги он
набрасывал все новые и новые варианты. И, наконец, решение, совершенно
неожиданное и гениальное по своей простоте, было найдено.
Действительно, если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря генератора так, как это показано на рисунке, и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки, то при
вращении якоря между полюсами на каждой щетке будет индуцироваться один и
тот же по величине ток, но со сдвигом во времени, которое необходимо для того,
чтобы виток переместился по дуге, соответствующей углу 120 градусов Иначе
говоря, токи в цепи будут сдвинуты относительно друг друга по фазе также на
120 градусов. Но этой системе трехфазного тока оказалось присуще еще одно
чрезвычайно любопытное свойство, какого не имела ни одна другая система многофазных токов - в любой произвольно взятый момент времени сумма токов,
текущих в одну сторону, равна здесь величине третьего тока, который течет в
противоположную сторону, а сумма всех трех токов в любой момент времени
равна нулю.
Например, в момент времени t, ток 1^ проходит через положительный максимум, а значения токов ?, и \у имеющих отрицательное значение, достигают половины максимума и сумма их равна току ?у Это означает, что в любой момент
времени один из проводов системы передает в одном направлении такое же количество тока, какое два других вместе передают в противоположном направлении. Следовательно, предоставляется возможность пользоваться каждым из трех
проводов в качестве отводящего проводника для двух других, соединенных параллельно, и вместо шести проводов обойтись всего тремя'
Чтобы пояснить этот чрезвычайно важный момент, обратимся к воображаемой схеме. Представим себе, что через круг, вращающийся вокруг своего центра,
проходят три соединенных между собой проводника, в которых протекают три
переменных тока, сдвинутых по фазе на 120 градусов. При своем вращении каждый проводник находится то
на положительной, то на отрицательной части круга,
причем при переходе из одной части в другую ток меняет свое направление Из
рисунка видно,что эта система вполне обеспечивает
нормальное протекание (циркуляцию) токов. В самом
деле, в некоторый момент
Рис. 58-13. Направление тока в трехфазном проводнике
Константин РЫЖОВ 241
времени проводники I и II оказываются соединенными параллельно, a III отводит от них ток. Некоторое время спустя II переходит на ту же сторону, где
находится III; теперь уже II и III работают параллельно, а I как общий отводящий ток провод. Далее III переходит на ту сторону, где еще находится I; теперь
II отводит то количество, что III и I подводят вместе. Затем I переходит на ту
сторону, где еще находится II, и т. д.
В приведенном примере ничего не говорилось об источниках тока. Как мы
помним, этим источником является трехфазный генератор. Изобразим обмотки
генератора в виде трех катушек. Для того чтобы протекание тока происходило
описанным нами способом, эти катушки могут быть включены в цепь двояким
образом. Мы можем, к примеру (см. рис.), разместить их на трех сторонах треугольника, допустим левого; таким образом, вместо трех его сторон мы получим
три катушки I, II и III, в которых индуцируются токи со смещением фаз на 1/3
периода. Мы можем также переместить точки приложения электродвижущих сил
и на концы параллельных проводников. Если мы поместим здесь наши катушки,
то получим соединение, изображенное на том же рисунке слева. Треугольники,
служащие теперь лишь проводящими соединениями для трех левых концов катушек, могут быть стянуты в одну точку. Эти соединения, из которых первое
называется "треугольником", а второе - "звездой", широко применяются как в
двигателях, так и в генераторах.
Свой первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольский
построил зимой 1889 года. В качестве статора в нем был использован кольцевой
якорь машины постоянного тока с 24-мя полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки в пазах по всей окружности статора, что делало более благоприятным распределение магнитного поля.
Ротор был цилиндрическим с обмотками "в виде беличьей клетки". Воздушный
зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было
смелым решением, так как обычно зазор делали больше. Стержни "беличьей клетки" не имели никакой изоляции. В качестве источника трехфазного тока был
использован стандартный генератор постоянного тока, перестроенный в трехфазный генератор так, как это было описано выше.
Впечатление, произведенное первым запуском двигателя на руководство АЭГ,
было огромным. Для многих
стало очевидно, что долгий
тернистый путь создания промышленного электродвигателя наконец пройден до конца. По своим техническим
показателям двигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы -обладая
очень высоким КПД, они безотказно работали в любых
Рис. 58-14. Способы соединения обмоток генератора в трехфазной цепи
242 100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили
широкое распространение по всему миру. С этого времени началось быстрое
внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.
59. ТРАНСФОРМАТОР
О физической сути явления трансформации токов уже сообщалось в главе,
посвященной телефону. Нужно, однако, сказать еще несколько слов об изобретении этого замечательного устройства, позволившем разрешить множество больших и малых проблем электротехники. Вполне логично утверждать, что первый
трансформатор появился одновременно с открытием явления электромагнитной
индукции. Один из опытов Фарадея заключался в том, что он пускал ток от
батареи через обмотки катушки. При этом возникал ток в обмотках второй катушки, которая находилась поблизости, но никак не была связана с первой. Моментальное прохождение тока регистрировалось гальванометром. Сам Фарадей,
впрочем, никогда не использовал этот эффект для преобразования напряжения.
В 1848 году Румкорф первым обратил внимание физиков на удивительные
способности трансформатора создавать токи очень высокого напряжения. Но прошло еще несколько лет, прежде чем ему удалось создать работающую модель
этого прибора. В результате, в 1852 году появилась знаменитая индукционная
катушка Румкорфа, которая сыграла огромную роль в истории техники. При
изготовлении этого первого трансформатора изобретателю пришлось преодолеть
значительные трудности. Для того, чтобы увеличить число витков в обмотке вторичной катушки, Румкорф должен был применять очень тонкую проволоку и
при этом тщательно следить, чтобы высокое напряжение не пробило ее изоляции. Купив несколько километров тонкой как волос проволоки, он тщательно
заизолировал ее, а затем аккуратно навил на катушку виток к витку. С помощью
своей катушки Румкорф мог получать колебания тока очень высокого напряжения. Постоянный ток на поддается трансформации. Для того чтобы превратить
постоянный ток батареи в переменный, Румкорф последовательно с первичной
катушкой включил прерыватель, который периодически замыкал и размыкал ток
первичной цепи (обычно с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен
раз в секунду). При замыкании первичного тока от батареи во вторичной обмотке наводилось напряжение, которое было выше первичного в таком же отношении, в каком находилось количество витков во вторичной и первичной обмотках. При размыкании тока первичной обмотки во вторичной наводилось еще
более высокое напряжение. Величина его была тем больше, чем быстрее шло
размыкание тока. В качестве прерывателя применялась пружинная пластинка,
которая притягивалась сердечником катушки и размыкала цепь. Частота прерываний зависела от массы и упругости пружины, от количества витков в первичной обмотке и от напряжения батареи.
Константин РЫЖОВ 243
На протяжении нескольких десятилетий трансформаторы почти не использовались
в технике и имели исключительно научное применение.
Только в конце 70-х годов
индукционные катушки стали широко использоваться в
телефонных аппаратах и при
устройстве электрического
освещения. Дело в том, что
JG&
Рис. 59-1. Разделение электроэнергии посредством
индукционных катушек
после распространения свечи Яблочкова в Европе электротехники столкнулись с
так называемой проблемой "дробления" электрической энергии. Она состояла в
следующем. Как правило, от одной генераторной установки должно было питаться множество лампочек. Между тем при последовательном соединении многих свечей режим работы сети становился неустойчивым. Потухание только одной свечи было равносильно разрыву сети, после чего гасли и остальные свечи.
Если свечи включались в цепь параллельно, то обычно загоралась только та из
них, сопротивление которой было наименьшим (потому что ток, как известно,
идет всегда по линии наименьшего сопротивления). Когда эта свеча полностью
выгорала, загоралась следующая, сопротивление которой было наименьшим, и
так далее. Столкнувшись с этой проблемой, Яблочков предложил использовать
для "дробления" энергии индукционные катушки.
При этом соединении в цепь последовательно включались первичные обмотки катушек, а во вторичную обмотку, в зависимости от ее параметров, могли
включаться одна, две, три или более свечей. Катушки работали при этом в режиме трансформатора, давая на выходе необходимое напряжение. При потухании
лампы цепь не прерывалась, так что отдельные свечи продолжали гореть.
С развитием техники переменных
токов трансформаторы получили важное
значение. В 1882 году Голяр и Гиббс
взяли патент на трансформатор, который
использовался уже не только для "дробления" энергии, но и для преобразования напряжения.
Устройство его видно из рисунка: на
деревянной подставке укреплялось некоторое число вертикальных индукционных катушек, первичные обмотки которых были соединены последователь- рцс. 59-2. Трансформатор Голяра и
но. Вторичные обмотки делились на сек- Гиббса с разомкнутой магнитной сисЦии, и каждая секция имела пару вы- темой
244 100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
Рис. 59-3. Схема трансформатора Гопкинсон: 1 - стальной шихтованный
сердечник; 2 - обмотки высшего напряжения; 3 - обмотки низшего напряжения
водов для присоединения приемников
тока, которые действовали независимо
друг от друга. Сопротивление в первичной цепи (а, следовательно, и силу тока)
можно было регулировать, перемещая
внутри катушек сердечники (на рисунке часть сердечника выдвинута) Сердечники первичной и вторичной обмоток не были соединены между собой,
поэтому эти трансформаторы имели разомкнутую магнитную систему Однако вскоре было замечено, что если вторичную и первичную катушки насадить
на единый сердечник, то трансформатор будет работать гораздо лучше потери энергии сократятся, а КПД повысится. Первый такой трансформатор
с замкнутой магнитной системой был
создан в 1884 году английскими изобретателями братьями Джонсом и Эдуардом Гопкинсон.
Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери энергии на
вихревые токи. На этот сердечник, чередуясь, помещали катушки высшего и
низшего напряжения.
В 1885 году венгерский электротехник Дери доказал, что трансформаторы
должны включаться в цепь параллельно, и взял патент на этот способ соединения
Только после этого начался промышленный выпуск трансформаторов однофазного переменного тока. Поскольку мощные трансформаторы испытывали при своей
работе значительный перегрев, была разработана система их масляного охлаждения (внутрь трансформатора стали помещать керамический сосуд с маслом)
Трансформаторы оказались чрезвычайно полезны и при трехфазной системе.
Вообще, система трехфазного тока не получила бы в первые же годы своего существования такого широкого применения, если бы она не решала проблемы передачи
энергии на большие расстояния. Но такая передача, как
будет показано ниже, выгод
Рис. 59-4 Трехфазный трансформатор Доливо-Добровольского с радиальным расположением сердечников
на только при высоком напряжении, которое, в случае
переменного тока, получает
Константин РЫЖОВ
Г^ :г.г т^ ~,'z. te'
IffH й ^
Т-Е
ff- ТЗг^- 6 С
tt ц. 4-4.'11 "
гА^д
", ^ гfr'
Рис. 59-5. Трехфазные трансформаторы Доливо-Добровольского "призматического" типа
Рис. 59-6. Трехфазный трансформатор Доливо-Добровольского с параллельным расположением стержней в
одной плоскости
ся 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 с радиальным расположением сердечников.
В этом случае обмотки высшего и низшего напряжений каждой фазы располагались на соответствующих радиальных сердечниках, а магнитный поток заключался на наружной оболочке (внешнем ярме). Затем Доливо-Добровольский нашел, что проще разместить стержни с обмотками параллельно, а торцы стержней
(сердечников) соединить одинаковым ярмом. Тогда вся система получалась более
компактной. Этот тип трансформатора получил название "призматического".
Наконец, в октябре 1891 года Доливо-Добровольский взял патент на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. Его конструкция оказалась настолько удачной, что без принципиальных
изменений сохранилась до наших дней.
60. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ
В последней трети XIX века во многих крупных промышленных центрах
Европы и Америки стала очень остро ощущаться энергетическая проблема. Жилые дома, транспорт, фабрики и мастерские требовали все больше топлива, под
100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
возить которое приходилось издалека, вследствие чего цена на него постоянно
росла. В этой связи то здесь, то там стали обращаться к гидроэнергии рек, гораздо более дешевой и доступной. Вместе с тем повсеместно возрастал интерес к
электрической энергии. Уже давно было отмечено, что этот вид энергии чрезвычайно удобен: электричество легко генерируется и так же легко преобразуется в
другие виды энергии, без труда передается на расстояние, подводится и дробится.
Первые электрические станции обычно представляли собой электрогенератор, присоединенный к паровой машине или турбине, и предназначались для
снабжения электроэнергией отдельных объектов (например, цеха или дома, в
крайнем случае, квартала). С середины 80-х годов стали строиться центральные
городские электростанции, дававшие ток прежде всего для^освещения (первая
такая электростанция была построена в 1882 году в Нью-Йорке под руководством Эдисона.) Ток на них вырабатывался мощными паровыми машинами. Но
уже к началу 90-х годов стало ясно, что таким образом энергетическую проблему
не разрешить, поскольку мощность центральных станций, расположенных в центральной части города, не могла быть очень большой. Использовали они те же
уголь и нефть, то есть не снимали проблемы доставки топлива.
Дешевле и практичнее было возводить электростанции в местах с дешевыми
топливными и гидроресурсами. Но, как правило, местности, где можно было в
большом количестве получать дешевую электроэнергию, были удалены от промышленных центров и больших городов на десятки и сотни километров. Таким
образом, возникла другая проблема - передачи электроэнергии на большие расстояния.
Первые опыты в этой области относятся к самому началу 70-х годов
XIX века, когда пользовались в основном постоянным током. Они показали, что
как только длина соединительного провода между генератором тока и потреблявшим этот ток двигателем превышала несколько сотен метров, ощущалось значительное снижение мощности в двигателе из-за больших потерь энергии в кабеле.
Это явление легко объяснить, если вспомнить о тепловом действии тока. Проходя по кабелю, ток нафевает его. Эти потери тем больше, чем больше сопротивление провода и сила проходящего по нему тока. (Количество выделяющейся теплоты Q легко вычислить. Формула имеет вид: Q=R
I2, где I - сила проходящего тока, R - сопротивление кабеля. Очевидно, что сопротивление провода тем
больше, чем больше его длина и чем меньше его сечение. Если в этой формуле
принять I=P/U, где Р - мощность линии, a U - напряжение тока, то формула
примет вид Q=R
PVU2. Отсюда видно, что потери на тепло будут тем меньше,
чем больше напряжение тока.) Имелось только два пути для снижения потерь в
линии электропередач: либо увеличить сечение передающего провода, либо повысить напряжение тока. Однако увеличение сечения провода сильно удорожало
его, ведь в качестве проводника тогда использовалась достаточно дорогая медь.
Гораздо более выигрыша сулил второй путь.
В 1882 году под руководством известного французского электротехника Депре была построена первая линия электропередач постоянного тока от Мисбаха до
Мюнхена, протяженностью в 57 км. Энергия от генератора передавалась на элек
Константин РЫЖОВ 247
тродвигатель, приводивший в действие насос. При этом потери в проводе достигали 75%. В 1885 годуДепре провел еще один эксперимент, осуществив электропередачу между Крейлем и Парижем на расстояние в 56 км. При этом использовалось высокое напряжение, достигавшее 6 тысяч вольт. Потери снизились до
55%. Было очевидно, что, повышая напряжение, можно значительно повысить
КПД линии, но для этого надо было строить генераторы постоянного тока высокого напряжения, что было связано с большими техническими сложностями.
Даже при этом сравнительно небольшом напряжении Депре приходилось постоянно чинить свой генератор, в обмотках которого то и дело происходил пробой.
С другой стороны, ток высокого напряжения нельзя было использовать, поскольку на практике (и, прежде всего, для нужд освещения) требовалось совсем
небольшое напряжения, порядка 100 вольт. Для того чтобы понизить напряжение постоянного тока, приходилось строить сложную преобразовательную систему: ток высокого напряжения приводил в действие двигатель, а тот, в свою очередь, вращал генератор, дававший ток более низкого напряжения. При этом потери еще более возрастали, и сама идея передачи электроэнергии становилась
экономически невыгодной.
Переменный ток в отношении передачи казался более удобным хотя бы уже
потому, что его можно было легко трансформировать, то есть в очень широких
пределах повышать, а затем понижать его напряжение. В 1884 году на Туринской
выставке Голяр осуществил электропередачу на расстояние в 40 км, подняв с
помощью своего трансформатора напряжение в линии до 2 тысяч вольт. Этот
опыт дал неплохие результаты, но и он не привел к; широкому развитию электрификации, поскольку, как уже говорилось, двигатели однофазного переменного тока по всем параметрам уступали двигателям постоянного тока и не имели
распространения. Таким образом, и однофазный переменный ток было невыгодно передавать на большие расстояния. В следующие годы были разработаны две
системы многофазных токов - двухфазная Теслы и трехфазная Доливо-Добровольского. Каждая из них претендовала на господствующее положение в электротехнике. По какому же пути должна была пойти электрификация? Точного
ответа на этот вопрос поначалу не знал никто. Во всех странах шло оживленное
обсуждение достоинств и недостатков каждой из систем токов. Все они имели
своих горячих сторонников и ожесточенных противников. Некоторая ясность в
этом вопросе была достигнута только в следующем десятилетии, когда был сделан значительный прорыв в деле электрификации. Огромную роль в этом сыграла Франкфуртская международная выставка 1891 года.
В конце 80-х годов встал вопрос о сооружении центральной электростанции
во Франкфурте-на-Майне. Многие германские и иностранные фирмы предлагали
городским властям различные варианты проектов, предусматривающие применение либо постоянного, либо переменного тока. Обер-бургомистр Франкфурта
находился в явно затруднительном положении: он не мог сделать выбор там, где
это было не под силу даже многим специалистам. Для выяснения спорного вопроса и решено было устроить во Франкфурте давно планировавшуюся международную электротехническую выставку. Ее главной целью должна была стать де
100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
монстрация передачи и распределения электрической энергии в различных системах и применениях. Любая фирма могла продемонстрировать на этой выставке
свои успехи, а международная комиссия из наиболее авторитетных ученых должна была подвергнуть все экспонаты тщательному изучению и дать ответ на вопрос о выборе рода тока. К началу выставки различные фирмы должны были постро
...Закладка в соц.сетях
