Электротехническая энциклопедия

Изучение документальных материалов показывает, что в 1887—1889 гг. многофазные системы разрабатывались с большим или меньшим успехом несколькими учеными и инженерами.

Например, в Америке Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, конструировал двух- и трехфазные генераторы. Однако Бредли не знал о явлении врашаюшегося магнитного поля и предполагал, что потребители в 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, 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 числом проводов, равным числу коллекторных пластин. Стремясь уменьшить число линейных проводов, 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 М. О. Доливо-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником техники трехфазных систем.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862—1919 гг.) родился в пригороде Петербурга, в городе Гатчине, а закончил реальное училище в Одессе, где его отец издавал местную газету «Правда». С 1878 г. он учился в Рижском политехническом институте, но закончить обучение ему не удалось, так как за участие в студенческих волнениях в год цареубийства он был отчислен.

Завершил он образование в Германии, в Высшем техническом училище города Дармштадта, в котором большое внимание уделялось практическим применениям электричества. В этих благоприятных условиях природное дарование, трудолюбие и изобретательский талант Доливо-Добровольского помогли ему быстро выдвинуться в число лучших студентов, и в 1884 г. после успешного окончания училища он был оставлен в нем в должности ассистента. Руководство кафедры, высоко оценившее его эрудицию, поручило ему преподавание нового самостоятельного курса по практическому применению электрохимии.

Вскоре произошли события, оказавшиеся счастливыми для молодого преподавателя: на него обратил внимание энергичный предприниматель Эмиль Ратенау, возглавивший только что откупившуюся от эдисоновской компании и ставшую самостоятельной фирму АЭГ (Всеобщая компания электричества).

Русский инженер занял должность шеф-электрика фирмы. Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский прочел доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле и был крайне удивлен его вы водом о практической непригодности индукционного электродвигателя.

Еще до этого Доливо-Добровольский заметил, что если замкнуть накоротко обмотку якоря двигателя постоянного тока при его торможении (т.е. в опыте динамического торможения), то возникает большой тормозящий момент.

«Я тотчас же сказал себе, — вепс минал позднее Доливо-Добровольский, — что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить в него короткозамкнутый якорь малого сопротивления, то этот якор скорее сам сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов. Мысленно я прямо представил себе электродвигатель многофазного тока с ничтожным скольжением».

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

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

Первым важным шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки. Для уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог быть ротор в виде медного линдра, как в двигателе 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, но вместе тем электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди. Выход из этого 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 атектрически соединены друг с другом.

Следующим шагом Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы трехфазной. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении чиста фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного двигателя и использование машины.

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.

Но каким образом проще всего получить трехфазную систему? Уже был известен способ, при помощи которого обычную машину постоянного тока можно было превратить в генератор пере менного тока. П. Н. Яблочков и 3. Грамм еще в конце 70-х годов 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 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 ток. Если в том же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от четырех равноотстающих точек, то на четырех кольцах легко получить двухфазную систему тока.

Тесла построил синхронный генератор, в котором имелись три независимые катушки, расположенные под углом 60 градусов друг к другу. Такой генератор давал трехфазную систему токов, но требовал для передачи энергии шесть проводов, так как в этом случае получалось несвязанная трехфазная цепь с токами, сдвинутыми друг от друга по фазе на 60 градусов.

Доливо-Добровольский в результате исследования различных схем обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока. Таким образом, были подучены токи: с разностью фаз 120 градусов. Сохранив в этой машине коллектор, можно было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя.

Таким путем была найдена связанная трехфазная система, которая отличается той особенностью, что она требует для передачи и распределения электроэнергии только три провода. В двухфазной системе Тесла 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, уравновешанной 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 проводников. Таким образом, трехфазная система электрических токов является оптимальной многофазной системой.

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

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

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 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 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. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил временные конструктивные формы.

Вскоре Доливо-Добровольским было внесено еще одно усовершенствование, кольцева обмотка статора была заменена барабанной. После этого асинхронный двигатель 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 двигателя с короткозамкнутым ротором может в несколько раз превышать 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. 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, то есть такого, обмотка которого делается, подобно обмотке статора, трехфазной и концы которой 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. Но фазный ротор требовал устройства на валу контактных колец, а это рассматривалось многими атектротехниками как недостаток по сравнению с короткозамкнутым ротором. Однако с этим недостатком примириться, и, несмотря на то, что в последствии были разработаны различные меры по улучшению условий пуска крупных асинхронкых двигателей с короткозамкнутым ротором, двигатели с контактными кольцами применяются в промышленности до настоящего времени.

В статьях и докладах 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 Доливо-Добровольским двигателей были настолько совершенны, что не претерпели сколько-нибудь существенных изменений за 100 лет своего существования. В 1911 г. Доливо-Добророльский написал статью «Из истории трехфазного тока», где в частности отмечал: «Трудно понять, почему Тесла с упорством отстаивал несопряженный двухфазный ток, в то время как мы здесь с самого начала взялись за трехфазную систему. Мне, впрочем, кажется, что немногие люди верили в лучшие свойства электродвигателей при трех фазах вместо двух. Многие заинтересовались трехфазной системой лишь после того, как стало ясно, что она приводит к уменьшению сечения проводов».

А в другой статье он указывал, что «...бесспорным останется технический приоритет того изобретателя или фирмы, которые сумела сделать свое открытие жизнеспособным и на основания своей идеи и опыта создать применимый технический агрегат. Заслуга практической разработки и технического воплощения системы многофазного тока безусловно принадлежит АЭГ, что не должно снижать научной ценности открытий проф. Феррариса и Тесла».

Трехфазная система не получила бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она ае решила проблемы передачи энергии иа 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 ие могло не вызвать стремления найти более удовлетворительное решение.

В 1889 г. Доливо-Добровольскнй изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформаторе радиальным расположением сердечников. Ero 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. Наконец, в октябре 1891 г. была сделана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время.

Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем трехфазной цепи. В 80—90-х годах прошлого века значительное место в электропотреблении занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему.

Кроме того, иногда было желательно иметь в своем распоряжении не одно, а два напряжения: одно — для осветительной нагрузки, другое, повышенное, — для силовой. Чтобы можно было регулировать напряжение и отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-Добровольскнй разработал в 1890 г. четырехпроводную cxeму трехфазной цепи, или, иначе, систему с нейтральным проводом. Одновременно он указал, что вместо нейтрального, или нулевого, провода можно использовать землю.

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 Долизо-Добровольскин предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор.

Таким образом, в течение 2—3-х 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 задолго до того известен, получили широкое практическое применение только трехфазные машина.

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 ие 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. Основное направление работ Доливо-Добровольского совпало с главным направлением в развитии электроэнергетики.

Кроме того, нельзя упускать из виду, что Доливо-Добровольский работал в условиях наиболее развитой в то время германской электротехнической промышленности и, являясь одним из технических руководителей крупнейшей электротехнической фирмы, располагал большими возможностями для экспериментального исследования и практической реализации своих изобретений.

В 1914 г., когда разразилась Первая мировая война, Доливо-Добровольский, как русский подданный, был вынужден покинуть Германию и жил в Швейцарии. Здоровье его было серьезно подорвано, чувство личной неустроенности, оторванность от Родины вызвали обострение сердечной болезни, и в 1919 г. в Гейлельберге Михаил Осипович скончался.

Другие статьи по истории электротехники

Великие книги: "Экспериментальные исследования" Майкла Фарадея

Английский ученый Гемфри Дэви известен прежде всего как изобретатель шахтерской лампы, которая спасла жизнь многим и многим горнякам. Он открыл магний, кальций, барий, стронций, натрий. Он был основателем электрохимии... Однако сам Дэви считал своим главным открытием — открытие Фарадея, будущего автора фундаментального труда "Экспериментальные исследования по электричеству" ...

Великие теоретики и великие практики

Путь к познанию и изучению электромагнитных волн был нелегок. Связь магнитного поля с порождающим его током установил X. Эрстед в 1820 году. Майкл Фарадей, замечательный английский физик-экспериментатор, задался противоположной целью - установить, а не может ли магнитное поле быть причиной возникновения электрического тока.

Первые конструкции электродвигателей постоянного тока

Электрическая машина прошла длинный и сложный путь от физических игрушек и лабораторных приборов до завершенных промышленных конструкций. Однако вначале развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло совершенно различными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины был открыт в 30-х годах, но его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов ХIХ века

Начало электроприборостроения и электрометрии

Развитие исследований в области электрических и магнитных явлений и расширение их практических применений вызвали необходимость разработки методов измерений основных электрических величин и создания специальных электроизмерительных приборов ...

Первые попытки передачи электроэнергии на расстояние

Первые опыты передачи электрической энергии на расстояние относятся к самому началу 70-х годов. В 1873 г. на Венской международной выставке французский электрик И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Одна из машин Грамма работала в режиме генератора, а такая же вторая — в режиме двигателя. Последняя машина приводила в действие водяной насос искусственного водопада.

История изобретения и развития электрического освещения

Первым по-настоящему массовым потребителем электрической энергии явилась система электрического освещения. Электрическая лампа и по нынешний день осталась самым распространенным электротехническим устройством.

Первые генераторы переменного тока

Получение переменного тока никогда не представляло принципиальных трудностей. Действительно, в обмотках всех электромашинных генераторов (если не считать униполярного) генерируются переменные токи, которые в машинах постоянного тока преобразуются при помощи коллектора в ток постоянного направления. В 1832-м году анонимным изобретателем был создан первый однофазный синхронный многополюсный генератор ...

Трансформаторные битвы

Восьмидесятые годы ХIХ века пошли в историю техники под названием периода "трансформаторных битв". Такое необычное название они получили потому что изобретение трансформатора было одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. A настоящая бита шла между сторонниками систем постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния. ...