Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень Лекции 3.8-3.9 Возникновение многофазных систем
Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX века, когда была решена комплексная энергетическая проблема, соединившая в себе технические основы электропередачи и электропривода. Началась повсеместная электрификация. Это произошло, когда стало возможным строить крупные электростанции в местах, богатых первичными энергоресурсами, объединять их работу в общую сеть и снабжать энергией любые объекты.
Все это стало возможным благодаря разработке многофазных цепей, из которых многолетняя практика сделала выбор в пользу 3-х фазных цепей.
Наиболее интересными и новыми элементами 3-х фазной системы явились электродвигатели, действие которых основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.
Принцип действия асинхронного двигателя с вращающимся полем содержится в опытах Араго (1824 г.): при вращении медного диска под (над) магнитной стрелкой она также приходила во вращение. Но это поле создавалось не неподвижным устройством, каким является в современных машинах статор, а вращающимся магнитом. В то время это явление так и не смогли объяснить, назвав его "эффект Араго".
К открытию явления вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга в 1885 г. итальянский ученый Галилео Феррарис и югослав Н.Тесла.
Они показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом, питать двумя переменными токами, отличающимися по фазе на 90º, то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей катушек получает равномерное вращательное движение, не изменяясь по абсолютной величине.
Поэтому естественно, что исследование многофазных систем началось с двухфазных.
Двигатель Феррариса развивал мощность 3Вт. Но как получить два тока отличных по фазе на угол 90º или близкий к нему? Феррарис решал эту проблему двумя путями:
- пара катушек включалась в первичную цепь трансформатора с разомкнутой магнитной системой, а другая пара - в его вторичную цепь;
- в цепь первой пары катушек включали добавочное сопротивление, а в цепь второй - добавляли катушки индуктивности.
Таким образом, один путь получения двухфазной системы токов состоял в "расщеплении" обычного однофазного переменного тока. Метод, требовавший дополнительных достаточно сложных устройств, и, кроме того, фазовый угол никогда не составлял 90º - вращающееся поле искажалось.
Но не эти недостатки помешали Феррарису и некоторым его современникам разработать конструкцию двухфазного двигателя. В своих исследованиях он предположил, что электродвигатель, так же, как это принято в технике передачи сигналов, должен работать не при максимальном КПД, а при максимальной полезной мощности! Простые расчеты показывают, что этому условию соответствовал двигатель со скольжением 50%. Естественно, что интерес к его работе упал.
П
о
иному пути пошли некоторые другие
изобретатели, и среди них наибольшего
успеха добился Н. Тесла. Он полагал, что
многофазные токи нужно получать от
многофазных источников, а не пользоваться
фазосмещающими устройствами. Т. е. он
не прибегал к попыткам получить разность
фаз 90º в самих двигателях, а пришел к
выводу о целесообразности построения
такого генератора.
Схематически система Тесла выглядела следующим образом (рис. 6.4): синхронный генератор был соединен с асинхронным двигателем. В генераторе между полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушки, в которых генерировались два тока, сдвинутые по фазе на 90º. концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольца имеют различные диаметры). Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя катушек.
Основным недостатком двигателя Тесла, сделавшим его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенными (а не распределенными по всей поверхности ротора) обмотками. Эти двигатели имели большое магнитное сопротивление и неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению пусковых условий двигателя (зависимость пускового момента от начального положения ротора). Таковы были следствия механического переноса в технику переменного тока конструктивных схем машины постоянного тока.
Конструкция обмотки ротора (как выяснилось потом) тоже была неудачной (две взаимно перпендикулярные обмотки имели большое сопротивление). Это ухудшало рабочие характеристики машины.
Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Известно, что значительную долю стоимости установки для передачи электроэнергии составляют затраты на линейные сооружения - в частности на провода - четыре провода (в два раза больше, чем в однофазном токе).
Данные экономические и технические трудности задерживали внедрение двухфазной системы в практику.