История развития энергетики

1.6 Многофазные системы переменного тока

1.6.1 Двухфазная система переменного тока

К 90-м годам 19-го века было доказано, что экономически выгодно строить мощные электростанции, способные снабжать электрической энергией большие районы, передавая электроэнергию на большие расстояния. Производство и передача энергии  возможно осуществлять на переменном токе. Механическая работа в стремительно развивающейся промышленности осуществлялась паровыми машинами и дорогими электродвигателями постоянного тока, для которых строились местные электростанции. Электромеханическое преобразование энергии оказывалось неэкономичным. Нужен был электродвигатель переменного тока. Но однофазный электродвигатель не решал проблемы. Получалось, что электротехника зашла в тупик.

Снова вернемся к самым истокам. Опыт Араго: вращение магнита над металлическим диском заставляло этот диск вращаться. Объяснение этого явления Фарадеем: вращающиеся магнитные силовые линии пересекают радиальные проводники, из которых состоит диск, и в этих проводниках возникают индуктированные токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приводит к возникновению сил вращения. Чтобы получить электродвигатель, нужно было получить вращающееся магнитное поле без приложения внешних механических сил.

История создания вращающегося магнитного поля крайне запутана: слишком много претендентов, оспаривающих друг у друга пальму первенства. Скандальные судебные процессы отдельных изобретателей и крупных фирм (только американская фирма "Вестингауз" провела более 25 судебных процессов) свидетельствуют о накале борьбы, но мало проясняют суть дела: счет идет на месяцы и даже дни.

Наибольшую известность и наиболее строгие теоретические исследования выполнили независимо друг от друга инженер фирмы "Вестингауз" серб (по другим источникам - хорват) Николо Тесла и итальянский профессор физик Галилео Феррарис . Тесла утверждал, что идея вращающегося магнитного поля родилась у него в 1882 г. Феррарис говорил, что осознал принцип его получения в 1885 г. Доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле состоялся в Туринской академии 18 марта 1888 г. Доклад Тесла в Американском институте электроинженеров - 16 мая 1888 г. Заявку на получение патента на многофазную систему Тесла подал 12 октября 1887 г. Лабораторные образцы двухфазных асинхронных электродвигателей Феррарис создал в 1885 г.

Рисунок 1.4 - Получение двухфазного тока

Для получения вращающегося магнитного поля требуется получить два переменных тока, сдвинутых относительно друг друга по фазе. Принцип получения двухфазного тока показан на рисунке 1.4.

Генератор переменного тока  содержит две независимые (не соединенные друг с другом) обмотки: 1-3 и 2-4, размещенные на полюсах, сдвинутых в пространстве на 900. Во внутреннем пространстве, образованном этими полюсами, вращается ротор (постоянный магнит). При пересечении витков обмоток магнитным полем в них наводится ЭДС, полярность которой меняется через каждые 1800 поворота ротора. Кроме того, ЭДС, наводимая в обмотке 2-4, будет отставать от ЭДС обмотки 1-3 на время, необходимое ротору для поворота на 900.

     ,                                                                      (1.3)

 - угловая скорость вращения ротора.

Если выводы обмоток подсоединить к нагрузочным сопротивлениям, то получим две цепи переменного тока, в которых протекают токи, сдвинутые относительно друг друга на 900. Это двухфазная система переменного тока (двухфазный ток) - рисунок 1.5.

Так как для электрических явлений важна только разность потенциалов, то один из проводов, подсоединяющих нагрузку, можно сделать общим.

Рисунок 1.5 -  Двухфазная система токов

Если потенциал провода 2-3 принять за нуль, то потенциал провода 1 (напряжение в линии 1) равен , а потенциал провода 4 - Напряжение между линиями 1 и 4 соответственно равно

                                                                                                                                                                        (1.4)

так как .

Таким образом можно получить систему из трех однофазных токов, но третий будет отличаться по амплитуде и сдвигу фазы. Кроме того, уменьшение числа проводов до трех дает меньшую экономию металла, чем можно было ожидать, так как сечение общего провода необходимо увеличить в раз по сравнению с двумя другими проводами.

Технические решения Феррариса и Теслы проблемы получения двухфазного тока несколько отличались друг от друга. Описанный выше принцип близок к методике Теслы.

С помощью двухфазного тока можно получить обратное преобразование - создать вращающееся магнитное поле - рисунок 5.3. Если к двухфазному генератору вместо нагрузочных сопротивлений подключить обмотки такой же по конструкции машины, то протекающий по ним переменный ток создаст переменные магнитные поля:

и ,                                           (1.5)

сдвинутые относительно друг друга в пространстве, соответственно с расположением обмоток,  и во времени, соответственно с временным сдвигом протекающих по ним токов. Абсолютная величина результирующего магнитного поля, созданное внутри машины взаимодействием этих полей, равняется

.                                                        (1.6)

Рисунок 1.6 - Получение вращающегося магнитного поля в двухфазном электродвигателе

Вектор результирующего магнитного поля равномерно вращается в пространстве с угловой скоростью . Таким образом получается вращающееся магнитное поле, подобное полю вращающегося постоянного магнита. Создав такую машину Феррарис разместил внутри ее ротор, представляющий собой полый медный цилиндр. Двухфазные асинхронные электродвигатели с полым ротором назвали двигателями Феррариса.

Основное отличие опытов Тесла состояло в том, что он получал многофазный ток от многофазного источника (Феррарис пользовался фазосмещающими устройствами). Многофазный генератор Тесла имел магнитную систему из двух постоянных магнитов. В их магнитном поле вращались две взаимно перпендикулярные катушки, концы обмоток выводились на кольца. Генератор создавал два сдвинутых на 900 тока. От этих токов получали питание катушки возбуждения электродвигателя, также расположенные на его статоре перпендикулярно друг другу Ротор тоже имел подобную систему катушек, замкнутую саму на себя. Основным недостатком двигателя Тесла была полюсная система статора и ротора (выступающие полюса с сосредоточенными обмотками). Двигатель имел большое магнитное сопротивление, неравномерное распределение магнитного поля, плохие рабочие характеристики. Достаточно сказать, что пусковой момент зависел от начального положения ротора.

Основное достоинство системы Тесла - идея создания многофазной системы из независимых токов. Основное достоинство системы Феррариса - более удачная конструкция электродвигателя.

Фирма Вестингауз (в которой работал Тесла) построила несколько электростанций двухфазного переменного тока (в том числе крупнейшая для того времени Ниагарская ГЭС - 1885 г.), но все попытки Тесла усовершенствовать ее (он получил 41 патент по двухфазной системе) не имели большого успеха.

Что же касается Феррариса, то он, создав довольно удачную конструкцию двухфазного электродвигателя, пришел к выводу, что такая система не имеет перспектив для промышленного электропривода. Дело в том, что Феррарис (как и большинство других ученых) в своих разработках придерживался принципов работы слаботочной техники - злополучной теоремы о максимальной мощности приемника. В соответствии с режимом передачи приемнику (двигателю) максимальной мощности Феррарис создал электродвигатель, ротор которого имел сопротивление равное сопротивлению источника тока. Во-первых, такой электродвигатель мог вращаться со скоростью, равной половине скорости вращения магнитного поля, имел КПД меньше 50%, ротор во время работы нагревался до высоких температур. Ошибочное распространение методов слаботочной техники на мощные электротехнические установки и  привело Феррариса к такому заключению.

1.6.2 Трехфазная система переменного тока

В это же время в Европе работы над многофазными системами привели ученых  к заключению, что минимальное число фаз должно равняться трем. Это установил немецкий инженер Ф. Хазельвандер. Он соединил генератор и двигатель постоянного тока, минуя их коллекторы (коллектор у этих машин выполняет взаимообратные функции), то есть соединял между собой те точки обмоток генератора и двигателя, от которых идут отпайки к коллекторным пластинам. Чтобы избежать вращающейся системы проводов, этот опыт делался на обращенных машинах (у которых якорь неподвижен, а полюса вращаются). Уменьшая число проводников (первоначально оно равнялось числу коллекторных пластин), Хазельвандер нашел минимальный вариант - три провода. Его система тоже могла использоваться только для лабораторных опытов.

Основоположником современной трехфазной системы считается Михаил Осипович Доливо-Добровольский, который не только развил ее теорию, но и каждый элемент системы довел до практического применения. М.О. Доливо-Добровольский родился в городе Гатчине. С !878 года учился в Рижском политехническом институте, но за участие в студенческих волнениях в год убийства императора Александра II, был отчислен. Завершил образование в Высшем техническом училище города Дармштадта (Германия). Будучи одним из лучших студентов этого училища, он был оставлен работать в нем в должности ассистента, преподавал курс практической электрохимии ( уже это говорит о его способностях - ассистент, ведущий самостоятельный курс, в то время это было редчайшим исключением).

Вскоре на него обратил внимание Эмиль Ратенау, возглавивший вновь созданную фирму АЭГ (Всеобщая Компания Электричества) - это был филиал компании Эдисона, добившийся самостоятельности. Доливо-Добровольский стал шеф-электриком новой фирмы.

В 1888 году Доливо-Добровольский прочел доклад Феррариса о вращающемся поле и понял ошибку Феррариса, создававшего двигатель  с большим сопротивлением ротора (равным сопротивлению питающей сети). Возможно ему помогло то обстоятельство, что сам Доливо-Добровольский делал опыты короткого замыкания обмотки якоря двигателя постоянного тока и знал, что при этом (несмотря на малое сопротивление) возникает большой тормозящий момент. Доливо-Добровольский решил создать ротор с малым сопротивлением. Самое малое сопротивление обеспечил бы ротор в виде медного цилиндра (у Феррариса и был такой), но медь не проводит магнитное поле (плохое взаимодействие с полем статора). Замена медного цилиндра стальным приведет возрастанию магнитного потока, но увеличит сопротивление. Доливо-Добровольский взял стальной цилиндр и в просверленные по его периферии каналs уложил медные стержни, которые на лобовых частях были соединены медными кольцами. Получился ротор с малым магнитным сопротивлением (сталь) и с малым сопротивлением обмотки (медь). Это и был знаменитый ротор с беличьей клеткой - конструкция, которая принципиально не изменилась до настоящего времени.

Для создания вращающегося магнитного поля Доливо-Добровольский решил использовать трехфазную систему (чем больше фаз, тем лучше распределение намагничивающей силы по окружности статора, а по минимальному расходу меди - это три фазы, как доказал Хазельвандер). Доливо-Добровольский использовал его опыт, но ответвления сделал от трех равноотстоящих точек обмотки, получилась система токов с разностью фаз 1200, соединенная треугольником. Схема генератора трехфазного переменного тока представлена на рисунке1.7. Генератор имеет три независимые обмотки, смещенные относительно друг друга на треть окружности статора. При вращении ротора (постоянного магнита на рисунке 12) в каждой из обмоток наводятся ЭДС, между которыми будет разность фаз 1200 и 2400, что выражается формулами

,                                                                                                                              (1.6)

,                                                                                                                 (1.7)

.                                                                                                                (1.8)

Если каждую из обмоток замкнуть на нагрузочные сопротивления , то получим три однофазных переменных тока, между которыми будет строго постоянная разность фаз, равная соответственно 1200 и 2400. Такие три согласованных переменных тока и называются системой трехфазных токов.

Число проводов, соединяющих генератор с нагрузкой,  так же как и при двухфазном токе можно уменьшить, объединив по одному проводу в каждой цепи (провода 4,5,6 на рисунке 1.8). Такая четырех проводная система называется соединением звездой. Найдем связь между напряжениями обмоток (фазными напряжениями) и напряжениями в линейных проводах, соединяющими генератор с нагрузкой. (линейными напряжениями). Напряжение, например, между проводами 1 и 3 равно:

                            (6.4)

Таким образом, получили напряжения с амплитудой (фазные напряжения) и напряжения с амплитудой . Частота изменения всех напряжений одинакова и равна . Данный вывод справедлив для разомкнутых цепей генератора (сопротивления нагрузки равны бесконечности). При конечных значениях сопротивлений нагрузки необходимо учесть уменьшение напряжений на потери внутри генератора. Если нагрузочные сопротивления одинаковы , ток в проводах линий также одинаков. Ток в общем проводе равен сумме всех линейных токов:

Рисунок 1.7 - Схема получения трехфазного тока

                            (6.5)

Таким образом, при симметричной нагрузке ток в общем проводе равен нулю, поэтому его и называют нулевым проводом. Его можно удалить и система будет продолжать работать (удалять нулевой провод можно даже при небольшой несимметрии в нагрузках).