Возникает 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. Этот генератор внешне был очень похож на машину, ­описанную в гл. 4 (см. рис. 4.17), и отличался от нее лишь тем, что вместо коллектора, состоявшегося из двух пластин, имел два контактных кольца, Обмотка электромагнитов питалась от отдельного магнито­электрического генератора, укрепленного на ярме основной маши­ны. 8 1867 г. Уайльд построил генератор переменного тока, который ис 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.).

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. 5.7 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 катущек 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. 5.8), 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.

Последний период в развитии генераторов переменного тока начинается в 90-х годах прошлого столетия, после того как возникло производство трехфазных машин с шихтованными сердеч- ццкзми и барабанными якорями.

Как известно, электрическая машина обратима. С этой _т0чки зрения принципиальных трудностей для построения ^лгзтелей переменного тока не было. Уже в 1841 г. Ч. Уит- _ст0н 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. Од- вако 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.

<< Первая < Предыдущая 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Следующая > Последняя >

«Трансформаторные биты»

Восьмидесятые голы прошлого столетня пошли в историю тек-' никп под названием периода «трансформаторных битв». Такое не­обычное название они получили потому что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов » поль­зу т-ременного тока. А настоящая битва шла между сторонниками систем постоянного н переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с про-блемой '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 постояниного тока.

U 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. Якобп. 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. 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. 5.9. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек 1, пер­ечные 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 кпд). Первые трансформаторы с замкнутым сердечником (рис. 5.10) 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.
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. 5.11 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.
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 тохав 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 терпятся разве в каком-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».