принцип работы, преимущества и недостатки

Асинхронный электродвигатель — это электрическая машина, работающая на переменном токе. Для создания крутящего момента она использует вращающееся магнитное поле, которое образуется в статоре. Электродвигатели асинхронные трехфазные находят применение в промышленности, строительстве, используются в бытовых приборах. Они обладают простой и надёжной конструкцией, требуют мало ухода, имеют простой запуск и выносят большие перегрузки.

Устройство и принцип работы

Асинхронный трехфазный двигатель имеет неподвижную часть — статор и вращающуюся — ротор. Между ротором и статором образован воздушный зазор около двух миллиметров. Статор двигателя имеет три обмотки, расположенные под углом 120°. Внутри находится магнитопровод. При подаче на обмотки переменного напряжения в них создаётся вращающееся магнитное поле, которое наводит индукционный ток в роторе.

Крутящий момент появляется при взаимодействии вращающихся магнитных полей статора и ротора. В рабочем режиме частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля. Из-за этого отставания двигатель называется асинхронным. Проводники трехфазной обмотки статора укладываются в пазах. Магнитопровод статора набирается из пластин.

Двигатели бывают с короткозамкнутым и фазным ротором. Короткозамкнутый ротор иногда называют «беличье колесо». Он составлен из стержней, замкнутых с торцов двумя кольцами. Материал стержней — это алюминий и реже медь или латунь. Фазные роторы имеют три обмотки, расположенные так же, как и на статоре.

Выводы обмотки соединяются с закреплёнными на валу контактными кольцами. Кольца изолируются между собой и от вала. С помощью щёток к ним присоединяется реостат, служащий для регулировки оборотов электродвигателя.

Способы подключения

Концы обмоток выводятся на клеммник и коммутируются по стандартным схемам «звезда» или «треугольник». Разница между схемами состоит в том, что у «звезды» линейное напряжение больше, чем у «треугольника». На практике часто применяют комбинированное подключение. Во время запуска и разгона коммутируют «звезду», а «треугольник» используют в рабочем режиме.

Методы подключения двигателя к сети:

• Прямое подключение.
• Через устройство плавного пуска. Применяется в случае, когда регулировка требуется только в момент пуска.
• При помощи инвертора, который регулирует частоту подаваемого на вход напряжения. Он регулирует плавный пуск и остановку двигателя, изменяет частоту вращения ротора.

Преимущества и недостатки трёхфазных двигателей

Асинхронные электродвигатели находят применение в приводах станков, подъёмных кранов, лифтов, лебёдок, сельскохозяйственных машин, прокатных станов. К их преимуществам относятся следующие факторы:

• простое устройство;
• надёжность и долговечность;
• невысокий уровень шума;
• работа прямо от трёхфазной сети.

Низкая стоимость электрических машин и простота в эксплуатации обуславливают их частое использование в промышленных установках. Но наряду с несомненными преимуществами у этих машин имеются и недостатки:

• Отсутствие простых способов регулирования скорости.
• Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки на валу. При увеличении нагрузки скорость вращения снижается.
• Высокий пусковой ток.
• Чувствительность к изменениям сетевого напряжения.
• Большое потребление реактивной мощности.

Асинхронные двигатели представляют собой индуктивную нагрузку и потребляют реактивную мощность, которая не производит механической работы. Она нагревает кабели, понижает напряжение, повышает ток.

Потребление индуктивной мощности можно компенсировать с помощью установки батарей конденсаторов параллельно мотору. Это позволит уменьшить потери и затраты на электроэнергию.

Защита электродвигателей

Автоматы защиты электродвигателя трёхфазного предохраняют от тока короткого замыкания, от длительных перегрузок, от дисбаланса фаз в электропитании или внутри электродвигателя. Это приводит к перегреву двигателя и к отказам в работе. Защитное устройство автоматически отключит двигатель при появлении нештатной ситуации.

Часто применяется защита электродвигателя при помощи универсальных мотор-автоматов. Эти устройства имеют модульную конструкцию и управляют работой силовых контакторов, а некоторые мотор-автоматы разрешают точно регулировать параметры защитного отключения.

При выборе асинхронных машин и в процессе их эксплуатации следует учитывать характеристики асинхронного электродвигателя. Только при этом условии можно добиться наиболее эффективного использования установки.

Трехфазный асинхронный двигатель

Простота производства, дешевизна, надежность в работе привели к тому, что асинхронный двигатель (АД) стал самым распространенным электродвигателем. Они могут работать как от трехфазной электрической сети, так и от однофазной.

Трехфазные асинхронные двигатели применяются:

-в нерегулируемых электроприводах насосов, вентиляторов, компрессоров, нагнетателей, дымососов, транспортеров, автоматических линий, кузнечно-штамповочных машин и др.:

-в регулируемых электроприводах металлорежущих станков, манипуляторов, роботов, грузоподъемных механизмов, общепромышленных механизмов с изменяющейся производительностью и др.

Конструкция трехфазного асинхронного двигателя

В зависимости от способа выполнения обмотки ротора асинхронного двигателя последние разделяются на две группы: двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе и двигатели с фазной обмоткой на роторе.

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе более дешевы в производстве, надежны в эксплуатации, имеют жесткую механическую характеристику, т. е. при изменении нагрузки от нуля до номинальной частота вращения машины уменьшается всего на 2-5%. К недостаткам таких двигателей относятся трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах, сравнительно небольшой пусковой момент, а также большие пусковые токи, в 5-7 раз превышающие номинальный.

Указанными недостатками не обладают двигатели с фазным ротором, но конструкция ротора у них существенно сложнее, что ведет к удорожанию двигателя в целом. Поэтому их применяют в случае тяжелых условий пуска и при необходимости плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне. В лабораторной работе рассматривается двигатель с короткозамкнутым ротором.

Трёхфазный асинхронный двигатель имеет неподвижную часть – статор 6 (рис. 6.1), на котором расположена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле, и подвижную часть – ротор 5 (рис. 6.1), в котором создается электромагнитный момент, приводящий во вращение сам ротор и исполнительный механизм.

Сердечник статора имеет форму полого цилиндра (рис. 6.2). Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов он набирается из отдельных, изолированных друг от друга лаковой пленкой листов электротехнической стали.

На внутренней поверхности сердечника расположены пазы, в которые укладывается обмотка статора. Сердечник запрессован в корпус (станину) 7 (рис. 6.1), изготовляемый из чугуна или сплава алюминия.

У двигателя с одной парой полюсов обмотка статора выполняется из трех одинаковых катушек, называемых фазами. Каждая фаза обмотки укладывается в противоположные пазы сердечника статора, фазы обмотки сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол и соединены между собой по особым правилам. Начала и концы фаз обмотки статора присоединяются к выводным зажимам клемной коробки 4 (рис. 6.1), что позволяет соединить фазы обмотки статора звездой или треугольником. В связи с этим асинхронный двигатель можно включить в сеть с линейным напряжением, равным Uф обмотки (обмотка статора соединяется треугольником) или

Uф (обмотка соединяется звездой).

Рис. 6.1. — Общий вид асинхронного двигателя:

подшипники — 1 и 11, вал — 2, подшипниковые щиты — 3 и 9, клёммная коробка – 4, ротор — 5, статор — 6, станина — 7,

лобовые части фазной обмотки статора — 8, вентилятор — 10, колпак — 12, ребра — 13, лапы – 14, болт заземление — 15

Рис. 6.2.

Рис. 6.3.

Ротор 5 (рис. 6.1) состоит из сердечника и короткозамкнутой обмотки. Сердечник ротора 1 (рис. 6.3) набирается из листов электротехнической стали и крепится на валу 2 (рис. 6.3) двигателя, листы изолируются друг от друга окалиной, образующийся в процессе прокатки. Листы ротора имеют пазы, в которых размещаются обмотка.

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе имеют ряд конструктивных исполнений по форме пазов на роторе. Форма пазов ротора выбирается в зависимости от требований к пусковым характеристикам двигателя. Наиболее рациональными для пазов ротора с короткозамкнутой клеткой являются трапецеидальные овальные пазы. Существуют и другие модификации пазов ротора (бутылочного и трапецеидального профиля).

Короткозамкнутая обмотка ротора 3 (рис. 6.3) обычно выполняется литой из алюминиевого сплава. В процессе заливки образуются как стержни (проводники) обмотки, расположенные в пазах, так и замыкающие их накоротко кольца, расположенные вне сердечника ротора. Кольца могут быть снабжены вентиляционными лопатками для улучшения вентиляции двигателя и теплоотвода от обмотки ротора. Отсутствие изоляции обмотки ротора обеспечивает хороший отвод тепла от обмотки к сердечнику. Такую короткозамкнутую обмотку ротора, называемую «беличьей клеткой».

Вал вращается в подшипниках, укрепленных в боковых щитах 3 и 9 (рис. 6.1), называемых подшипниковыми. Подшипниковые щиты крепятся к станине 7 (рис. 6.1) при помощи болтов.

Между ротором и статором асинхронного двигателя имеется воздушный зазор. При выборе воздушного зазора сталкиваются противоречивые тенденции. Минимальный (выбранный по механическим соображениям) воздушный зазор приводит к уменьшению тока холостого хода двигателя и увеличению коэффициента мощности. Однако при малом воздушном зазоре увеличиваются добавочные потери в поверхностном слое статора и ротора, добавочные моменты и шум двигателя. Вследствие роста потерь уменьшается КПД. Поэтому в современных сериях асинхронных двигателей воздушный зазор выбирается несколько большим, чем требуется по механическим соображениям (чтобы ротор при работе не задевал о статор).

Принцип действия асинхронного двигателя основан на двух явлениях: образовании вращающегося магнитного поля токами обмотки статора и воздействии этого поля на токи, индуцированные в короткозамкнутых витках обмотки ротора.

54) Асинхронные трёхфазные двигатели. Устройство и принцип действия

а) ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Из числа различных видов современных электрических машин самой распространенной в наши дни является асинхронная бескол­лекторная машина, применяемая обычно в качестве двигателя. Асин­хронная машина — это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т. е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля. Она была изобретена М. О. Доливо-Добровольским в 1888 г., но до настоящего времени сохранила в основном ту простую форму, которую ей придал талантливый русский изобретатель. Причины исключительно широ­кого распространения асинхронного двигателя (а вместе с ним и трех­фазной системы) — его простота и дешевизна. Можно сказать, что в основном асинхронная машина состоит из трех неподвижных кату­шек (точнее, обмоток), размещенных на общем сердечнике, и помещен­ной между ними четвертой вращающейся катушки. В машине отсутст­вуют какие-либо легко повреждающиеся или быстро изнашивающиеся электрические части (например, коллектор).

Асинхронные машины малой мощности часто выполняются одно­фазными, что позволяет использовать их в устройствах, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике.

Общим недостатком асинхронных машин является относительная сложность и неэкономичность регулирования их эксплуатационных характеристик.

б) УСТРОЙСТВО ТРЕХФАЗНОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Трехфазная асинхронная машина состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

Конструкция статора.Статор асинхронной машины представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали,изолированных друг от друга слоем лака (рис. 14.1, а). Три фазные обмотки, возбуждающие вращающееся магнитное поле машины, раз­мещены в пазах на внутренней стороне статора. Чтобы лучше исполь­зовать окружность статора, каж­дая из фазных обмоток распола­гается по нескольким пазам (рас­пределенная обмотка). На рис. 14.1, б показано расположение в пазах статора одной фазной обмот­ки. Здесь А — начало, а X — ко­нец обмотки. Распределение обмот­ки по пазам обусловливает соот­ветствующее распределение маг­нитного поля вдоль окружности статора. Для того чтобы распре­делить многовитковую фазную об­мотку по нескольким пазам, ее раз­деляют на соответствующее число соединенных последовательно сек­ций (рис. 14.1, б), каждая из кото­рых состоит из нескольких витков.

Секции обмотки укладываются в пазы. В асинхронных машинах сердечник статора изготовляется с полуоткрытыми (рис. 14.2, б) илиоткрытыми (рис. 14.2, а) пазами. На стороне полуоткрытых пазов преимущество меньшего магнитного сопротивления, следовательно, в двигателе с такими пазами меньше намагничивающий ток. С другой стороны, при открытых пазах проще осуществляется укладка секцийобмотки и надежнее условия для изоляции, что весьма важно для дви­гателей высокого напряжения.

Минимальное число фазных обмоток в трехфазной асинхронной машине т = 3. Каждая обмотка содержит одну или несколько катушеч­ных групп, соединенных последовательно, например на рис. 14.1, б — две группы. Расположение каждой из обмоток с одной катушечной группой сдвинуто по окружности статора относительно катушечной группы соседней фазной обмотки на угол 120°. В общем случае число фазных обмоток в трехфазной асинхронной машине может быть любым, но кратным трем.

Конструкция ротора. Асинхронные машины в основном разли­чаются устройством ротора. Ротор асинхронной машины представляет собой цилиндрический сердечник (рис. 14.3, а), собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание двигателя с короткозамкнутым ротором значительно проще. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки (рис. 14.3,6) из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника ротора. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала, что и стержни (так называемое «беличье колесо»). Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавлен­ным алюминием.

Обмотка фазного ротора, называемого также ротором с контакт­ными кольцами (рис. 14.3, в), выполняется изолированным проводом. В большинстве случаев она трехфазная, с тем же числом катушек, что и обмотка статора данного двигателя. Три фазные обмотки ротора соединяются на самом роторе в звезду, а свободные концы их соеди­няются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу ма­шины, но изолированными от этого вала. На кольца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора замыкается на трехфазный реостат.

Обмотка статора такого двигателя включается непосредственно в трехфазную сеть (рис. 14.4). Включение реостата в цепь ротора дает возможность ‘ существенно улучшить пусковые условия двигателя — уменьшитьпусковой ток и увеличить начальный пусковой момент, кроме того, с помощью реостата, включенного в цепь ротора, можно плавно регу­лировать скорость двигателя. На рис. 14.5 приведены условные обозначения асинхронных ма­шин с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором на принципиальных электрических схемах.

Общий вид корпуса асинхронной машины с укрепленным на нем, но необмотанным сердечником статора приведен на рис. 14.6.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРЕХФАЗНОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Режим работы трехфазной асинхронной машины определяется ре­жимом электромагнитного взаимодействия токов в обмотках статора и ротора.

Взаимбдействие вращающегося магнитного поля, создаваемого то­ками в обмотках статора, с токами ротора вынуждает ротор вращаться по направлению вращения поля. Но чем быстрее вращается ротор, тем меньше индуктируемые в его обмотке ЭДС, а следовательно, и токи. Если частота вращения поля п_и а частота вращения ротора п, то режим работы асинхронного двигателя можно характеризовать скольжением

.

На рис. 14.11 приведена зависимость частоты вращения ротора от скольженияп (s).

В зависимости от значения скольжения трехфазная асинхронная машина может работать в режимах двигателя, генератора и электро­магнитного тормоза.

В режиме двигателя (0 < s < 1) трехфазная асинхронная машина является преобразователем электрической энергии в механическую. Ротор двигателя должен вращаться асинхронно-медленнее поля, с та­кой частотой вращения, при которой токи в обмотке ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами в обмотках статора, создают вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент от сил трения и нагрузки на валу.

В режиме генератора (s < 0) трехфазная асинхронная машина является преобразователем механической энергии в электрическую. Ротор генератора вращается в направлении вращения магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора, с частотой вращения большей, чем частота вращения поля.

В режиме электромагнитного тормоза (s> 1) ротор трехфазной асинхронной машины вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, создаваемого токами в об­мотках статора. В режиме электромагнитного тормоза в трехфазной асинхронной машине рассеивается значительная энергия в обмотках, на гистерезис и вихревые токи.

3.6. ТРЕХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ И АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ. История электротехники

3.6. ТРЕХФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ И АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

В то время как Н. Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная электрическая система — трехфазная. Изучение документальных материалов показывает, что в 1887–1889 гг. многофазные системы разрабатывались с большим или меньшим успехом несколькими учеными и инженерами [1.6; 3.7]…

Например, Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, сконструировал двух- и трехфазные генераторы. Однако Ч. Бредли не знал о явлении вращающегося магнитного поля и предполагал, что потребители в многофазных системах должны включаться как однофазные на каждую пару проводов.

Ф. Хазельвандер подошел к трехфазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у генератора и двигателя постоянного тока выполняет взаимообратимые функции, он решил его устранить, считая что достаточно те точки обмоток якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пластинам коллектора, соединить соответственно друг с другом. Это удобно сделать у обращенных машин, якоря которых неподвижны, а полюсы вращаются. Тогда генератор будет связан с двигателем проводами, число которых равно числу коллекторных пластин. Стремясь уменьшить число линейных проводов,

Ф. Хазельвандер нашел минимальный вариант — три провода. Однако он не сумел увидеть всех возможностей новой системы и создать пригодные для практики конструкции машин.

Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился Михаил Осипович Доливо-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником техники трехфазных систем.

М.О. Доливо-Добровольский (1862–1919 гг.) родился в Петербурге, учился в Рижском политехническом институте, но был отчислен в связи с массовыми антиправительственными выступлениями студентов в год цареубийства (1881 г.).

Лишенный права поступать в высшие учебные заведения России, он выехал в Германию и завершил свое образование в Высшем техническом училище г. Дармштадта, в котором большое внимание уделялось практическим применениям электричества.

Осенью 1888 г. М.О. Доливо-Добровольский прочел доклад Г. Феррариса о вращающемся магнитном поле и был крайне удивлен его выводом о практической непригодности «индукционного» электродвигателя. Еще до этого М.О. Доливо-Добровольский заметил, что если замкнуть накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока его торможении (т.е. в опыте динамического торможения), то возникает большой тормозящий момент. «Я тотчас же сказал себе, — вспоминал позднее М.О. Доливо-Добровольский, — что если сделать вращающееся магнитное поле по методу Г. Феррариса и поместить в него такой короткозамкнутый якорь малого сопротивления, то этот якорь скорее сам сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов. Мысленно я прямо представил себе электродвигатель многофазного тока с ничтожным скольжением».

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

Усиленная деятельность в этом направлении в необычайно короткий срок привела к разработке трехфазной электрической системы и совершенной, в принципе не изменившейся до настоящего времени, конструкции асинхронного электродвигателя.

Первым важным шагом, который сделал М.О. Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьего колеса.

^{Рис. 3.13. Варианты ротора с обмоткой в виде беличьего колеса (из патента Доливо-Добровольского)}

^{1 — стальной цилиндр; 2 — медные стержни; 3 — медные пластины или кольца}

Для уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигателе Г. Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного поля статора, и КПД такого двигателя был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко возрастает. Однако отметим, что электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди. М.О. Доливо-Добровольский нашел блестящее решение — 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. На рис. 3.13 представлены чертежи из первого патента М.О. Доливо-Добровольского в области трехфазной системы. Этим патентом он закрепил за собой изобретение ротора с «беличьим колесом», конструкция которого принципиально сохранилась в том же виде и до настоящего времени.

Следующим шагом М.О. Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного электродвигателя. Уже переход от двухфазной системы к трехфазной дает значительный выигрыш в этом отношении. Дальнейшее увеличение числа фаз нецелесообразно, так как оно привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода. Вскоре выяснились и другие преимущества трехфазной системы.

^{Рис. 3.14. Схемы двухфазного (а) и трехфазного (б) одноякорных преобразователей} 

Но каким образом проще всего получить трехфазную систему? Уже был известен способ, при помощи которого обычную машину постоянного тока можно было превратить в генератор переменного тока. Как уже отмечалось, П.Н. Яблочков и 3. Грамм еще в конце 70-х годов XIX в. секционировали кольцевой якорь генератора и получали от каждой секции переменный ток. В середине 80-х годов были построены первые вращающиеся одноякорные преобразователи. Эти преобразователи очень просто получались из обычной машины постоянного тока: от двух диаметрально противоположных точек обмотки якоря двухполюсной машины делались отпайки, которые выводились на контактные кольца. В этом случае к коллектору машины подводился постоянный ток, а с колец снимался переменный. Если в том же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстоящих точек, то на четырех кольцах легко получить двухфазную систему тока (рис. 3.14, а).

Н. Тесла построил синхронный генератор, в котором имелись три независимые катушки, расположенные под углом 60° одна к другой. Такой генератор давал трехфазную систему токов, но требовал для передачи энергии шесть проводов, так как в этом случае получалась несвязанная трехфазная цепь с токами, сдвинутыми по фазе на 60°. М.О. Доливо-Добровольский в результате исследования различных схем обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока. Таким образом были получены токи с разностью фаз 120° (рис. 3.14. б). Сохранив в этой машине коллектор, можно было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя.

Таким путем была найдена связанная трехфазная система, при которой для передачи и распределения электроэнергии требуется только три провода. В двухфазной системе Н. Теслы также имелась возможность обойтись тремя проводами, однако достоинства симметричной связанной трехфазной цепи подкреплялись другими преимуществами как двигателей, так и вообще трехфазной системы. Последняя является симметричной, уравновешенной и экономичной. На три провода в трехфазной системе для передачи одинаковой мощности требовалось затратить металла на 25% меньше, чем на два провода в однофазной. Эта очевидная 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 соответствующее увеличение числа линейных проводов. Таким образом, трехфазная система электрических токов является оптимальной многофазной системой.

Системе трех «сопряженных» токов М.О. Доливо-Добровольский дал специальное наименование «Drehstrom», что в переводе на русский язык означает «вращающийся ток». Указанный термин, хорошо характеризующий способность образовывать вращающееся магнитное поле, до настоящего времени сохранился в немецкой литературе.

Весной 1889 г. был построен первый трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью около 100 Вт (рис. 3.15). Этот двигатель питался током от трехфазного одноякорного преобразователя и при испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты.

Поражает конструктивная законченность первых асинхронных электродвигателей М.О. Доливо-Добровольского. Стержни «беличьего колеса» он предлагает делать неизолированными, сердечник ротора массивным или шихтованным, стержни по торцам он соединил короткозамыкающими кольцами, для статора впервые ввел полузакрытые пазы.

Вслед за первым одноякорным преобразователем был создан второй, более мощный, а затем началось изготовление трехфазных синхронных генераторов. Уже в первых генераторах применялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и треугольник. В дальнейшем М.О. Доливо-Добровольскому удалось улучшить использование статора с помощью широко применяемого в настоящее время метода, заключающегося в том, что обмотку делают разрезной и противолежащие катушки соединяют встречно.

Важным достижением М.О. 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 Н. Теслы. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил современные конструктивные формы. Вскоре М.О. Доливо-Добровольским было внесено еще одно усовершенствование: кольцевая обмотка статора была заменена барабанной. После этого асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором приобрел современный вид.

Новое затруднение в развитии трехфазной техники возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников энергии, как отдельных генераторов, так и электростанций в целом. Дело в том, что пусковой ток асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором может в несколько раз превышать номинальный, и по этому включение двигателя мощностью свыше 2 кВт отражалось на работе других потребителей.

^{Рис. 3.15. Первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского (в собранном и разобранном виде)}

^{Рис. 3.16. Трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского с фазным ротором и пусковым реостатом} 

М.О. Доливо-Добровольский в 1890 г. изготовил двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью примерно 3,7 кВт и при первом же испытании обнаружил значительное ухудшение пусковых свойств. Причина этого заключалась в том, что короткозамкнутый ротор был «слишком замкнут накоротко». При увеличении сопротивления обмотки ротора пусковые условия заметно улучшались, но рабочие характеристики двигателя ухудшались. Анализ возникших затруднений привел к созданию так называемого фазного ротора, т.е. такого, обмотка которого делается, подобно обмотке статора, трехфазной и ее концы соединяются с тремя кольцами, насаженными на вал. С помощью щеток эти кольца соединяются с пусковым реостатом. Таким образом, в момент пуска цепь ротора имеет большое сопротивление, которое уменьшается по мере нарастания частоты вращения. На рис. 3.16, взятом из доклада М.О. Доливо-Добровольского на первом Всероссийском электротехническом съезде (1899), показана принципиальная конструкция двигателя.

Но фазный ротор требовал устройства на валу контактных колец, а это рассматривалось многими электротехниками как недостаток по сравнению с короткозамкнутым ротором, не имевшим никаких трущихся контактов. Однако с этим недостатком пришлось мириться, и, несмотря на то что впоследствии были разработаны различные меры по улучшению условий пуска крупных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, двигатели с контактными кольцами применяются в промышленности до настоящего времени.

В статьях и докладах М.О. Доливо-Добровольского содержится много рассуждений о недопустимости сосредоточенных обмоток в машинах переменного тока, о пульсациях намагничивающей силы, о повышенном магнитном рассеянии, ухудшающем условия пуска. Налицо формирование элементов теории асинхронных машин. Конструктивные же формы созданных М.О. Доливо-Добровольским двигателей были настолько совершенны, что не претерпели сколько-нибудь существенных изменений более чем за 100 лет своего существования.

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.

В 1889 г. М.О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников (рис. 3.17, а). Его конструкция еще напоминает машину с выступающими полюсами, в которой устранен воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни. Затем было предложено несколько конструкций так называемых «призматических» трансформаторов, в которых удалось получить более компактную форму магнитопровода (рис. 3.17, б, в, г). Наконец, в октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 3.17, д). В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время.

Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80–90-х годах XIX в. значительное место в электропотреблении занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, иногда потребителю было желательно иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно — для осветительной нагрузки, другое, повышенное, — для силовой.

Чтобы можно было регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), М.О. Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. четырехпроводную схему трехфазной цепи, или, иначе, систему с нейтральным проводом. Одновременно он указал, что вместо нейтрального, или нулевого, провода можно использовать землю.

^{Рис. 3.17. Трансформаторы Доливо-Добровольского}

^{а) — с радиальным расположением сердечников; б — г — «призматические»; д — с параллельным расположением стержней в одной плоскости} 

М.О. Доливо-Добровольский обосновал свои предложения доказательством того, что четырехпроводная трехфазная система допускает определенную несимметрию нагрузки; при этом напряжение на зажимах каждой фазы будет оставаться неизменным. Для регулирования напряжения в отдельных фазах четырехпроводной системы М.О. Доливо-Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор.

Таким образом, в течение 2–3 лет были конструктивно разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения: трансформатор, трехпроводная и четырехпроводная линии передачи и асинхронный двигатель в двух его основных модификациях (с фазным и короткозамкнутым ротором). Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип построения которых был уже известен, получили широкое применение только трехфазные машины. Так зародилась и получила свое начальное развитие трехфазная система электрического тока.

Изучение истории техники трехфазных цепей показывает, что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М.О. Доливо-Добровольского. Он не только разработал основные элементы трехфазной системы, но и сделал ряд важнейших изобретений в области техники постоянного тока, в электроизмерительной технике; ему принадлежат также некоторые другие работы. Несомненно, столь быстрый и полный успех трудов М.О. Доливо-Добровольского во многом определяется тем обстоятельством, что они отвечали основным потребностям практики. Действительно, М.О. Доливо-Добровольский начал свою инженерную и научную деятельность в тот период, когда развивавшиеся производительные силы общества ставили перед электротехникой все новые и более ответственные задачи. Основное направление работ Доливо-Добровольского совпало с главным направлением развития электроэнергетики [3.8].

В своем докладе на Международном конгрессе электриков в г. Франкфурте-на-Майне (1891 г.) он показал, что магнитный поток в магнитопроводе катушки, включенной в цепь переменного тока, целиком определяется напряжением (если считать частоту и число витков заданным) и не зависит от магнитного сопротивления. С изменением магнитного сопротивления меняется только намагничивающий ток. Это положение, которое М.О. Доливо-Добровольский называет первым основным положением теории переменного тока, действительно является исходным во всех расчетах электромагнитных устройств. Далее он отметил, что если магнитный поток изменяется синусоидально, то ЭДС (или соответственно напряжение) также изменяется по закону синуса, причем ЭДС и магнитный поток различаются по фазе на ?/2. Он ввел понятия активной и реактивной составляющих тока, которые назвал соответственно ваттным (рабочим) и безваттным (возбудительным) токами. Метод разложения любого тока на две составляющие был рекомендован М.О. Доливо-Добровольским для практических расчетов и анализа процессов в электрических машинах и аппаратах.

М.О. Доливо-Добровольский рекомендовал принять в качестве основной формы кривой тока синусоиду. В отношении частоты тока он высказался за 30–40 Гц. Позднее в результате критического отбора получили применение лишь две частоты промышленного тока: 60 Гц в США и 50 Гц в других странах. Эти частоты оказались оптимальными, ибо повышение частоты ведет к чрезмерному возрастанию частоты вращения электрических машин (при том же числе полюсов), а ее снижение неблагоприятно сказывается на равномерности освещения.

Следует отметить, что в 1888 г. У. Томсон показал возможность применения гармонического анализа Фурье для любого периодического (несинусоидального) тока. (Французский ученый Жак Батист Фурье (1768–1830 гг.) предложил свой знаменитый метод в 1822 г., разрабатывая теорию тепла).

Поделитесь на страничке

Следующая глава >