М.О.Доливо-Добровольский как электротехник

   Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский прочел доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле и был крайне удивлен его выводом о практическом 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, – вспоминал позднее Доливо-Добровольский, – что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить в него такой короткозамкнутый якорь малого сопротивления, то этот якорь 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 нецелесообразности изготовления обмотки ротора с таким большим сопротивлением, при котором ротор имел бы скольжение около 50 %. В стержнях обмотки малого сопротивления при небольшом скольжении возникнут токи, которые в достаточно сильном поле статора создадут значительный врашаюший момент.

   Усиленная деятельность  в этом направлении в необычайно  короткий срок привела к разработке  трехфазной электрической системы  и совершенной, в принципе не  изменившейся до 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 цилиндра, 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 с 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

Стр.8

просверленные по периферии  последней каналы закладывать медные

стержни (что уменьшает  электрическое сопротивление ротора).

    На лобовых частях   ротора   эти стержни   должны  быть хорошо электрически соединены  друг с другом.

Стр.9

    На рис.1. представлены    чертежи    из    первого  патента Доливо-Добровольского в области трехфазной системы. Этим патентом    Доливо-Добровольский закрепил за собой изобретение ротора с беличьей   клеткой,  то  есть той конструкции ротора     асинхронного двигателя, которая принципиально сохранилась в том же виде и до настоящего времени.

  Системе трех «сопряженных»  токов Доливо-Добровольский дал специальное наименование «Drehstrorm», что в переводе на русский язык означает «вращающий ток». Указанный термин, хорошо характеризующий способность образовывать вращающееся 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.

   Поражает конструктивная  законченность первых асинхронных  электродвигателей Доливо-Добровольского. Стержни «беличьей Клетки» он предлагает делать неизолированными, сердечник ротора — массивным или шихтованным, стержни по торцам он соединил короткозамыкающими кольцами, для статора впервые ввел полузакрытые пазы. Вот как описывал изобретатель впечатление от первого двигателя: «Уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представителей того времени действие. Электродвигатель, ротор которого имел диаметр около 75 мм и длину также около 75 мм и не обладал никакими особыми присоединениями к сети, мгновенно стал вращаться на полное число оборотов и был совершенно бесшумным. Попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась, и только при особой ловкости было возможно воспрепятствовать таким способом его запуску при включении. Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашённых свидетелей».

    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

Стр.10

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 современные конструктивные формы. Вскоре Доливо-Добровольским было внесено еще одно усовершенствование, кольцевая 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 электротехниками как  недостаток по сравнению с  короткозамкнутым ротором, не  имевшим никаких трущихся контактов.  Однако с этим недостатком  пришлось мириться, и, несмотря  на то, что впоследствии были разработаны различные меры по улучшению условий пуска крупных асинхронных двигателем 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

стр.11

своего существования.

   В 1917 г. Доливо-Добровольский 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 сумели сделать свое открытие жизнеспособным и на основании 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 не решила проблемы  передачи энергии на 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 не могло  не вызвать стремления найти  более удовлетворительное решение.

   В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Вначале это был трансформатор с радиальным расположением сердечников. Его 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 напряжениие в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-

стр.12

Добровольский разработал в 1890г. четырехпроводную схему 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 Доливо-Добровольский предложил использовать изобретенный им трехфазный автотрансформатор.

   Изучение истории  техники трехфазных цепей показывает, что решающую роль в ее зарождении  и развитии сыграли труды М.  О. Доливо-Добровольского. Он не 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. Действительно, Доливо-Добровольский начал свою инженерную и научную деятельность в тот период, когда развивавшиеся производительные силы общества ставили перед электротехникой все новые и более ответственные задачи. 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 Гейдельберге Михаил Осипович скончался.

Стр.13

3. Первая трехфазная линия электропередач.

            Рождения электрификации вполне  можно считать 1891 г., когда состоялось  генеральное испытание трехфазной  системы на Международной электротехнической  выставке во Франкфурте-на-Майне.

   Поводом к организации  этой выставки явились затруднения  обербургомистра Франкфурта в выборе рода тока для центральной электростанции города. Вопрос «постоянный или переменный ток?» являлся предметом научных дискуссий в течение 80-х годов прошлого столетия. Авторитетная международная комиссия, созданная по просьбе обербургомистра, тоже не пришла к соглашению и не смогла дать определенных рекомендаций. Поэтому было решено организовать международную электротехническую выставку и дать возможность всем желающим лицам и фирмам продемонстрировать свои предложения и технические возможности. Была организована международная испытательная комиссия под председательством немецкого ученого Германа Гельмгольца. В число членов комиссии входил русский инженер Р. Э. Классон. Предполагалось, что комиссия проведет испытания всех предложенных систем и даст ответ на вопрос о выборе рода тока и перспективной системы электроснабжения.

  Организаторы Франкфуртской выставки по инициативе видно-го немецкого электротехника О. фон Миллера предложили фирме АЭГ, в которой в то время работал Долнво-Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на р. Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние между этими двумя пунктами составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина, дававшая полезную мощность около 300 л.с.

До этого времени дальность  электропередачи, не считая нескольких опытных установок, не превышала 15 км, и некоторые компетентные специалисты  полагали, что кпд установки может  оказаться ниже 50 %.

   Правление фирмы  АЭГ согласилось осуществить  электропередачу, и Доливо-Добровольскому предстояло в течение года (!) спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и трехфазные трансформаторы мощностью 100–150 кВА. Изготовление генератора было поручено главному инженеру швейцарского завода «Эрликон» Ч. Броуну, который сотрудничал с Доливо-Добровольским в области конструирования многофазных машин. Срок был чрезвычайно коротким, а задачи весьма ответственными: во-первых, новая система тока должна была подвергнуться испытанию перед лицом представителей всего мира; во-вторых, масштабы испытания были невиданными. Двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились. Об

Стр.14

опытных конструкциях не могло быть и речи. Доливо-Добровольский писал по поводу возникшей задачи: "Если я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и подвергнуть его недоверию, которое вряд ли удалось бы 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 применения однофазного тока".