в чем особенность двухфазной синхронной машины н теслы
В чем особенность двухфазной синхронной машины н теслы
Под ред. И.А. Глебова
Электротехника является важнейшей отраслью науки и техники. Электротехническая продукция широко используется в промышленности и сельском хозяйстве, на транспорте, в медицине и бытовой технике. Изучение и использование электрических и магнитных явлений, передач электроэнергии, электрических машин, аппаратов и устройств, электрического освещения, силовой электроники, электротермии, электрохимии происходило на протяжении более двух столетий и связано с деятельностью многих поколений выдающихся ученых, которая сопровождалась развитием теории, многочисленными открытиями, изобретениями и созданием все более совершенных электротехнологий.
Пионером идеи о связи электрических и магнитных явлений был русский ученый Ф.У. Эпинус (1758 г.). К первым работам в области электрического разряда относятся исследования М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана. Они были развиты В.В. Петровым, которому принадлежит открытие электрической дуги (1802 г.), практическая реализация которой была осуществлена П.Н. Яблочковым в изобретенной им электрической свече (1878 г.). Им же был изобретен трансформатор (1877 г.). В дальнейшем электрическую дугу для электросварки применил Н.Н. Бернадос (1882 г.) и Н.Г. Славянов (1891 г.). Почти сразу же после открытия М. Фарадеем явления электромагнитной индукции (1831 г.) академик Б.С. Якоби разработал и создал электродвигатель постоянного тока (1834 г.). В последующие десятилетия изобретения и разработки ученых Западной Европы в области машин постоянного тока приблизили их конструкцию к современной. Э.Х. Ленц (Россия) и независимо от него Д.П. Джоуль (Англия) установили закон теплового действия электрического тока (1833 и 1835 гг.). Он был использован в лампах накаливания А.Н. Лодыгиным (1873 г.). Особенно важно отметить исключительное значение работ М.О. Доливо-Добровольского — создателя систем трехфазного тока, трехфазных двигателей и трансформаторов. Ему же принадлежит идея создания трехфазной линии электропередачи протяженностью 175 км (1891 г.). Важное значение для развития электротехники в России имела организация в 1880 г. по инициативе известного русского электротехника В.Н. Чиколева журнала «Электричество». Большое значение для развития электротехники в России имела также организация в 1879 г. электротехнического отдела Русского технического общества.
Таким образом русским ученым удалось внести большой творческий вклад уже в начальную стадию развития электротехники. Работы этого времени в нашей стране и за рубежом получили достаточно полное освещение в настоящей книге.
По мере накопления и углубления знаний в области электротехники появилась необходимость их практической реализации. Создание и развитие электротехнических производств требовало со своей стороны новых идей, конструкций и производственных процессов. Все это привело к увеличению количества электротехнических заводов, особенно в конце предыдущего и начале текущего столетия. Это прежде всего относится к Западной Европе и США. В России, как слаборазвитой в промышленном отношении стране, создавались главным образом филиалы западно-европейских фирм. Положение коренным образом изменилось, когда в 1921 г. был принят план Государственной электрификации России (ГОЭЛРО). В его составлении участвовали видные электротехники страны: К.А. Круг, М.А. Шателен, А.А. Горев, B.C. Кулебакин, А.Н. Ларионов, А.А. Глазунов и др. Все работы велись под руководством Г.М. Кржижановского.
Основная идея плана состояла в индустриализации страны на базе электрификации. Предусматривалось строительство 30 электростанций. Особое внимание уделялось повышению производительности труда на базе новой техники. План был рассчитан на 10–15 лет. Для исключения зависимости нашей страны от иностранных государств была взята ориентация на развитие собственной электротехнической промышленности, как важнейшей технической базы электрификации. Опорными предприятиями стали заводы «Электросила», Московский электрозавод «Динамо» и др. В 1921 г. был образован научный и экспериментальный центр отечественной электротехники — Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ). Институт положил начало широкому развитию фундаментальных и прикладных исследований в области высоковольтной техники, электрической изоляции, светотехники, электромеханики. Таким образом наряду с научной работой в высших учебных заведениях получила развитие отраслевая научная деятельность. Были также созданы научно-исследовательские институты по классам электротехнических изделий и оборудования.
Дальнейшее развитие электротехники в предвоенные и послевоенные годы привело к образованию крупной экономической структуры — Министерства электротехнической промышленности.
Аналогичное укрупнение экономических структур произошло в странах Западной Европы, США, Японии и др. В качестве примера можно привести американскую фирму «Дженерал Электрик», с которой у нас было тесное научно-техническое и производственное сотрудничество, начиная со времени строительства Днепрогэса. Небольшое предприятие, организованное Т.А. Эдисоном, превратилось в крупнейшую фирму мира со своей сетью заводов, исследовательских институтов и лабораторий.
В трудных экономических условиях, переживаемых Россией в настоящее время, для подъема промышленного производства и выпуска конкурентоспособной продукции на внутреннем и внешнем рынках необходимо развитие существующих и создание новых крупных экономических структур с научно-исследовательскими институтами и проектно-конструкторскими организациями, а также коренное улучшение научной деятельности в институтах Российской академии наук и крупнейших высших учебных заведениях России. Особое значение приобретает проблема подготовки инженерных и научных кадров.
Бурное развитие электротехники в XX в. обусловлено творческой деятельностью очень большого числа специалистов. Тем не менее следует выделить среди них тех, кто внес решающий вклад в создание и развитие теории, разработку методов расчета и проектирования, новые виды производственных процессов и инженерную деятельность непосредственно на производстве.
Авторами данной книги дано последовательное изложение истории создания новых видов электротехнических изделий в мире на протяжении почти двух столетий и особенно в последнюю половину текущего столетия в связи с быстрым развитием электротехники в это время. Наряду с этим показаны конкретные творческие достижения выдающихся ученых, инженеров и специалистов производства во всем мире и особенно в России.
Краткие сведения о наиболее крупных отечественных и зарубежных ученых и специалистах в области электротехники,из числа упомянутых в книге, приведены в главе 13 «Персоналии».
Основные идеи и положения книги были предложены президиумом Академии электротехнических наук Российской Федерации (АЭН РФ) и одобрены редакционной коллегией, в которую входят выдающиеся ученые нашей страны, члены РАН и АЭН РФ, в том числе известный ученый-энергетик член-корреспондент РАН А.Ф. Дьяков. Без спонсорской поддержки РАО «ЕЭС России» издание настоящей книги было бы невозможно. В связи с этим авторы книги выражают глубокую признательность руководству РАО «ЕЭС России» за оказанную помощь.
Академия электротехнических наук планирует в дальнейшем издание электротехнической энциклопедии.
Глава 1 — Я.А. Шнейберг
Глава 2 — О.Н. Веселовский, Я.А. Шнейберг
Глава 3 — О.Н. Веселовский, Я.А. Шнейберг
Глава 4 — К.С. Демирчян, В.Г. Миронов
Глава 5 — В.А. Баринов, И.М. Бортник, В.П. Васин, А.А. Глазунов, А.Ф. Дьяков, В.Д. Ковалев, В.В. Кривенков, И.П. Кужекин, В.П. Ларионов, А.К. Лоханин, РА. Лытаев, Б.К. Максимов, А.К. Михайлов, Н.И. Овчаренко, Ю.П. Рыжов, В.А. Семенов, В.А. Старшинов, Н.Н. Тиходеев, В.В. Худяков, В.В. Шматович
Electric revolution
В октябрьском номере «Энерговектора» за 2016 г. мы рассказывали об истории создания двигателей постоянного тока и первых удачных опытах их применения более ста лет назад. Это был настоящий прорыв в электротехнике и вообще практическом применении электроэнергии. Однако вскоре у двигателя постоянного тока появился сильный конкурент – двигатель, работающий на переменном токе, который, как известно, уже к середине ХХ века выиграл борьбу за мировое лидерство. Об истории создания нового двигателя и причинах его успеха мы расскажем сегодня.
Передача энергии
В конце XIX века электрические двигатели постоянного тока приобретали всё большую популярность в промышленном производстве. Но уже в те годы зачастую возникала ситуация, когда крупные электростанции (особенно ГЭС) располагались за сотни километров от потребителей. И перед электротехниками остро встал вопрос о передаче электрической энергии на большие расстояния с минимальными потерями.
Было установлено, что потери в линии можно уменьшить за счёт увеличения сечения провода либо повышения напряжения. Первые проекты по применению провода большого сечения показали, что этот путь экономически невыгодный и фактически труднореализуемый. Так, в 1876 г. немецкий промышленник Вернер Сименс, посетив Ниагарский водопад, высоко оценил возможности его использования в энергетике. Но, по расчётам Сименса, для передачи энергии от водопада на расстояние 50 км требовалась линия с медным проводом, который должен иметь диаметр не менее 75 мм. Конечно, позволить себе потратить столько недешёвой меди промышленники не могли.
Гораздо более выгодным казался второй путь: увеличение напряжения в линии. Опыты, например, французского физика Марселя Депре (1882–1885 гг.), показывали, что, повышая напряжение (в его опытах до 6 кВ), можно значительно увеличить КПД линии, но для этого нужно было строить генераторы высокого напряжения, которые постоянно перегревались и выходили из строя. Кроме того, конечные потребители не могли использовать высокое напряжение. Для его понижения до сотни вольт приходилось строить сложную преобразовательную систему «высоковольтный мотор – низковольтный генератор». При этом потери ещё сильнее возрастали, в результате передача электроэнергии на большие расстояния становилась бессмысленной.
Работая над этой проблемой, к середине 1880-х годов электротехники установили, что легче изготовить высоковольтный генератор переменного напряжения, чем постоянного. Более того, необходимое для экономичной передачи высокое напряжение имеет смысл получать даже не в самой динамо-машине, а с помощью отдельного повышающего трансформатора (изобретённого в 1876 г. русским инженером П. Н. Яблочковым), что значительно проще и эффективнее. При этом на конце линии электропередачи устанавливался понижающий трансформатор. Однако в этом случае возникала необходимость в применении выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный, которые по тем временам были непростыми и обладали большими потерям. Так возникла насущная потребность в изобретении двигателя, способного работать на переменном токе.
Тесла и Феррарис
За работу по созданию такого двигателя одновременно принялись изобретатели со всего мира. Опыты Бейли (1879 г.), Марселя Депре (1883 г.), Бредли (1887 г.), Ф. Хазельвандера (1887 г.) и многих других изобретателей были интересны, но ни один из них не мог удовлетворить нужды промышленности: электродвигатели получались либо громоздкими и неэкономичными, либо сложными и ненадёжными.
Двухфазный электродвигатель Теслы
В 1888 г. произошёл долгожданный научный прорыв: независимо друг от друга сербский физик-изобретатель Никола Тесла и итальянский физик Галилео Феррарис научно описали явление вращающегося электромагнитного поля в современном его понимании. Однако Феррарис в своём докладе сделал ошибочный вывод о нецелесообразности применения переменных многофазных токов, главным образом из-за низкого КПД электрических установок (по его расчётам, не более 50%), и не стал продолжать исследования в этом направлении, тогда как Тесла видел будущее электротехники именно за переменным током.
В том же 1888 г. Тесла, исходя из принципа вращения магнитного поля, создал сложную систему, состоявшуюся из генератора, линии проводной связи и самого двигателя переменного тока. Стоит отметить, что еще в 1887 г. Тесла теоретически описал все возможные случаи сдвига фаз и получил патент на многофазные электрические машины с вращающимися полями. В своих опытах он остановился на двухфазном варианте со сдвигом фаз 90°, но обрисовал возможность внедрения машин и с большим числом фаз. Кроме того, Тесла также получил патенты на системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока.
Уже в июне 1888 г. компания Westinghouse Electric купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей. Эти двигатели по сравнению с ранее созданными были более надёжными и эффективными, но, тем не менее, имели и значительные недостатки. Выступающие полюса статора с сосредоточенной обмоткой, большое магнитное сопротивление, необходимость использования четырёх проводов – всё это ухудшало характеристики машины и удорожало сооружение линий электропередачи. Неудачным оказался и выбор двухфазной системы, хотя сам Тесла считал её оптимальной среди всех возможных многофазных систем.
Две фазы или три?
Двухфазные асинхронные двигатели и электрогенераторы Теслы, несмотря на ряд недостатков, получили достаточно широкое распространение в США. В 1895 г. на основе двухфазных генераторов и двухфазной системы электропередачи была построена Ниагарская ГЭС, которая на тот момент была крупнейшей в мире (её мощность составляла 50 тыс. л. с.). Однако со временем из экономических и технических соображений американцы полностью заменили двухфазные системы на трёхфазные, наибольшая заслуга в разработке которых среди учёных и инженеров разных стран принадлежит русскому электротехнику Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому.
Трёхфазный электродвигатель Доливо-Добровольского
М. О. Доливо-Добровольский в своих разработках взял за основу двигатель Теслы и усовершенствовал его, используя вместо двух обмоток три сдвинутые на 120° обмотки переменного тока. В 1888 г. он построил свой первый трёхфазный генератор переменного тока мощностью около 3 кВт, от которого привёл в действие трёхфазный двигатель со статором в виде кольца Грамма и ротором в виде сплошного медного цилиндра.
В 1889 г. конструкция двигателя была значительно улучшена. На этот раз в качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24 полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Н. Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки – разместил их в пазах по всей окружности статора, добившись более удачного распределения магнитного поля. Ротор же был выполнен в виде цилиндра с обмотками по типу «беличьего колеса». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали значительно больше. Опытная установка поражала всех электротехников весьма небольшими размерами для своей мощности.
Меньше проводов
Исследуя свойства трёхфазной системы, Михаил Осипович доказал, что в любой момент времени сумма токов системы равна нулю (при исправном оборудовании. – Прим. ред.), и поэтому для передачи энергии к электродвигателю достаточно трёх проводов, что позволяло при прочих равных условиях экономить четверть меди по сравнению с двухфазной цепью. Одновременно М. О. Доливо-Добровольский исследовал соединения звездой и треугольником, экспериментировал с токами различных напряжений и с машинами, имеющими разное число пар полюсов, разработал все элементы классических трёхфазных цепей переменного тока: трёхфазные трансформаторы, пусковые реостаты, измерительные приборы, схемы включения генераторов и двигателей звездой и треугольником.
По своим техническим показателям электродвигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы и были настолько удачны, что практически не претерпели существенных изменений до настоящего момента.
Конкуренция между системами постоянного и переменного тока на Западе, получив оригинальное название «войны токов», продолжалась вплоть до ноября 2007 г., когда энергосистема Нью-Йорка была окончательно переведена на переменный ток. Он предоставляет энергетикам несколько существенных преимуществ, таких как простота передачи энергии на большие расстояния, возможность лёгкой трансформации напряжения, более надёжная и простая конструкция генератора и электродвигателя. И именно поэтому сегодня подавляющее большинство потребителей использует для своих нужд переменный ток, а трёхфазная система переменного тока и трехфазные электродвигатели, доказав свою высокую эффективность, получили массовое распространение во всём мире.