9.3. Електродвигуни змінного струму

Оскільки напрям обертання електродвигуна не залежить від напряму струму, що передається йому, то кожен електродвигун можна приводити в рух і змінним струмом. Проте в цьому випадку значно зменшується його потужність. Причина цього полягає в тому, що змінний струм, проходячи обмоткою електромагнітів, створює в суцільних сердечниках так звані струми Фуко, на утворення яких йде значна частина електричної енергії, що передається до двигуна. Крім того, у двигунів постійного струму енергія збудження електромагнітів витрачається тільки один раз на початку дії, після чого намагнічення сердечників залишається незмінним. У двигуні ж змінного струму сердечники перемагнічуються при кожній зміні напряму струму, на що витрачається частина енергії.

Зменшити втрати від струмів Фуко намагалися, роблячи сердечник не суцільним, а таким, що складається з окремих ізольованих одна від одної металевих смуг. Проте це не дало прийнятного результату, а практичне застосування спочатку одержали лише синхронні двигуни змінного струму.

Особливість дії перших синхронних електродвигунів змінного струму полягала в тому, що для підтримки обертання двигуна йому заздалегідь необхідно надати певний обертальний момент, величина якого визначалася частотою змінного струму. Після цього змінний струм підтримуватиме частоту обертання двигуна, синхронну з частотою змінного струму. Якщо після цього надати двигуну гальмівний момент, то залежно від величини цього моменту обертання може або відновитися, або поступово згаснути. Саме такий синхронний двигун змінного струму «Ганца і К°» наведено на мал. 9.24.

Він складається з кільцеподібного багатополюсного магніта із полярностями, що змінюються під дією змінного струму, а також розташованого на осі зіркоподібного електромагніту, що обертається. Для збудження цього рухомого електромагніту робочий змінний струм двигуна перетворюється в постійний за допомогою розташованого на осі спеціального комутатора зі струмоз’ємними вугільними щітками. У момент початкового пуску такий двигун приходить у дію як двигун постійного струму. І лише при досягненні ним швидкості, відповідної синхронному ходу, починає працювати як синхронний двигун змінного струму. Така конструкція забезпечувала, за даними фірми «Ганца і К°», коефіцієнт корисної дії до 80%, чого двигуни постійного струму не досягали навіть приблизно.

Крім того, двигун «Ганца і К°» не змінював своєї швидкості обертання при зміні навантаження на валу, змінювалася лише величина споживаного струму.

Мал. 9.24. Синхронний двигун змінного струму «Ганца і К°»

Проте таким синхронним двигунам змінного струму властивий той недолік, що синхронність ходу повинна бути встановлена до прийняття навантаження, після чого двигун готовий почати роботу. При значних перевантаженнях синхронність ходу порушувалася аж до повної зупинки двигуна, що вельми обмежувало сферу його застосування.

У 1870 р. була розроблена конструкція асинхронних двигунів змінного струму, позбавлених вищезгаданого недоліку. Поява такого двигуна, ще званого індукційним, дозволила за наявності систем розподілу і трансформації змінного струму надзвичайно розширити сферу практичного застосування електричної енергії.

У дуже спрощеному вигляді принцип дії індукційних двигунів змінного струму заснований на ефекті виникнення магнітного поля, що обертається, яке одержується від дії двох змінних струмів, зсунутих по фазі на 1/4 частину періоду (мал. 9.25). До відкриття ефекту магнітного поля, що обертається, в сучасному його розумінні прийшли незалежно один від одного італійський учений Галілео Ферраріс та сербський учений і винахідник Ніколо Тесла. Спосіб отримання магнітного поля, що обертається, Ферраріс знайшов у 1885 році, а вперше повідомив про своє відкриття в доповіді Туринській академії наук в березні 1888 року. Двома місяцями пізніше, в травні того ж року, з викладом сутності своїх відкриттів в Американському інституті інженерів-електриків виступив Тесла, хоча ідея щодо безколекторного електродвигуна змінного струму у нього з’явилася ще в 1882 році.Мал. 9.25. Ефект виникнення магнітного поля, що обертається, від дії двох змінних струмів, зсунутих по фазі на 1/4 частину періоду

Ніколо Тесла (1856–1943) народився 10 липня 1856 року в селі Сміляни (раніше Австро-Угорщина, тепер Хорватія). У 1878 році закінчив Політехнічний інститут в Граці та в 1880 році – Празький університет. Працював інженером в Будапешті й Парижі. Виїхавши в 1884 році до Нью-Йорку, Тесла організував лабораторію і в 1888 році, виходячи з принципу магнітного поля, що обертається, побудував двофазні генератор і електродвигун змінного струму. У 1891 році сконструював резонансний трансформатор (трансформатор Тесла), що дозволяв одержувати високочастотні коливання напруги, і першим вказав на фізіологічну дію струмів високої частоти. Він досліджував можливість безпроводової передачі сигналів і енергії на значні відстані. У 1899 році публічно продемонстрував лампи і двигуни, що працюють на високочастотному струмі без проводів. Побудував радіостанцію у Колорадо і радіоантену в Лонг-Айленді. Ім’ям Тесла названо одиницю вимірювання густини магнітного потоку (магнітної індукції).

Чудовою властивістю двофазних електричних машин Тесла (мал. 9.26) є можливість надати рух якорю без безпосереднього підведення до нього змінного струму. Тим самим зникає потреба у використанні ковзних контактів, комутатора або колектора. Фірма «Вестінгауз», де працював Тесла, побудувала декілька станцій за його системою. Найбільшою за масштабами була Ніагарська гідроелектростанція, побудована в 1896 році, де були встановлені такого роду двофазні машини змінного струму. Проте економічні та технічні труднощі використання двофазної системи призвели через деякий час до повної її заміни на трифазну.

Недоліком електродвигунів Тесли було те, що вони мали великий магнітний опір і вкрай несприятливий розподіл намагнічувальної сили вздовж повітряного зазору, що призводило до погіршення характеристик машини. Невдалим виявився і вибір двофазної системи струмів з усіх можливих багато фазних систем. Ці економічні та технічні труднощі затримували впровадження двофазної системи в практику.
Мал. 9.26. Асинхронний електродвигун змінного струму конструкції Тесла

Михайло Осипович Доліво-Добровольський (1862–1919), блискуче закінчивши курс Одеського реального училища, в 1880 році стає студентом Ризького політехнічного інституту, вирішивши присвятити себе діяльності інженера-механіка. За участь в політичних виступах студентів у березні 1881 року він був виключений з інституту без права вступу в будь-який російський вищий учбовий заклад. Електротехнікою М.О. Доліво-Добровольський зацікавився ще в Ризькому політехнічному інституті й при вирішенні питання про продовження свого навчання за межами Росії він зупинився на Дармштадтському вищому технічному училищі. З осені 1881 р. по 1884 р. М.О. Доліво-Добровольський вчився на машинобудівному факультеті в Дармштадті, спеціально вивчаючи електротехніку. Вже в ранніх студентських роботах виявилися видатні інженерні здібності Доліво-Добровольського. Він досконало вивчив постійний струм і його застосування і на останньому курсі в Дармштадті вперше запропонував пускову схему для шунтового двигуна постійного струму, що зробило безпосередній і сильний вплив на розвиток електричного приводу на постійному струмі. У 1884 році, закінчивши з відмінними оцінками Дармштадтське вище технічне училище, він поступив на роботу конструктором на заводи електротехнічної компанії Т. Едісона в Німеччині (згодом фірма AEG; з 1909 р. – директор цієї фірми). У 1887–1888 роках працював над удосконаленням електромагнітних амперметрів і вольтметрів для вимірювання постійного і змінного струмів. Для різного роду вимірювальних приладів вдало застосував принцип двигуна з магнітним полем, що обертається, створив прилади для усунення в телефонах перешкод від дії електричних мереж сильних струмів, винайшов спосіб ділення напруги постійного струму, заснований на застосуванні нерухомої котушки індуктивності, яку назвав дільником напруги. Останні роки свого життя М.О. Доліво-Добровольський був зайнятий думками про передачу енергії на великі відстані. Свої погляди з цього питання він виклав в грунтовній доповіді «Про межі можливості передачі енергії на відстань змінним струмом». Смерть М.О. Доліво-Добровольського 15 листопада 1919 року перервала його роботи в самому розпалі.

Мал. 9.27. Двигун трифазного змінного струму потужністю в 100 к.с. конструкції Доліво Добровольського

Мал. 9.28. Відділення електродвигунів змінного струму на заводі Шуккерта в Нюрнберзі

Більш довершеною електричною системою виявилася трифазна. Найбільша заслуга серед учених та інженерів різних країн (німець Ф. Хазельвандер, француз М. Депре, американець Ч. Бредлі) належить електротехніку Михайлу Осиповичу Доліво-Добровольському, який зумів надати своїм роботам практичний характер, створив трифазні асинхронні двигуни, трансформатори, розробив чотирьохта трипровідні електричні кола. Його по праву вважають основоположником трифазних систем.

Доліво-Добровольський удосконалив двигун Тесла, використовуючи три зсунутих по фазі змінних струми замість двох. У 1888 році він побудував перший трифазний генератор змінного струму потужністю близько 3 кВт, від якого привів в дію свій перший трифазний двигун із статором у вигляді кільця Грамма і ротором у вигляді суцільного мідного циліндра. Подальші роботи привели його до побудови асинхронного трифазного двигуна з ротором з литого заліза із насадженим порожнистим мідним циліндром. У 1889 році конструкція асинхронного електродвигуна була значно поліпшена застосуванням ротору типу «білячого колеса». Дослідна установка такої машини вражала всіх електротехніків своїми невеликими розмірами при заданій потужності трифазного електродвигуна.

На мал. 9.27 показано двигун трифазного змінного струму потужністю в 100 к.с. конструкції Доліво-Добровольського. Одночасно М.О. Доліво-Добровольський досліджував електричні з’єднання «зіркою» і «трикутником», експериментував зі струмами різної напруги і з машинами, що мали різну кількість пар полюсів, розробив всі елементи трифазних кіл змінного струму: трансформатори трифазного струму (1890 р.), пускові реостати, вимірювальні прилади, схеми включення генераторів і двигунів «зіркою» і «трикутником».

На мал. 9.28 наведено загальний вигляд цеху з виробництва електродвигунів змінного струму на заводі Шуккерта в Нюрнберзі. З винаходом трифазної системи змінного струму такі електродвигуни надалі набули масового поширення у всьому світі.