Дальнейшее развитие 

                    электрических машин

До  70-х годов энергетическая техника характеризовалась преимущественным применением паровой машины. Электрическое освещение – первые массовое энергетическое применение электрической энергии – сыграло исключительно важную роль в становлении электроэнергетики и превращение электротехники, и превращение электротехники в самостоятельную отрасль техники.

    Изобретение электрической свечи способствовало внедрению

в практику переменного тока. В течении всего предшествующего периода электрическая техника базировалась на постоянном токе (телеграфия, гальванотехника, минное дело).

Яблочков установил, что для питания свечи лучше применять переменный ток,  в этом случае при электродах одинакового диаметра получалось  вполне устойчивая дуга.

Значительному развитию электротехники способствовала также и разработка Яблочковым несколько весьма эффективных систем «дробления электрической энергии», обеспечивавших возможность включая цепь, питаемую одним генератором, нескольких дуговых ламп.   

Среди способов «дробления», предложенных Яблочковым, два получили практическое применение: секционирование обмотки якоря генератора (в результате получилось несколько независимых цепей, в которые включались свечи) и применение индукционных катушек. Первичные обмотки катушек включались последовательно в цепь, а во вторичную обмотку в зависимости от ее  параметров могли подключаться одна, две и более свечей. Яблочков впервые использует индукционную катушку в качестве трансформатора с разомкнутым сердечником. Схема интересна и тем, что в ней впервые получила свое оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель – генератор – линия передачи – трансформатор-приемник.

В 1882 г. во время Московской промышленной выставки лаборант Московского университета И.Ф. Усагин продемонстрировал устройство, показавшее, что предложенный П.Н. Яблочковым способ распределения энергии при помощи индукционных катушек можно успешно применять для одновременного питания любого типа электрических приемников. Усагин воспользовался индукционными катушками с разомкнутой магнитной системой. В данной схеме первичные обмотки семи катушек включались последовательно в цепь однофазного переменного тока, а во вторичную обмотку включались приемники: электродвигатель, проволочная нагревательная спираль, дуговая лампа с регулятором, электрические свечи Яблочкова. Все эти приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу.

Заслуга Усагина и заключается в том, что он убедительно показал универсальность переменного тока и безопасность его использования.

Новым шагом в развитие трансформаторостроения явилось создание промышленного типа трансформаторов с замкнутой магнитной системой, а также параллельное включение трансформаторов. Первая конструкция трансформаторов с замкнутым сердечником была создана в Англии в 1884 г. братьями Джоном и Эдуардом Гонкинсон. Сердечник этого трансформатора был  набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжений.                

  Возникновение многофазных систем.

Начало современного этапа развития электротехники относится к 90-ым годам прошлого столетия, когда была решена комплексная энергетическая проблема, соединявшая в себе технические основы электропередачи и электромеханики. 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 явлении вращающего магнитного поля.

Ранее упоминался опыт Араго, 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 Араго, 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 обмотке электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней изменялась в определенной последовательности так что  через каждые 8 переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление в пространстве на 360⁰. Над полосами электромагнитов, как и в опытах Араго, был подвижен медный диск. Прибор Бейли не нашел никакого применения. Тем не менее, он был некоторым связующим звеном между опытом Араго и более поздними исследователями.

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

 Феррарис и Тесла показали, что  если две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу, питать двумя переменными синусоидными токами, отличающимися друг от друга только на фан, и если этот фазовый сдвиг составляет 90⁰, то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей катушек  получает равномерное вращательное поле, 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.

На рисунке представлен внешний вид модели двухфазного двигателя Феррариса, хранящейся в Национальном институте электротехники в Турили (Италия). Достаточно подвести к парам взаимно перпендикулярных катушек два тока, отличающихся по фан на 90⁰, как между полюсами катушек возникают вращающиеся магнитное поле и медный цилиндр начнет вращаться. Двигатель развивал мощность около 8 Вт. Но как получить два тока отличающихся по фазе на 90⁰ или по крайней мере на угол, ближний к 90⁰?

В свое теоретическом исследовании Феррарис предположил, что электрический двигатель так же, как это принято в технике передачи, не при максимальном КПД, а при максимальной полезной мощности. Простые математические преобразования показывали, что такому условию удовлетворяет двигатель, ротор которого имеет скольжение 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 исследовании свойств вращающего магнитного поля, принципиально не может иметь КПД выше 50%. Естественно, столь низкий КПД не мог удовлетворять электротехников-практиков, и интерес к работам Феррариса заметно ослабел. Так ошибочное начальное условие в теоретическом   на некоторое время задержало развитие прогрессивной по своему существу технической идеи.

  Трехфазная система.

В то время как Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработанная более совершенная электрическая система – трехфазная. Изучение документальных материалов показывает, что в 1887 – 1889 гг. многофазные системы разрабатывались с большим или меньшим успехом несколькими учеными и инженерами.

Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился М.О. Долтво-Добровольский, который сумел придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником трехфазной техники.

Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский, тогда еще молодой инженер, познакомившись с содержанием доклада Феррариса, не согласился с его выводом о практической непригодности индукционного электродвигателя. Еще до этого Доливо-Добровольский заметил, что если замкнуть на коротко обмотку якоря двигателя постоянного тока при его торможении, то возникает тормозящий момент большой величины.

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 вращающий момент.

Первым важным шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретние ротора  с обмоткой в виде беличьей клетки. С точки зрения уменьшения сопротивления обмотки ротора лучшим конструктивным решением мог бы быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигатель Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного потока статора, и КПД такого двигателя был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный ток резко возрастает, но вместе с тем электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди, и поэтому КПД опять не может высоким. Выход из этого противоречия  состоял в том, чтобы выполнить ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало магнитное сопротивление ротора). На лобовых частях ротора  эти стержни должны быть хорошо электрически соединены друг с другом .

Важнейшим этапом в трудах Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной сиситкмы трехфазной. Но каким образом проще всего получить трехфазную систему? В середине 80-х годов были построены первые вращающиеся одноякорные преобразователи. Эти преобразователи очень просто получались из обычной машины постоянного тока: от двух диаметрально противоположных точек обмотки якоря двухполюсной машины делались отпайки, которые выводились на контактные кольца. В этом случае к коллектору машины подводился постоянный ток, а с колец снимался переменный ток. Если в этом же якоре машины постоянного тока сделать отпайки от  четырех равноотстающих точек, то на четырех соответственно кольцах легко получить двухфазную систему токов.

Доливо-Добровольский в результате исследования  схем обмоток сделал ответвления от трех равноотстоящих точек якоря машин постоянного тока. Таким образом были получены токи с разностью фаз 120⁰. Сохранив в этой машине коллектор можно использовать в качестве одноякорного преобразователя.

Таким путем была найдена связанная трехфазная система, которая отличается той особенностью, что она требует для передачи и распределения энергии только три провода.

Трехфазная система не получилась бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она не решила проблемы передачи энергии на расстояние. Но электропередача выгодна при высоком напряжении, которое в случаи переменного тока получается при помощи трансформатора. Трехфазная система не представляла принципиальных затруднений  для трансформирования энергии, но требовало трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих аппаратов не могло не вызвать стремление 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.