Потребность в электрических машинах переменного тока
Получение переменного тока никогда не вызывало принципиальных трудностей. Описанный в гл. 4 генератор Р. М. (1832 г.) был, как отмечалось, первым многополюсным синхронным генератором*, н все последующие работы в области электрических машин были направлены на изыскание наилучших конструкций коммутирующих устройств, т.е. на превращение генераторов переменного тока в генераторы постоянного тока.
Так как переменный ток долгое время не находил практического применения, то попытки сконструировать соответствующие генераторы до конца 70-х годов носили эпизодический характер. Обычно такие генераторы представляли собой машины постоянного тока, у которых коллектор заменялся двумя контактными кольцами. Так, в 1863 г. Уайльд разработал в качестве одного из вариантов машины с электромагнитами генератор переменного тока. В нем обмотка электромагнитов питалась от отдельного магнитоэлектрического генератора, укрепленного на ярме основной машины. 8 1867 г. Уайльд построил генератор переменного тока, который не имел отдельного возбудителя.
Наиболее существенный толчок работам в области генераторов переменного тока дала электрическая свеча Яблочкова. Уже в 1878 г. Яблочков совместно с заводом Грамма разработал несколько однотипных конструкции генераторов переменного тока для питания 4, 6, 16 и 20 свечей, Например, в генераторе на 16 свечей кольцевой неподвижный якорь имел секционированную обмотку, секции которой образовывали четыре отдельных цепи по четыре катушки в каждой цепи. На валу машины вращались восемь полюсов, возбуждавшихся постоянным током, Таким образом, на каждый полюс приходилось по две катушки, индуктировавших токи, сдвинутые по фазе друг относительно друга на четверть периода. Катушки соединялись через одну так, чтобы токи в одной цепи совпадали по фазе. От каждой цепи питались четыре свечи. Этот генератор представлял собой двухфазную синхронную машину с электрически не связанными фазами.
|
|
|
Яблочков предложил и другие конструкции генераторов переменного тока, не сыгравшие заметной роли: генератор с возвратно-поступательным движением якоря (1876 г.) и индукторные генераторы (1877 и 1881 гг.).
Рис. 7. Генератор Сименса. 1- возбудитель, 2- катушка ротора, 3- катушка статора
Серьезные трудности на пути совершенствования генераторов переменного тока возникли из-за нагрева сердечников, которые до 80-х годов не шихтовались.
Таким образом, налицо две главные тенденции, определяющие развитие генераторов переменного тока: для увеличения мощности машины увеличивать число катушек якоря (та же тенденция, что и в машинах постоянного тока в 40—50-х годах); а для снижения потерь в сердечниках (и, следовательно, их нагрева) уменьшать объем стали в якоре (некоторые генераторы стали изготовляться с катушками, не имевшими стальных сердечников).
|
|
|
Указанные тенденции можно проиллюстрировать примерами наиболее типичных машин, построенных в 80-х годах.
Так, на рис.7 показан генератор Сименса (1878 г.) с большим чистом катушек на статоре, питаемых от отдельного возбудителя, и катушками без стальных сердечников торе. Катушки ротора последовательно проходили между, парами катушек статора, полярность которых чередовалась. Соединение катушек ротора друг с другом было выполнено таким образом, чтобы ЭДС их складывались. Устранение стальных сердечников, естественно, увеличило магнитное сопротивление в машине, что снижало ее эффективность.
В качестве одной из наиболее крупных для своего времени машин переменного тока можно отметить генератор английского инженера Дж. Гордона (1882 г.).
Один из таких генераторов (рис. 8), установленных в 1885 г. на тепловой электростанции Паддингтон в Англии, был выполнен двухфазным с катушечными обмётками и предназначался так же, как и генератор Яблочкова-Грамма, для раздельного питания различных ламп. Машина имела мощность 115 кВт при напряжении 105 В и массу 18 т; паровой двигатель сообщал ей частоту вращения 146 об/мин. Генератор вырабатывал переменный ток с частотой 40 Гц; возбудитель приходил в движение от отдельной паровой машины.
|
|
|
Рис. 8 Генератор переменного тока
Последний период в развитии генераторов переменного тока начинается в 90-х годах прошлого столетия, после того как возникло производство трехфазных машин с шихтованными сердечниками и барабанными якорями.
Как известно, электрическая машина обратима. С этой точки зрения принципиальных трудностей для построения двигателей переменного тока не было. Уже в 1841 г. Ч. Уитстон построил синхронный электродвигатель, основанный на 8зэимодействии постоянных магнитов и электромагнитов переменного тока.
Из-за отсутствия начального вращающего момента пуск всех однофазных синхронных двигателей был затруднен. Такие электродвигатели нуждались в дополнительных разгонных двигателях и поэтому не могли получить широкого распространения. Как на исторический казус укажем на систему электропривода, применявшуюся в Англии и Франции инженером С. Ц. Ферранти в конце 80-х годов: на вал каждого синхронного электродвигателя был посажен разгонный двигатель внутреннего сгорания или коллекторный двигатель переменного тока, по мере разгона главный двигатель втягивался в синхронизм и далее работал самостоятельно.
|
|
|
В сетях однофазного тока применялись коллекторные двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. При питании этих двигателей переменным током направление основного магнитного потока изменялось одновременно с изменением направления тока в якоре и, следовательно, вращающий момент имел постоянное направление. Венгерские инженеры М. Дери и О. Блати впервые предложили применять такие коллекторные однофазные двигатели в 1885 г. Однако широкого распространения эти двигатели тоже не нашли вследствие чрезмерного нагрева сердечников электромагните вихревыми токами и тяжелых условий коммутации, вызвавших сильное искрение на коллекторе. Эти недостатки частично устранялись применением дополнительных полюсов. Однако они оказались неэффективными в пусковых условиях. Поэтому коллекторный однофазный двигатель нашел весьма ограниченную область применения. В настоящее время он используется главным образом для бытового электрозавода и на электрифицированных железных дорогах однофазного тока.
«Трансформаторные биты»
Восьмидесятые годы прошлого столетия вошли в историю техники под названием периода «трансформаторных битв». Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов » пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками систем постоянного н переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния.
Схематическое изображение будущего трансформатора впервые появилось и 1831 г. в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжении н токов, то есть трансформирования переменного тока. Они демонстрировали индукцию при замыкании н размыкании цени постоянного тока.
В 1836 г. ирландский физик Николас Каллан (1799—1864 гг.) изобрел индукционную катушку. В 1838 г. это изобретение повторил американский изобретатель Чарлз Пендж, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф (1803—1877), именем которого впоследствии стали называть индукционную катушку. Такие катушки предназначались для получение искрового разряда во вторичной цепи при прерывании постоянного тока в первичной цепи. Катушку Румкорфа применил для дистанционного взрывания мин Б. С. Якоби. В последней трети прошлого века индукционные катушки получили широкое применение и системах зажигания двигателей внутреннего сгораний.
П. Н. Яблочков отчетливо понял, роль индукционной катушки как средства электрического разделения цепей переменного тока. Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во многих странах он как бы подчеркивал важность нового предложения. Во французском патенте № 115793 от 30 ноября 1876 г. он писал: «Предметом этого изобретения является распределение токов в целях производства электрического света, позволяющее получить, пользуясь цепью, питаемой одним единственным источником электричества, неопределенное число источников света…» И как бы отмежевываясь от привычных схем индукционных катушек, он указывает: «Если я применяю... электрический источник переменного тока, общее расположение остается неизменным, но прерыватель становится ненужным...»
Система «дробления света» П. Н. Яблочкова широко демонстрировалась два раза: на Парижской международной электрической выставке в 1881 г. и на Второй Петербургской электротехнической выставке в 1882 г* (где всю систему разработал и экспонировал препаратор Московского университета И. Ф. Усагин). Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, а стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки.
В начале 80-х годов становилось все яснее, что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжение ПО В. Радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров. Попытки расширить границы района электроснабжения привели к рождению так называемой трехпроводной системы постоянного тока (110x2=220 В). Но основным направлением развития электроэнергетики уже в 80-х годах становится система переменного тока.
Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения электроэнергии явилась «система распределения электричества для производства света и двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 г. Голя-ром и Гиббсом.
Рис. 9 Трансформатор Голяра и Гиббса
Трансформаторы Голяра и Гиббса предназначались уже не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения, т.е. имели коэффициент трансформации, отличный от единицы. Общий вид «вторичного генератора» (как его называли) изображен на рис. 9. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек 1, первичные обмотки которых соединялись последовательно. Вторичные обмотки катушек были секционированы и каждая секция "мела два вывода для подключения приемников. Заслуживают внимания выдвижные сердечники 2 катушек, с помощью которых регулировалось напряжение на вторичных обмотках. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 г. устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а в 1884 г. — в Турине (Италия).
В системах дугового освещения, как правило, регулировался ток в цепи последовательно включенных потребителей. Но после изобретения лампы накаливания и других приемников, для которых важно поддерживать постоянное напряжение, более целесообразным стало их параллельно включение. Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитный сердечник, их первичные обмотки включаются параллельно. Но для схемы «дробления» энергии, предложенной Яблочковым, трансформаторы с разомкнутым сердечником вполне удовлетворяли техническим требованиям, при последовательном соединении первичных обмоток включение и выключение одних потребителей не оказывало существенного влияния на режим работы других. При параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутыми сердечниками становилось технически не оправданным. Поэтому понятно стремление сконструировать трансформаторы с замкнутой магнитной системой, которые обладают значительно лучшими характеристиками (меньший намагничивающий ток, а следовательно, меньшие потеря и больший к.п.д.). Первые трансформаторы с замкнутым сердечником (рис. 10) были розданы в Англии 1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Сердечник этого трансформатора был набран из стальных полос или проводок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помешались, чередуясь, катушки высшего 2 и низшего 3 напряжений.
Рис. 10. Схема трансформатора Гопкинсонов
Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но более всесторонне этот способ соединения был обоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885 г. получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения. Независимо от него аналогичный патент в Англии получил С. Ц. Ферранти. Таковы предпосылки применения трансформаторов с замкнутым сердечником.
Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 г.
венгерскими электротехниками М. Дери (1854—1934 гг.), О. Блати (1860-1938 гг.) " К. Циперновским (1853—1942 гг.), впервые предложившими и сам термин «транс-Форматор». В патентной заявке они отмечали важное значение замкнутого шихтованного сердечника, в особенности для мощных силовых трансформаторов. На рис. 11 изображены первые образцы кольцевого и броневого трансформаторов, а также общий вид серийного трансформатора системы Блати, Дери и Циперновского, выпускавшихся электромашиностроительным заводом в Будапеште фирмы «Ганц и К0 ». Эти трансформаторы содержали все основные элементы современных однофазных конструкций.
Рис. 11. Первые типы трансформаторов венгерских инженеров. 1- кольцевой; 2- броневой; 3 серийный трансформатор Будапештской фирмы «Ганц и К0»
Венгерские инженеры нашли оптимальные соотношения между расходом меди и стали в трансформаторах и обеспечили своей продукции широкий сбыт на мировом электротехническом рынке, В частности, эта фирма осуществила в 1887 г. одну из первых в России установок переменного тока для освещения оперного театра в Одессе.
На территории завода «Ганц и К0», где сто лет назад создавали первый трансформатор, сегодня разместились корпуса завода «Ганц Моваг», выпускающего электропоезда и сложное электрооборудование для энергетики. На заводе есть музей, в котором главное место отведено истории создания трансформатора.
В 1885 г. фирмой «Вестингауз» был построен первый автотрансформатор, который предложил У. Стенли. В конце 80-х годов Д. Свинбсрн предложил масляное охлаждение трансформаторов.Первые системы электроснабжения переменным током рождались в условиях ожесточенной конкурентной борьбы электротехнических фирм, причем эта борьба нередко принимала уродливые формы. За спорящими учеными стояли крупные фирмы. Так, непримиримым борцом против переменного тока в 80-х годах выступил знаменитый Эдисон. А инженер фирмы Эдисона Г. Браун, стремясь заполучить заказ на новый вид продукции, в пылу полемики вызвал публично соперника из фирмы «Вестингауз» на дуэль на электрических стульях. Исход дуэли должен был решить, какой же стул делать: на постоянном или на переменном токе.
Острота и горький привкус борьбы эпохи трансформаторных битв звучат в следующих словах нашего физика А. Г. Столетова, опубликованных в его сообщении в журнале «Электричество (1889, №13—14): «Невольно вспоминается та травля, которой подвергались трансформаторы в нашем отечестве, по поводу и давнего проекта фирмы «Ганц и К0» осветить часть Москвы. И ученых докладах и в газетных статьях система обличалась, как нечто еретическое, ненациональное и безусловно гибельное; доказывалось, что трансформаторы начисто запрещены во всех порядочных государствах Запада и используются разве в какой-нибудь Италии, падкой на дешевизну. Защитники «национальности в электричестве» забывали, что первую идею о трансформации тока в технике сами иностранцы приписывают Яблочкову..., что на Всероссийской выставке 1882 года в Москве ранее Голларда, Гиббса и др., весьма определенно демонстрировал г. Усагин, за что награжден медалью».
Дата добавления: 2019-09-08; просмотров: 331; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!