9.3. Электродвигатели переменного тока

Поскольку направление вращения электродвигателя не зависит от направления доставляемого ему тока, то каждый электродвигатель можно приводить в движение и переменным током. Однако в этом случае значительно уменьшается его мощность. Причина этого заключается в том, что переменный ток, проходя по обмотке электромагнитов, создает в сплошных сердечниках так называемые токи Фуко, на образование которых уходит значительная часть доставляемой к двигателю электрической энергии. Кроме того, у двигателей постоянного тока энергия возбуждения электромагнитов расходуется только один раз в начале действия, после чего намагничивание сердечников остается неизменным. В двигателе же переменного тока сердечники перемагничиваются при каждой перемене направления тока, на что затрачивается часть энергии. Уменьшить потери от токов Фуко пытались, делая сердечник не сплошным, а состоящим из отдельных изолированных друг от друга металлических полос. Однако это не дало приемлемого результата, а практическое применение поначалу получили лишь синхронные двигатели переменного тока.

Особенность действия первых синхронных электродвигателей переменного тока состояла в том, что для поддержания вращения двигателя ему предварительно необходимо сообщить определенный вращательный момент, величина которого определялась частотой переменного тока. После этого переменный ток будет поддерживать частоту вращения двигателя, синхронную с частотой переменного тока. Если после этого придать двигателю тормозной момент, то в зависимости от величины этого момента вращение может либо восстановиться, либо постепенно затухнуть. Именно такой синхронный двигатель переменного тока «Ганца и К о» приведен на рис. 9.24.

Он состоит из кольцеобразного многополюсного магнита с изменяющимися под действием переменного тока полярностями, а также расположенного на оси вращающегося звездообразного электромагнита. Для возбуждения этого подвижного электромагнита рабочий переменный ток двигателя преобразуется в постоянный с помощью расположенного на оси специального коммутатора с токосъемными угольными щетками. В момент начального пуска такой двигатель приходит в действие как двигатель постоянного тока. И лишь при достижении им скорости, соответствующей синхронному ходу, начинает работать как синхронный двигатель переменного тока. Такая конструкция обеспечивала, по данным фирмы «Ганца и К о», коэффициент полезного действия до 80%, чего двигатели постоянного тока не достигали даже приблизительно. Кроме того, двигатель «Ганца и К о» не изменял своей скорости вращения при перемене нагрузки на валу, изменялась лишь величина потребляемого тока.

Рис. 9.24. Синхронный двигатель переменного тока «Ганца и Ко»

Тем не менее, таким синхронным двигателям переменного тока присущ тот недостаток, что синхронность хода должна быть установлена до принятия нагрузки, после чего двигатель готов начать работу. При значительных перегрузках синхронность хода нарушалась, вплоть до полной остановки двигателя, что весьма ограничивало область его применения.

В 1870 г. была разработана конструкция асинхронных двигателей переменного тока, лишенных вышеуказанного недостатка. Появление такого двигателя, еще называемого индукционным, позволило при наличии систем распределения и трансформации переменного тока необыкновенно расширить сферу практического применения электрической энергии. В очень упрощенном виде принцип действия индукционных двигателей переменного тока основан на эффекте возникновения вращающегося магнитного поля, получаемого от действия двух переменных токов, сдвинутых по фазе на 1/4 часть периода (рис. 9.25).

К открытию эффекта вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга итальянский ученый Галилео Феррарис и сербский ученый и изобретатель Николо Тесла. Способ получения вращающегося магнитного поля Феррарис нашел в 1885 году, а впервые сообщил о своем открытии в докладе Туринской академии наук в марте 1888 года. Двумя месяцами позже, в мае того же года, с изложением существа своих открытий в Американском институте инженеров-электриков выступил Тесла, хотя идея бесколлекторного электродвигателя переменного тока у него появилась ещё в 1882 году.

Николо Тесла (1856–1943) родился 10 июля 1856 года в селе Смиляны (ранее Австро-Венгрия, теперь Хорватия). В 1878 году окончил Политехнический институт в Граце и в 1880 году – Пражский университет. Работал инженером в Будапеште и Париже. Уехав в 1884 году в Нью-Йорк, Тесла организовал лабораторию и в 1888 году, исходя из принципа вращающегося магнитного поля, построил двухфазные генератор и электродвигатель переменного тока. В 1891 году сконструировал резонансный трансформатор трансформатор Тесла), позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения, и первым указал на физиологическое воздействие токов высокой частоты. Он исследовал возможность беспроволочной передачи сигналов и энергии на значительные расстояния. В 1899 году публично продемонстрировал лампы и двигатели, работающие на высокочастотном токе без проводов. Построил радиостанцию в Колорадо и радиоантенну в Лонг-Айленде. Именем Теслы названа единица измерения плотности магнитного потока (магнитной индукции). 

Рис. 9.25. Эффект возникновения вращающегося магнитного поля от действия двух переменных токов, сдвинутых по фазе на 1/4 часть периода

Замечательным свойством двухфазных электрических машин (рис. 9.26) является возможность сообщить движение якорю без непосредственного подвода к нему переменного тока. Тем самым исчезает потребность в использовании скользящих контактов, коммутатора или коллектора. Фирма «Вестингауз», где работал Тесла, построила несколько станций по его системе. Наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлектростанция, построенная в 1896 году, где были установлены такого рода двухфазные машины переменного тока. Однако экономические и технические трудности использования двухфазной системы привели через некоторое время к полной ее замене на трехфазную.

Недостатком электродвигателей Тесла было то, что они имели большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины. Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Встретившиеся экономические и технические трудности задерживали внедрение двухфазной системы в практику.

Рис. 9.26. Асинхронный электродвигатель переменного тока конструкции Тесла

Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862–1919), блестяще окончив курс Одесского реального училища, в 1880 году становится студентом Рижского политехнического института, решив посвятить себя деятельности инженера-механика. За участие в политических выступлениях студентов в марте 1881 года он был исключен из института без права поступления в какое-либо русское высшее учебное заведение. Электротехникой М.О. Доливо-Добровольский заинтересовался ещё в Рижском политехническом институте и при решении вопроса о продолжении своего обучения за пределами России он остановился на Дармштадтском высшем техническом училище. С осени 1881 г. по 1884 г. М.О. Доливо-Добровольский учился на машиностроительном факультете в Дармштадте, специально изучая электротехнику. Уже в ранних студенческих работах проявились выдающиеся инженерные способности ДоливоДобровольского. Он в совершенстве изучил постоянный ток и его применение и на последнем курсе в Дармштадте впервые предложил пусковую схему для шунтового двигателя постоянного тока, что оказало непосредственное и сильное влияние на развитие электрического привода на постоянном токе. В 1884 году, окончив с отличными оценками Дармштадтское высшее техническое училище, он поступил на работу конструктором на заводы электротехнической компании Т. Эдисона (впоследствии фирма AEG; с 1909 г. – директор этой фирмы). В 1887–1888 годах работал над усовершенствованием электромагнитных амперметров и вольтметров для измерения постоянного и переменного токов. Для различного рода измерительных приборов удачно применил принцип двигателя с вращающимся магнитным полем, создал приборы для устранения в телефонах помех от электрических сетей сильных токов, изобрел способ деления напряжения постоянного тока, основанный на применении неподвижной катушки индуктивности, которую назвал делителем напряжения. Последние годы своей жизни М.О. Доливо-Добровольский был занят мыслью о передаче энергии на большие расстояния. Свои взгляды по этому вопросу он изложил в обстоятельном докладе «О пределах возможности передачи энергии на расстояние переменным током». Смерть М.О. Доливо-Добровольского 15 ноября 1919 года прервала его работы в самом разгаре.

Рис. 9.27. Двигатель трехфазного переменного тока мощностью в 100 л.с. конструкции Доливо-Добровольского

Рис. 9.28. Отделение электродвигателей переменного тока на заводе Шуккерта в Нюрнберге

Более совершенной электрической системой оказалась трехфазная. Наибольшая заслуга среди ученых и инженеров разных стран (немец Ф. Хазельвандер, француз М. Депре, американец Ч. Бредли) принадлежит русскому электротехнику Михаилу Осиповичу ДоливоДобровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные асинхронные двигатели, трансформаторы, разработавшему четырехи трехпроводную цепи. Его по праву считают основоположником трехфазных систем.

Доливо-Добровольский усовершенствовал двигатель Тесла, используя три сдвинутых по фазе переменных тока вместо двух. В 1888 году он построил первый трехфазный генератор переменного тока мощностью около 3 кВт, от которого привел в действие свой первый трехфазный двигатель со статором в виде кольца Грамма и ротором в виде сплошного медного цилиндра. Дальнейшие работы привели его к построению асинхронного трехфазного двигателя с ротором из литого железа с насаженным полым медным цилиндром. В 1889 году конструкция асинхронного электродвигателя была значительно улучшена применением ротора типа «беличьего колеса». Опытная установка такой машины поражала всех электротехников своими небольшими размерами при заданной мощности трехфазного электродвигателя. На рис. 9.27 показан двигатель трехфазного переменного тока мощностью в 100 л.с. конструкции ДоливоДобровольского.

Одновременно М.О. Доливо-Добровольский исследовал соединения звездой и треугольником, экспериментировал с токами различных напряжений и с машинами, имеющими разное число пар полюсов, разработал все элементы трехфазных цепей переменного тока: трансформаторы трехфазного тока (1890), пусковые реостаты, измерительные приборы, схемы включения генераторов и двигателей звездой и треугольником.

На рис. 9.28 приведен общий вид цеха по производству электродвигателей переменного тока на заводе Шуккерта в Нюрнберге. С изобретением трехфазной системы переменного тока такие электродвигатели в дальнейшем получили массовое распространение во всем мире.