ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

ДВУХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

ВОЗНИКНОВЕНИЕ МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ.

Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам прошлого столетия, когда была решена комплексная энергетическая проблема, соединившая в себе технические основы электропередачи и электропривода. Это решение было найдено в применении различных многофазных цепей, из которых многолетняя практика сделала выбор в пользу цепей трехфазных.

Наиболее интересными и новыми элементами трехфазной системы явились электродвигатели, действие которых основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.

Ранее упоминался опыт Apaгo, в котором содержался принцип асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Однако это поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом.

Долгое время явление, открытое Apaгo, не находило себе практического применения. Только в 1879 г. У. Бейли (Англия) сконструировал прибор, в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного устройства — путем поочередного намагничивания четырех расположенных по периферии круга электромагнитов. Намагничивание производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так, что через каждые восемь переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление в пространстве на 360°. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Apaгo, был подвешен медный диск.

Бейли указывал, что при бесконечно большом числе электромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение магнитного поля. Прибор Бейли не нашел никакого применения. Тем не менее, он был некоторым связующим звеном между опытом Араго и более поздними исследованиями.

К открытию явления вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга итальянский ученый Г. Феррарис и югославский ученый и изобретатель, работавший большую часть жизни в Америке, Н. Тесла.

Способ получения вращающегося магнитного поля Феррарис нашел в 1885г., а впервые сообщил о своем открытии в докладе Туринской академии наук в марте 1888 г. Двумя месяцами позже, в мае того же года, с изложением существа своих открытий выступил Тесла, хотя идеи о бесколлекторном электродвигателе переменного тока у него появились еще в 1882 г.

Феррарис и Тесла показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу, питать двумя переменными синусоидальными токами, отличающимися друг от друга только по фазе, и если этот фазовый сдвиг составляет 90°, то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей катушек получает равномерное вращательное движение, не изменяясь, однако, по абсолютной величине. Так, было установлено, что с помощью двух или более переменных токов можно получить непрерывно вращающееся магнитное поле. Минимально необходимое для этого число токов равно Двум. Поэтому вполне естественно, что исследование многофазных систем началось с двухфазной системы.

На рис. 6.18 представлен внешний вид модели двухфазного двигателя Феррариса, хранящейся в Национальном институте электротехники в Турине (Италия). Достаточно подвести к парам взаимно-перпендикулярных катушек 1 два тока, отличающихся по фазе на 90°, как между полюсами катушек возникает вращающееся магнитное поле и медный цилиндр 2 (ротор) начнет вращаться. Двигатель развивал мощность около 3 Вт. Но как получить два тока, отличающихся по фазе на 90° или по крайней мере на угол, близкий к 90°? Феррарис решал эту задачу двумя путями. В одном случае пара катушек включалась в первичную цепь трансформатора с разомкнутой магнитной системой, другая пара — во вторичную; в другом — в цепь первой пары катушек включался добавочный резистор, а в цепь второй — добавочная катушка индуктивности.

Таким образом, один путь получения двухфазной системы токов состоял в «расщеплении» обычного однофазного переменного тока; при этом создавалась так называемая искусственная или вспомогательная фаза. Этот метод требовал дополнительных довольно сложных устройств для «расщепления» фаз, и, кроме того, фазовый сдвиг практически никогда не составлял 90°, что приводило к искажению вращающегося поля.

Но не эти недостатки (на которые, собственно, сначала и не обратили внимания) помешали Феррарису и некоторым его современникам разработать конструкцию промышленного двухфазного электродвигателя. В своем теоретическом исследовании Феррарис предположил, что электрический двигатель так же, как это принято в технике передачи сигналов, должен работать не при максимальном к. п. д., а при максимальной полезной мощности. Простые математические преобразования показывали, что такому условию удовлетворяет двигатель, ротор которого имеет скольжение, равное 50%, т. е. вращается со скоростью, вдвое меньшей, чем скорость вращающегося магнитного поля. Такой ротор должен иметь обмотку с большим сопротивлением. Дальнейший математический анализ привел Феррариса к тому, что двигатель, построенный на использовании свойств вращающегося магнитного поля, принципиально не может иметь к. п. д. выше 50 %. Естественно, столь низкий к. п. д. не мог удовлетворить электротехников-практиков, и интерес к работам Феррариса заметно ослабел. Так, ошибочное начальное условие в теоретическом анализе на некоторое время задержало развитие прогрессивной по своему существу технической идеи.

Для полноты представлений о развитии двухфазной системы можно добавить, что в 1889—1890 гг. были построены первые конденсаторные двигатели, в которых сдвиг по фазе осуществлялся с помощью конденсаторов.

По иному пути пошли некоторые другие изобретатели, и среди них наибольших успехов добился Никола Тесла. Тесла, не прибегая к попыткам получить необходимую разность фаз в самом двигателе, пришел к выводу о целесообразности построения такого генератора, который сразу давал бы два тока, различающихся по фазе на 90°.

Тесла построил двухфазный генератор и питал от него двухфазный асинхронный двигатель. Схематически система Тесла в ее наиболее характерной форме представлена на рис. 6.19: слева изображен синхронный генератор, справа — асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две взаимно-перпендикулярные катушки, в которых генерировались два тока, сдвинутые по фазе на 90°. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольца имеют различные диаметры). Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя катушек.

Основным недостатком двигателя Тесла, который впоследствии сделал его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имели большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины. Таковы были следствия механического переноса в технику переменного тока конструктивных схем машины постоянного тока.

Конструкция обмотки ротора, как выяснилось позднее, тоже оказалась неудачной. Действительно, выполнение обмоток сосредоточенными (а не распределенными по всей окружности ротора) при выступающих полюсах на статоре приводило к ухудшению пусковых условий двигателя (зависимость величины пускового момента от начального положения ротора), а то обстоятельство, что обмотки ротора имели сравнительно большое сопротивление, ухудшало рабочие характеристики.

Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Известно, что значительную долю стоимости установки для передачи электроэнергии составляют затраты на линейные сооружения и, в частности, на линейные провода. В связи с этим казалось очевидным, что чем меньше принятое число фаз, тем меньшим будет число проводов и тем, следовательно, экономичнее устройство электропередачи. Двухфазная система требовала применения четырех проводов, а удвоение числа проводов по сравнению с установками постоянного или однофазного переменного токов представлялось нежелательным. Поэтому Тесла предлагал в некоторых случаях применять в двухфазной системе трехпроводную линию, т. е. делать один провод общим. В этом случае число проводов уменьшалось до трех. Однако расход металла на провода при этом снижался меньше, чем можно было

ожидать, так как сечение общего провода должно быть примерно в 1,5 раза больше сечения каждого из двух других проводов в связи с тем, что синусоидальный ток в общем проводе в 1,5 раз больше каждого из двух синусоидальных токов других проводов.

Встретившиеся экономические и технические трудности задерживали внедрение двухфазной системы в практику. Фирма Вестингауз, где работал Тесла, построила несколько станций по его системе, из которых наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлектростанция.