Виникнення багатофазних систем
Початок сучасного етапу в розвитку електротехніки відноситься до 90-х років XIX століття, коли була вирішена комплексна енергетична проблема, яка поєднала в собі технічні основи електропередачі і електроприводу.
Це рішення було знайдено в застосуванні багатофазних ланцюгів, з яких багаторічна практика зробила вибір на користь ланцюгів 3-х фазних.
Найбільш цікавими і новими елементами 3-х фазної системи з'явилися електродвигуни.
Принцип дії асинхронного двигуна з обертовим полем міститься в дослідах Араго (1824 г.): при обертанні мідного диска під (над) магнітною стрілкою вона також приходила в обертання. Але в той час це явище так і не змогли пояснити, назвавши його "ефект Араго".
До відкриття явища магнітного поля в сучасному його розумінні прийшли незалежно один від одного італійський вчений Г. Ферраріс і югослав, який працював більшу частину життя в Америці, Н. Тесла (1885 г.).
Вони показали, що якщо дві котушки, розташовані під прямим кутом, живити двома змінними струмами, що відрізняються по фазі на 90 ", то вектор сумарної магнітної індукції в точці перетину осей котушок отримує рівномірний обертальний рух, що не змінюючись по абсолютній величині.
Тому природно, що дослідження багатофазних систем почалося з двофазних.
Двигун Ферраріс розвивав потужність 3Вт. Але як отримати два струму відмінних по фазі на кут 90 ° або близький до нього? Ферраріс вирішував цю проблему двома шляхами:
- пара котушок включалася в первинну ланцюг трансформатора з розімкненим магнітною системою, а інша пара - в його вторинну ланцюг;
- в ланцюг першої пари котушок включали додатковий опір, а в ланцюг другий - додавали котушки індуктивності.
Таким чином, один шлях отримання двухфазной системи струмів складався в "розщепленні" звичайного однофазного змінного струму. Метод, який вимагав додаткових досить складних пристроїв, і, крім того, фазовий кут ніколи не складав 90 ° - обертове поле викривлялося.
Але не ці недоліки завадили Ферраріс і деяким його сучасникам розробити конструкцію двухфазного двигуна. У своїх дослідженнях він припустив, що електродвигун, також, як це прийнято в техніці передачі сигналів, повинен працювати не при максимальному ККД, а при максимальній корисної потужності! Прості розрахунки показують, що цій умові відповідав двигун з ковзанням 50%. Природно, що інтерес до його роботи впав.
Іншим шляхом пішли деякі інші винахідники, і серед них найбільшого успіху домігся Н. Тесла. Він не вдавався до спроб отримати різницю фаз 90 ° в самих двигунах, а прийшов до висновку про доцільність побудови такого генератора.
Основним недоліком двигуна Тесла, які зробили його неконкурентоспроможним, була наявність виступаючих полюсів з зосередженої обмоткою, які обумовлюють велику магнітне опір і несприятливий розподіл МДС уздовж повітряного зазору. Конструкція обмотки ротора (як з'ясувалося потім) теж була невдалою (дві взаємно перпендикулярні обмотки).
Невдалим виявився і вибір двухфазной системи струмів з усіх можливих багатофазних систем. Відомо, що значну частку вартості установки для передачі електроенергії складають витрати на лінійні споруди - зокрема на дроти - чотири дроти (в два рази більше, ніж в однофазному струмі).
У той час як Тесла і його співробітники намагалися вдосконалити 2-х фазну систему, в Європі була розроблена більш досконала - трифазна.
Документи свідчать, що в 1887-1889 рр. багатофазні системи розроблялися декількома вченими і інженерами.
В Америці Ч. Бредлі. прагнучи виготовити електричну машину з кращим використанням активних матеріалів, конструював 2-х і 3-х фазні генератори. Не знаючи про явище обертового магнітного поля, він припускав, що споживачі в його багатофазних системах повинні включатися як однофазні.
Німецький інженер Ф. Хазельвандер підійшов до 3-х фазної системи струмів з інших вихідних позицій. Знаючи, що колектор у генератора і двигуна постійного струму виконують взаємодоповнюючі функції, він вирішив його усунути. Для цього ті точки обмотки якорів кожної з машин, від яких йдуть отпайки до пластин колектора, з'єднав відповідно один з одним. Це зручно зробити у зверненої машини, якоря яких нерухомі, а полюси обертаються. Прагнучи зменшити при цьому число лінійних проводів, він знайшов мінімальний варіант - три дроти. Однак він не зміг побачити всіх можливостей цієї системи і створити придатні для практики конструкції машин [1].
Найбільших успіхів в розвитку багатофазних систем домігся М.О. Доливо-Добровольський, який зумів надати своїм роботам практичний характер. Тому він по праву вважається основоположником 3-х фазної техніки.
Першим кроком, який зробив Доливо-Добровольський, був винахід ротора з обмоткою у вигляді білячої клітини.
Важливим етапом в працях Доливо-Добровольського стала заміна 2-х фазних систем 3-х фазними. Він абсолютно справедливо відзначав, що при збільшенні числа фаз поліпшується розподіл МДС по колу статора. Подальше збільшення числа фаз не була доцільним, так як привело б до значного збільшення витрати міді на дроти.
Для отримання 3-х фазної системи в результаті досліджень Доливо-Добровольський зробив відгалуження від 3-х рівновіддалених точок обмотки якоря машини постійного струму. Таким чином були отримані струми з різницею фаз 120 °. Таким шляхом була знайдена пов'язана 3-х фазна система, що відрізняється тією особливістю, що вона вимагала для передачі і розподілу електроенергії тільки три дроти. У 2-х фазної системи Тесла також можна було обійтися трьома проводами, але гідності 3-х фазної системи підкріпилося перевагою двигунів.
Подальше збільшення числа фаз призвело б до деякого поліпшення використання електричних машин, але викликало б додаткові витрати міді. Тому 3-х фазна система виявилася оптимальною.
Навесні 1889 був побудований перший 3-х фазний асинхронний двигун потужністю приблизно 100 Вт. Він харчувався від 3-х фазного одноякірні перетворювача і показав хороші результати. Слідом за цим був створений інший більш потужний одноякірні перетворювач, а потім почалося виготовлення 3-х фазних синхронних генераторів.
Уже в перших синхронних генераторах застосовувалися два основні способи сполучення фаз: зірка (умовне позначення -Y) і трикутник (умовне позначення - А).
Важливим досягненням Доливо-Добровольського стало також те, що він відмовився від виконання асинхронного двигуна з виступаючими полюсами, а зробив обмотку статора розподіленої по всьому колу. В результаті зменшилася магнітне розсіювання в порівнянні з двигуном Тесла.
Незабаром Доливо-Добровольський замінив кільцевої тип обмотки статора барабанним. Так асинхронний двигун набув сучасного вигляду.
Нове утруднення в розвитку 3-х фазної техніки виникло в зв'язку з обмеженою потужністю перших джерел 3-х фазного змінного струму. Справа в тому, що пусковий струм асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором в кілька разів перевищує номінальний струм.
Аналіз виниклих утруднень привів до створення так званого двигуна з фазним ротором.
3-х фазна система не отримала б в перші ж роки свого існування швидкого поширення, якби вона не вирішила проблеми передачі енергії на великі відстані.
Але електропередача вигідна при високій напрузі, яке в разі змінного струму виходить за допомогою трансформатора.
3-х фазна система не уявляла принципових труднощів для трансформації енергії, але вимагала трьох однофазних трансформаторів замість одного при однофазному системі. Таке збільшення числа досить дорогих пристроїв не могло не викликати прагнення пошуку більш задовільного рішення.
У 1889 р Доливо-Добровольський винайшов 3-х фазний трансформатор [1]. На початку це був трансформатор з радіальним розташуванням сердечника (рис.1, А). Його конструкція ще нагадує електричну машину, де відсутня повітряний зазор.
Потім було запропоновано кілька конструкцій призматичних трансформаторів, де вдалося отримати більш компактну форму муздрамтеатру (рис.1, Б).
В принципі ця конструкція збереглася до теперішнього часу.
Цілям електропередачі відповідали також роботи, пов'язані з вивченням схем 3-х фазної ланцюга.
У 80-90-х роках XIX століття значне місце займала освітлювальна навантаження, яка часто вносила істотну несиметрію в систему. Крім того, часто треба було мати не одне, а два напруги: одне - для освітлювального навантаження; інше, підвищений, - для силової.
Щоб мати можливість регулювати напругу в окремих фазах і розташовувати двома напругами в системі (фазним і лінійним), Доливо-Добровольський розробив в 1890 р 4-х дротову схему 3-х фазної ланцюга -систему з нейтральним проводом. Відразу ж він вказав, що в ряді випадків замість нейтрального проводу можна використовувати "землю".
Свої пропозиції Доливо-Добровольський обгрунтував доказом того, що 4-х дротова 3-х фазна система допускає мати певну асиметрію навантаження, оскільки дозволяє зберігати в кожній фазі постійна напруга.
Для регулювання напруги в окремих фазах 4-х провідної системи він запропонував використовувати винайдений ним 3-х фазний автотрансформатор.
Таким чином, протягом трьох років були конструктивно розроблені всі основні елементи 3-х фазної системи електропостачання [1].
З усіх можливих конструкцій багатофазних синхронних генераторів, принцип дії яких був відомий задовго до того, отримав широке практичне застосування лише 3-х фазний синхронний генератор.
Так зародилася і отримала своє початкове розвиток 3-х фазна система електричного струму.
Вивчення історії техніки 3-х фазних ланцюгів показує, що вирішальну роль в її зародження та розвитку відіграли праці М.О. Доливо-Добровольського.
Безсумнівно, такий швидкий і повний успіх його праць багато в чому визначався тією обставиною, що його праці відповідали основним напрямам епохи.
Крім того, не можна залишати поза увагою, що Доливо-Добровольський працював в умовах найбільш розвиненою в той час електротехнічної промисловості -германской і, будучи одним з технічних керівників найбільшої електротехнічної фірми, мав у своєму розпорядженні великими можливостями для експериментальних досліджень і практичної реалізації своїх винаходів. У той час як іншим його сучасникам не вистачало інженерного підходу до вирішення виникаючих проблем (Бредлі, Тесла) або матеріально-технічної бази (Хазельвандер), у Доливо-Добровольського було і те й інше, помножене на глибокі знання і величезну працездатність.