Автор работы: Пользователь скрыл имя, 02 Апреля 2012 в 07:22, лекция
Электрические и магнитные явления были известны человеку издавна. Археологические исследования показали, что древние египтяне делали примитивные источники тока, используемые для гальваники. Электростатические взаимодействия были известны древним шумерам. Появление магнетизма в европейской истории относится к древней Греции. Происхождение слова «магнит» объясняется двояко
Для передачи энергии требуется три провода, система получилась симметричной, уравновешенной и экономичной (на три провода трехфазной системы требовалось на 25% металла меньше, чем на три в двухфазной). Явная экономия металла была одним из главных аргументов в пользу трехфазных систем.
Возможно и другое соединение обмоток генератора - треугольником (оно также показано на рисунке 6.2). На первый взгляд может показаться, что получилось короткое замыкание. Так было бы при соединении треугольником источников постоянного тока. Здесь соединяются переменные ЭДС, обладающие разностью фаз. Полная ЭДС треугольника равна:
(1.9)
Рисунок 1.8 - Соединения звездой и треугольником трехфазной системы
(как мы убедились при определении тока в нулевом проводе). Поэтому полная ЭДС треугольника равна нулю и не только нет короткого замыкания, но если нагрузка отсутствует, то в обмотках генератора вообще нет тока.
Из рисунка 1.8 и без расчетов ясно, что при соединении треугольником линейные напряжения равны фазным.
В трехфазной системе возможны и комбинированные соединения: генератор звездой, а нагрузку - треугольником, или наоборот.
Отметим еще одно важное обстоятельство. Если при соединении звездой и несимметричной нагрузке в четырех проводной системе произойдет обрыв одного из линейных проводов, то будет отключена нагрузка, подсоединенная к этому проводу, на оставшихся нагрузках по прежнему будут фазные напряжения и они будут работать нормально. Но если произойдет обрыв нулевого провода, то каждая пара нагрузочных сопротивлений будет соединена последовательно и включена на линейное напряжение. Это напряжение распределится пропорционально величинам последовательно соединенных сопротивлений, что может вызвать их выход из строя. По этой причине в нулевой провод никогда не ставят предохранители, а защищают сеть предохранителями, поставленными в линейные провода.
1.7 Первые трехфазные электродвигатели
Так как мы уже рассматривали получение вращающегося магнитного поля двухфазного тока, то не трудно представить, как получается вращающееся магнитное поле трехфазного тока - рисунок 1.9. К трехфазному генератору вместо нагрузочных сопротивлений подключаются обмотки такой же по конструкции машины, протекающий по ним переменный ток создаст переменные магнитные поля:
, (1.10)
, (1.11)
, (1.12)
H2
H3
Рисунок 1.9 Вращающееся магнитное поле трехфазного тока
сдвинутые относительно друг друга в пространстве на 1200, соответственно с расположением обмоток, и во времени, соответственно с временным сдвигом протекающих по ним токов.
Абсолютная величина результирующего магнитного поля, созданная внутри машины взаимодействием этих трех магнитных полей, равняется:
(1.13)
Угол , образованный вектором и осью Y, определяется из соотношения
, следовательно .
Создав такой статор Доливо-Добровольский разместил внутри его, созданный им ротор с беличьей клеткой. Первый трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью 100 Вт Доливо-Добровольский продемонстрировал весной 1889 г. Питание двигатель получал от двигателя постоянного тока, от обмотки якоря которого, как это делал Хазельвандер, на специально установленные кольца были сделаны три вывода (одноякорный преобразователь постоянного тока в трехфазный переменный). Было потверждено мнение Доливо-Добровольского о том, что двигатель с малым сопротивлением ротора развивает достаточный пусковой момент и высокий рабочий момент при максимальной скорости. Затем Доливо-Добровольский изготовил короткозамкнутый асинхронный электродвигатель мощностью 1,5 кВт, в котором он изменил конструкцию статора: отказался от выступающих полюсов и распределил статорные обмотки в пазах равномерно по окружности статора. В результате значительно уменьшилось магнитное рассеяние, улучшились характеристики электродвигателя.
Почему такие электродвигатели назвали асинхронными? Дело в том, что в таком электродвигателе ротор всегда вращается со скоростью меньшей скорости вращения магнитного поля (иначе не будет пересечения проводниками обмотки ротора магнитных силовых линий, не будет индуцироваться ток в роторной обмотке, не будет создаваться вращающий момент). Поэтому, в отличие от синхронной машины, в которой скорости вращения поля и ротора всегда одинаковы, такую электрическую машину назвали асинхронной.
В 1890 г. Доливо-Добровольский изготовил двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 3,7 кВт. При первом же испытании выяснилось, что пусковые свойства двигателя ухудшились. Причина была в том, что пусковой ток асинхронного двигателя из-за малого сопротивления ротора очень велик (в 5 - 7 раз больше номинального), а пусковой момент мал. В результате включение такого двигателя приводило к значительному снижению напряжения в питающей сети (и сейчас требуется проверка возможности прямого включения асинхронных электродвигателей в питающую сеть, чтобы не влиять на работу других потребителей). Уменьшение тока за счет увеличения сопротивления ротора не годилось - ухудшались рабочие характеристики. Доливо-Добровольский заменил короткозамкнутый ротор на фазный. На роторе тоже была намотана трехфазная обмотка, концы которой соединялись с тремя кольцами, насаженными на вал ротора. С помощью щеток эти кольца соединялись с пусковым реостатом. Стало возможным увеличить сопротивление ротора на время пуска, а по мере разгона двигателя это сопротивление уменьшали до короткого замыкания ротора. Это был асинхронный электродвигатель с фазным ротором, который также широко применяется и в наше время.
Для передачи трехфазного тока на большие расстояния требовалось осуществить ее трансформацию (повысить напряжение в линии передачи). Можно было использовать три однофазных трансформатора, но это было слишком дорого. Доливо-Добровольский в 1889 г. изобрел трехфазный трансформатор. Используя различные конструкции сердечника (радиальную, призматическую), он остановился на параллельном расположении трех стержней в одной плоскости. Такая конструкция обеспечивала минимальный расход железа (по магнитным свойствам несколько уступая призматической) и сохранена до настоящего времени.
Различный характер нагрузки (осветительная, двигательная) требовал разных по величине напряжений. Доливо-Добровольский разработал четырехпроводную схему трехфазной сети (звезда с нейтральным проводом), в которой можно использовать два разных по величине напряжения: линейное и фазное. Он также указал, что вместо нулевого провода можно использовать землю. Для регулирования напряжения в отдельных фазах он изобрел трехфазный автотрансформатор.
Таким образом, в течение 3-х лет были разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения: трансформатор, трехпроводная (или четырехпроводная) линия передачи, асинхронный двигатель в двух основных модификациях. Мы не говорим об источнике энергии, так как многофазный синхронный генератор был уже известен.
Конечно, в успехах Доливо-Добровольского значительную роль сыграло то обстоятельство, что он работал в крупнейшей электротехнической фирме, имея, как один из технических руководителей, большие возможности для экспериментов, сама фирма работала на наиболее развитую в то время германскую электротехническую промышленность. Это определяло то обстоятельство, что Доливо-Добровольский работал на удовлетворение основных потребностей практики, получая быстрое внедрение своих разработок. Но несомненно, что сделать так много за столь малый срок мог только гениальный человек.
Мы еще вернемся к работам Доливо-Добровольского, а сейчас отметим, что, живя и работая в Германии Доливо-Добровольский оставался русским подданным, следил за развитием науки и техники в России. В 1898 г. министр финансов России Сергей Юльевич Витте пригласил Доливо-Добровольского занять должность декана электротехнического факультета политехнического института , который было решено открыть в Санкт-Петербурге. Доливо-Добровольский согласился, организовал снабжение лабораторий будущего института оборудованием, передал свою личную библиотеку. Но осуществить возвращение на Родину ему не удалось - обострилась болезнь (Доливо-Добровольский страдал сердечной недостаточностью) и он был вынужден уехать на лечение в Швейцарию, где прожил шесть лет. Увы, Россия не стала дожидаться и Доливо-Добровольский из Швейцарии вернулся в Германию, где продолжил работу в фирме АЭГ. Когда началась первая мировая война , Доливо-Добровольский оказался в очень сложном положении. Как русский поданный он не мог (и не хотел) оставаться в Германии, не мог он и вернуться в Россию, где неминуемо был бы арестован, как немецкий шпион и человек, так много сделавший для роста технического могущества Германии. Доливо-Добровольский снова выехал в Швейцарию, где жил до окончания первой мировой войны. Все это время Доливо-Добровольский продолжал работу над совершенствованием систем электродвигателей и линий передач электрической энергии и опубликовал доклад о границах применения переменного тока в линиях электропередач большой протяженности, в котором указывал на перспективность ЛЭП постоянного тока.
Личная неустроенность, оторванность от Родины вызвали обострение сердечной болезни, и в 1919 году в Гейдельберге Михаил Осипович скончался. Нет никакого сомнения в том, что в электротехнике Михаил Осипович Доливо-Добровольский и Майкл Фарадей стоят рядом.
1.8 Триумф трехфазной системы переменного тока
Генеральное испытание трехфазной системы состоялось в 1891 году на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне.
Поводом для организации выставки явилось решение обербургомистра построить центральную городскую электростанцию. Созданная международная комиссия не пришла к соглашению и не дала определенных рекомендаций по выбору рода тока : переменный или постоянный? Тогда решили организовать международную выставку, чтобы все желающие лица и фирмы могли продемонстрировать свои возможности. Желающим участвовать поручалось выполнить специальное задание по передаче электрической энергии на определенное расстояние и продемонстрировать ее практическое применение. Создали международную испытательную комиссию под председательством немецкого ученого Германа Гельмгольца, которая должна была провести испытания всех предложенных систем и дать заключение о выборе рода тока и перспективной системе электроснабжения.
Организаторы выставки предложили фирме АЭГ осуществить передачу энергии водопада на реке Неккар на территорию выставки. В городе Лауфене (близ водопада) в распоряжение фирмы АЭГ была выделена турбина, дававшая полезную мощность 300 л.с. Расстояние между этими городами составляло 170 км. Известные до этого линии передавали энергию на 15 км. Большинство специалистов полагало, что решить эту задачу практически невозможно (вся энергия будет потеряна в пути).
Правление фирмы АЭГ согласилось. А что им оставалось делать? Как писал Доливо-Добровольский "Если я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и подвергнуть его недоверию, которое вряд ли бы удалось потом быстро рассеять, я обязан был принять на себя эту задачу и разрешить ее. В противном случае опыты Лауфен - Франкфурт и многое, что должно было затем развиваться на их основе, пошли бы по пути однофазного тока". Для решения поставленной задачи необходимо было изготовить генератор, трехфазные трансформаторы, асинхронный электродвигатель, проложить линию передачи, обеспечить безопасность работы. И все это нужно было вначале спроектировать: на таких мощностях еще никто не работал. Срок - один год!
В августе 1891 г. на выставке зажглись 1000 ламп накаливания, питаемых током от Лауфенской гидростанции. 12 сентября заработал искусственный водопад, напор для которого создавался электродвигателем. Задача была решена: энергия естественного водопада преобразовывалась в электрическую, передавалась на 170 км, где питала самые распространенные потребители электрической энергии - осветительные лампы и двигатель, совершающий механическую работу.