Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень Лекция 3.10 Трехфазный трансформатор
В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Сначала это был трансформатор с радиальным расположением сердечников (рис. 1А). Его конструкция еще напоминает машину с выступающими полюсами, в которой отсутствует воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни.
Затем было предложено несколько конструкций «призматических» трансформаторов, где удалось получить более компактную форму магнитопровода (рис. 1 Б).
Наконец, в октябре 1891 г. была подана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 1В). В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время.
В 80 - 90-х годах XIX века значительное место в электропотреблении занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, часто надо было иметь не одно, а два напряжения: одно - для осветительной нагрузки; другое, повышенное, - для силовой.
Чтобы иметь возможность регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. 4-х-проводную схему 3-х-фазной цепи - систему с нейтральным проводом. Также он указал, что вместо нейтрального провода можно использовать "землю".
Свои предложения Доливо-Добровольский обосновал доказательством того, что 4-х-проводная 3-х-фазная система допускает иметь определенную несимметрию нагрузки, поскольку позволяет сохранять в каждой фазе неизменное напряжение.
Для регулирования напряжения в отдельных фазах 4-х-проводной системы он предложил использовать изобретенный им 3-х-фазный автотрансформатор.
Таким образом, в течение трех лет были конструктивно разработаны все основные элементы 3-х-фазной системы электроснабжения: трансформатор, 3-х-проводная и 4-х-проводная линии и асинхронный двигатель (с фазным и короткозамкнутым ротором). Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип действия которых был известен задолго до того, получил широкое практическое применение лишь 3-х-фазный синхронный генератор.
Так зародилась и получила свое начальное развитие 3-х-фазная система электрического тока и решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М.О. Доливо-Добровольского.
Первая трехфазная линия электропередачи
Генеральным испытанием 3-х-фазной системы явилась Лауфен-Франкфуртская экспериментальная электропередача. Этот выдающийся для своего времени эксперимент был приурочен к Международной электротехнической выставке и Международному конгрессу электротехников, которые проводились в 1891г. во Франкфурте-на-Майне (Германия). Поводом к организации этой выставки послужили сомнения бургомистра Франкфурта в выборе рода тока для центральной электростанции города.
Организаторы выставки предложили фирме АЭГ, где в то время работал Доливо-Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на реке Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина полезной мощностью около 300 л.с.
До этого времени дальность электропередачи, не считая нескольких опытных, не превышала 15 км, и ряд специалистов полагали, что КПД установки может оказаться меньше 50%.
Доливо-Добровольскому предстояло в течение года (!) спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и 3-х фазные трансформаторы мощностью 100 - 150 кВА.
Задачи были очень серьезные: испытание новой системы перед лицом всего мира; невиданные масштабы; двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились.
В августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемых током Лауфенской гидростанции, а двигатель привел в действие декоративный водопад.
Что же представляла собой эта первая трехфазная ЛЭП? На ГЭС в Лауфене энергия, развиваемая турбиной, передавалась через коническую зубчатую передачу на вал трехфазного синхронного генератора (мощность 230 кВА, частота вращения 150 об/мин, напряжение 95 В). В Лауфене и Франкфурте находилось по 3трехфазных трансформатора с магнитопроводом призматической формы. Трансформаторы были погружены в баки, наполненные маслом.
Трехпроводная линия была выполнена на деревянных опорах со средним пролетом около 60 м. Медный провод диаметром 4 мм крепился на штыревых фарфорово-масляных изоляторах. Интересной деталью линии являлась установка плавких предохранителей со стороны высокого напряжения: в начале линии в разрыв каждого провода был включен участок длиной 2,5 м, состоявший из двух медных проволок диаметром 0,15 мм каждая. Для отключения линии во Франкфурте посредством простого приспособления устраивалось трехфазное к.з., плавкие вставки перегорали, турбина начинала развивать большую скорость, и машинист, заметив это, останавливал ее.
На выставочной площадке во Франкфурте был установлен понижающий трансформатор, от которого при напряжении 65 В питались 1 000 ламп накаливания, расположенных на огромном щите. Здесь же был установлен трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского, приводивший в действие гидравлический насос мощностью около 100 л.с.
Проблема передачи энергии была решена. По результатам международной комиссии было зафиксировано КПДmin = 68,5% ; КПДтах = 78,9 % ; линейное напряжение составляло 15 кВ, а при более высоком напряжении – 25,1 кВ.
Создание 3-х фазной системы явилось важнейшим этапом в развитии техники. Эта система вывела проблему передачи электроэнергии, а вместе с ней и электротехнику, из кризисного состояния, сложившегося в 80-х годах прошлого века.
Производительные силы получили новую техническую базу, во многом способствовавшую углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства.
Электрическая энергия, которая из мест ее дешевого получения теперь могла передаваться в удаленные промышленные районы, вызвала коренную реконструкцию энергохозяйства промышленных предприятий и начала внедряться в технологию.
В борьбе «постоянный-переменный ток» победил переменный.