История развития электромеханических преобразователей

Самовозбуждающегося генератора Грамма с кольцевым якорем представлял из себя горизонтальный вал с укрепленным на нем якорем, охватываемый сверху и снизу полюсными наконечниками. Магнитный поток создается электромагнитами; на специальных щеткодержателях укреплены щетки. Якорь приводится во вращение через приводной шкив. Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Конструкция машины, конечно, не выдерживает критики с точки зрения конфигурации магнитопровода, но усовершенствования этого рода могли последовать только в 80-х годах после установления так называемого закона Ома для магнитной цепи. Позднее Грамм разработал еще несколько конструкций самовозбуждающихся машин, различных по внешнему виду и по мощности, но принципиальных изменений в свою машину он больше не вносил. [3]

Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволявшим получать значительные мощности при высоком к. п. д. и сравнительно малых габаритах и весе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Альянс» показывает, что самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем имеет вес на 1 кет примерно в 6 раз меньше, чем генератор с постоянными магнитами.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что этот генератор очень быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, и машина Грамма после Венской международной выставки (1873 г.) часто использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии развития электрических машин — генератора и двигателя — объединились.

Машина Грамма в принципе представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, и эти усовершенствования последовали в 70—80-х годах прошлого века.

Одно из наиболее существенных усовершенствований машины было сделано в 1873 г., когда немецкий электротехник Ф. Гефнер-Альтенек предложил заменить кольцевой якорь барабанным. Основным недостатком кольцевого якоря являлось плохое использование меди в его обмотке, так как части витков обмотки, находившиеся на внутренней поверхности кольца, не использовались вовсе. В барабанном же якоре обе стороны каждой секции участвовали в создании электродвижущей силы, а не использовались только лобовые части обмотки. С 1878 г. барабанный якорь стали делать зубчатым, что позволило более надежно крепить обмотки и уменьшать воздушный зазор в машине. Борьба за снижение потерь в теле якоря привела в 1880 г. к предложению Т. А. Эдисона изготовлять якорь шихтованным, т. е. набранным из тонких стальных листов, оклеенных бумагой (впоследствии оклейка стальных листов бумагой была заменена лакировкой этих листов). В том же 1880 г. для улучшения условий охлаждения якоря американский изобретатель X. Максим предложил разделять шихтованный якорь на пакеты, что давало возможность создать в теле якоря каналы для прохождения воздуха. С 1885 г. началось применение шаблонной обмотки, что значительно снизило стоимость машин и улучшило качество обмотки. Важным усовершенствованием машины постоянного тока явилось введение в 1884 г. компенсационной обмотки, а в 1885 г.—дополнительных полюсов, с помощью которых удавалось компенсировать реакцию якоря и улучшить коммутацию. В 1891 г. Э. Арнольдом была опубликована первая крупная работа, посвященная обмоткам электрических машин.

Так, в течение 70—80-х годов машина постоянного тока приобрела все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов машины и были направлены на повышение качества, улучшение использования активных материалов и усовершенствование изоляции, на повышение качества щеток и пр.

РАЗВИТИЕ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

В 1824 г. французский физик Ф.Д.Араго продемонстрировал вращение медного диска, увлекаемого за собой вращающимся по­стоянным магнитом. Ранее он показывал такой же опыт, но с маг­нитной стрелкой, вращение же медного диска стало возможным объяснить лишь через 7 лет, когда Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции. В 1879 г. английский ученый Уильям Бейли на заседании Лондонского физического общества сделал доклад «Способ получения вращения Араго». Бейли разместил по кругу электромагниты с вертикально расположенными сердечниками, над которыми подвесил медный диск. С помощью переключателя, приводимого во вращение вручную, производилось переключение электромагнитов, заставлявшее диск вращаться.[6]

В 1883 г. французский физик Марсель Депре представил во Французскую академию наук теорему, доказывающую образова­ние вращающего магнитного поля двумя токами одинаковой ампли­туды, но сдвинутыми по фазе на 90 градусов (т.е. двухфазным то­ком). Эта работа не была замечена. Поэтому принцип создания вра­щающегося магнитного поля связывают с работами Галилео Феррариса (1847-1897) и серба Николы Тесла (1856-1943), которые неза­висимо друг от друга повторно открыли это явление и создали на его основе первые двухфазные двигатели. 18 марта 1888 г. Феррарис сделал в Туринской академии доклад «Электродинамическое вра­щение, произведенное с помощью переменных токов». 16 мая того же года Тесла сделал доклад на аналогичную тему в Американском институте электроинженеров, но заявку на получение патента Тесла подал еще 12 октября 1887 г. Различие между работами Тесла и Феррариса в том, что Феррарис использовал индуктивности и емко­сти для получения сдвига фаз на 90 градусов, а Тесла построил двухфазный генератор переменного тока, имеющий две обмотки, сдвинутые на 90 градусов.

Работы Тесла и Феррариса привели к появлению целого ряда исследований, наиболее эффективными из которых были работы М. О.Доливо-Добровольского.[6]

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение трехфазного асинхронного двигателя ознаменовало собой начало нового этапа в развитии электропривода. В достаточно короткий срок этот тип электродвигателя занял доминирующее положение в системе электропривода промышленных предприятий. И этого, конечно, не случайно. Трехфазный ток оказался весьма удобным для целей передачи энергии на большие расстояния, но даже независимо от этого трехфазный ток получил всеобщее признание благодаря высоким качествам электродвигателей.[3]

Одним из важнейших преимуществ асинхронного двигателя перед двигателями постоянного тока является отсутствие у него коллектора. Чрезвычайная простота асинхронного двигателя, особенно с короткозамкнутым ротором, позволяет установить в каком-либо цехе сотни и тысячи двигателей, почти не требующих никакого ухода. Такие двигатели могут выполняться герметически закрытыми и, следовательно, их можно использовать в любых тяжелых условиях: в атмосфере повышенной влажности, в атмосфере бензиновых паров и т. д. Асинхронные двигатели без повреждений выдерживают значительные кратковременные перегрузки, тогда как в двигателях постоянного тока любая перегрузка разрушительным образом сказывается на коллекторе.

Недостатком двигателей с короткозамкнутым ротором является ограничение их мощности условиями пуска. Это обстоятельство в начальный период развития техники трехфазного тока,, когда мощности электрических систем были невелики, заставляло во многих случаях отказываться от применения двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью выше 10—15 квт. Мощные двигатели с короткозамкнутым ротором применяли только в тех случаях, когда они питались от отдельного генератора, т.е. там, где они запускались вместе с генератором. Такие установки часто устраивались, например, в водокачках.

Были сделаны некоторые попытки повысить мощность двигателей с короткозамкнутым ротором. Так, в 1892 г. М. О. Доливо-Добровольский разработал метод автотрансформаторного пуска асинхронных двигателей, а в 1893 г. он изобрел ротор с двойной беличьей клеткой. Эти изобретения Доливо-Добровольского получили некоторое распространение. Однако наиболее совершенный с точки зрения пусковых характеристик тип ротора с двойной беличьей клеткой, равно как и ротор с глубоким пазом, получил весьма широкое развитие только в 20-х годах текущего столетия. Основным типом асинхронного двигателя большой мощности в 90-х годах прошлого и начале текущего столетия оставался двигатель с фазным ротором. Необходимость иметь в таких дви­гателях трущиеся контакты! была устранена после изобретения таких конструкций двигателей, в которых после окончания процесса пуска щетки поднимались и кольца замыкались накоротко. Двигатели с фазным ротором были удобны еще и потому, что они позволяли в случае необходимости регулировать скорость при помощи реостатов, хотя при этом терялась значительная мощность.

В конце 90-х годах электромашиностроительные заводы уже выпускали асинхронные электродвигатели в значительном количестве и в большом диапазоне мощностей. Характеристики этих электродвигателей были вполне удовлетворительными (например, асинхронные двигатели фирмы АЕГ мощность [О 5 л. с имели к. п. д. 0,85, a cosφ выше 0,9).

Внедрение асинхронного двигателя сыграло революционизирующую роль в промышленном производстве. Паровая машина отступала, сохраняя за собой функции первичного двигателя. Функции вторичного двигателя закреплялись за электрическим двигателем. Сначала электродвигатели устанавливались для привода отдельных машин и станков большой мощности. Затем в старых цехах промышленных предприятий стали заменять паровую машину, выполнявшую функции центрального двигателя, электродвигателем.

Так возник групповой электропривод, который сохранял многочисленные трансмиссии и подчинял в определенных границах характер работы исполнительного механизма характеру работы центрального приводного электродвигателя. Постепенно практика и имевшие место на ее основе многочисленные научно-технические дискуссии привели к признанию целесообразности одиночного электропривода. Последний вид привода освобождает промышленное предприятие от трансмиссий и, главное, позволяет работать каждому отдельному исполнительному механизму при наивыгоднейших скоростях, а также позволяет ускорить процесс пуска в ход и изменение направления вращения. Одиночный привод оказал существенное влияние и на конструкцию самого исполнительного механизма. Сближение приводного двигателя с исполнительным механизмом иногда получалось настолько тесным, что конструктивно они представляли собой единое целое. К концу 90-х годов преимущества одиночного электропривода были уже в основном выяснены. При этом надо иметь в виду, что одиночный электропривод мог получить широкое развитие только на базе трехфазного тока, когда каждый отдельный электродвигатель не требует для себя особого внимания и ухода.

Ряд примеров может показать, насколько широкое распространение получил асинхронный двигатель для привода самых разнообразных исполнительных механизмов. Асинхронный трехфазный двигатель еще в 90-х годах получил применение в качестве приводного двигателя в подъемных и мостовых кранах. Это его применение было особенно удачным в связи с допустимостью кратковременных перегрузок асинхронного двигателя. На электрифицированных элеваторах (в том числе на Новороссийском и Московском) асинхронные двигатели приводили в действие машины для очистки, ссыпки и транспортировки зерна.

Возможность устройства асинхронного двигателя с закрытым корпусом позволила найти для него ряд новых применений. Так, на пряжекрасильной фабрике в Мытищах электродвигатели приводили центрифуги, работавшие в сыром, насыщенном паром помещении при высокой температуре. На Бакинских нефтепромыслах широко применялся процесс добычи нефти, который назывался «тартание желонками» (подъем нефти из скважин с помощью высоких металлических сосудов — желонок). Для подъема желонок были использованы асинхронные двигатели, так как в таких двигателях нет никакого искрения, столь опасного в насыщенной легко воспламеняющейся парами атмосфере.

На одном из меднопрокатных заводов асинхронный двигатель мощностью 500 л. с. был непосредственно соединен с прокатными валками. Широкое применение асинхронные двигатели нашли и в совершенно иной области — на сахарных заводах: для привода центрифуг двигатель должен был развивать трех- и даже четырехкратный пусковой момент и, кроме того, удовлетворять высоким санитарным требованиям, предъявляющимся к сахарному производству.

К концу 90-х годов электротехнические заводы начали выпускать крупными сериями асинхронные двигатели небольшой мощности для ткацких и прядильных станков. Трехфазные асинхронные двигатели очень быстро стали проникать не только на механические, но и на цементные и кирпичные заводы, на бумажные фабрики, в портовые механизмы, в рудники и копи и т. п. Асинхронный двигатель становился основой промышленного электропривода.[3]

Таким образом, с изобретением трехфазного асинхронного электродвигателя начался все ускорявшийся и усиливавшийся процесс реконструкции промышленности, процесс массовой электрификации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Во последней четверти XIX наблюдался новый подъ­ем развития электротехники. Он был связан с быстрым внедрением в про­мышленность переменного тока. Для развития системы переменного тока, по­зволившего совершить качественный скачок в теории и технике передачи электроэнергии, принципиальное значе­ние имело не только изобретение ге­нератора переменного тока, трансформа­тора, асинхронного электрического дви­гателя, но и теоретические исследова­ния научно-технического характера.[7]

Ведущая роль в развитии электро­технической промышленности во второй половине XIX в. принадлежала Герма­нии, где научно-технический прогресс в данной области был поддержан государ­ством и частным капиталом.

В России научно-технические иссле­дования в области электротехники не получили должного финансового, орга­низационного и материально-техничес­кого обеспечения. Блестящие техничес­кие и теоретические достижения Б. С. Якоби, Э. X. Ленца, П. Л. Шил­линга, В. В. Петрова, П. Н. Яблочкова, Н. Н. Бенардоса, Н. Г. Славянова, А. Н. Лодыгина, М. О. Доливо-Добровольского, А. С. Попова, Д. А. Лачинова и других выдающихся русских электро­техников XIX в., организационные усилия общественности не были под­держаны царским правительством, по­ощрявшим и здесь иностранных пред­принимателей.[7]

Недальновидная научно-техническая политика царизма привела к отставанию промышленной базы электротехники, резко сузила возможности эксперимен­тальных и теоретических исследований, поставила их в зависимость от поставки научных приборов и других технических средств из-за рубежа. Отставание мате­риально-технической базы научно-тех­нических исследований, всей электротех­нической промышленности отрицательно сказалось на экономическом и военно-техническом потенциале России, что осо­бенно ярко проявилось в годы первой мировой войны. Оно было преодолено лишь позднее. . В наследство от царской России наша страна получила несколько электро­станций мощностью всего в 1000 МВт. В 1920 г. по инициативе В. И. Ленина на VIII съезде Советов был принят государственный план электрифика­ции России — план ГОЭЛРО. По этому плану предусматривалось за 10— 15 лет построить 20 тепловых и 10 гид­равлических электростанций мощно­стью 1750 МВт. План ГОЭЛРО был выполнен досрочно, и уже в 1935 г. вместо 30 было введено в строй 40 электростанций, выработка электро­энергии превысила планируемую вдвое.[8]