Трехфазная система

В то время как Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная система - трехфазная.

Документы свидетельствуют, что в 1887 - 1889 гг. многофазные системы разрабатывались несколькими учеными и инженерами.

В Америке Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, конструировал двух - и трехфазные генераторы. Не зная о явлении вращающегося магнитного поля, он предполагал, что потребители в его многофазных системах должны включаться как однофазные на каждую пару проводов.

Немецкий инженер Ф. Хазельвандер подошел к трехфазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у генератора и двигателя постоянного тока выполняет взаимообратные функции, он решил его устранить. Для этого те точки обмотки якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пластинам коллектора, соединил соответственно друг с другом. Это удобно сделать у обращенной машины, якоря которых неподвижны, а полюсы вращаются. Стремясь уменьшить при этом число линейных проводов, он нашел минимальный вариант - три провода. Однако он не сумел увидеть всех возможностей этой системы и создать пригодные для практики конструкции машин.

Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился М.О. Доливо-Добровольский, сумевший придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником трехфазной техники.

Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский, познакомившись с содержанием доклада Феррариса, не согласился с его выводами о практической непригодности индукционного двигателя. Еще до этого он заметил, что если замкнуть обмотку якоря двигателя постоянного тока накоротко при его торможении, то возникает тормозной момент большой величины. Он понял, что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить туда такой короткозамкнутый якорь с малым сопротивлением, то он скорее сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов.

Так Доливо-Добровольский пришел к выводу о нецелесообразности изготовления обмотки ротора с таким большим сопротивлением, при котором ротор имел бы скольжение около 50 %. В стержнях обмотки малого сопротивления при небольшом скольжении возникнут токи, которые в достаточно сильном поле статора создадут значительный вращающий момент.

Усиленная деятельность в данном направлении быстро привела к разработке трехфазной системы и почти не изменившейся до настоящего времени конструкции асинхронного двигателя (с ротором, имеющим обмотку в виде беличьей клетки).

Первым шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки.

Д ля уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигателе Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного поля статора, и к.п.д. такого двига­теля был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко возрастает, но вместе с тем электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди. Выход из сложившегося противоречия состоял в том, чтобы 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 между собой.

Важным этапом в трудах Доливо-Добровольского явилась замена двухфазных систем трехфазными. Он верно отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного двигателя. Дальнейшее увеличение числа фаз не являлось целесообразным, так как привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода.

Для получения 3-х-фазной системы в результате исследований Доливо-Добровольский сделал ответвления (отпайки) от 3-х равноотстоящих точек обмотки якоря машины постоянного тока. Таким образом, были получены токи с разностью фаз 120º. Сохранив в этой машине коллектор, можно было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя.

Таким путем была найдена связанная трехфазная система, отличающаяся той особенностью, что она требовала для передачи и распределения электроэнергии только три провода. В двухфазной системе Тесла также можно было обойтись тремя проводами, но достоинства симметричной связанной трехфазной цепи подкреплялись преимуществом двигателей.

Преимущества трехфазной системы заключались в том, что она является симметричной, уравновешенной и экономичной. В ней на три провода требовалось затратить на 25 % металла меньше, чем на два провода в однофазной. 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 дополнительный расход меди. Поэтому 3-х фазная система оказалась оптимальной.

В есной 1889 г. был построен первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью примерно 100 Вт. Он питался от 3-х фазного одноякорного преобразователя, был блестяще технически проработан и показал прекрасные результаты. Вслед за этим был создан другой более мощный одноякорный преобразователь, а затем началось изготовление трехфазных синхронных генераторов.

У же в первых генераторах приме­нялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и треугольник. В дальнейшем Доливо-Добровольскому удалось улуч­шить использование статора с помощью широко применяемого в на­стоящее время метода выполнения обмотки разрезной и встречного соединения противолежащих катушек.

Важным достижением 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 Тесла.

Вскоре Доливо-Добровольский заменил кольцевой тип обмотки статора барабанным. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором приобрел современный вид.

Новое затруднение в развитии трехфазной техники возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников трехфазного переменного тока, как отдельных генераторов, так и электростанций в целом. Дело в том, что пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в несколько раз превышает номинальный, и поэтому включение двигателей мощностью свыше 2-3 кВт уже 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 установил значительное ухудшение пусковых свойств. При увеличении сопротивления обмотки ротора пусковые условия заметно улучшались, но рабочие характеристики двигателя ухудшались. Анализ возникших затруднений привел к созданию так на­зываемого двигателя с фазным ротором, то есть с ротором, обмотка которого делается, подобно обмотке статора, трехфазной и концы ее 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 частоты вращения.

Трехфазная система не получила бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она не решила проблемы передачи энергии на большие расстояния. Но электро­передача выгодна при высоком напряжении, которое в случае пе­ременного тока получается 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.