5.7 Возникновение многофазных систем

Начало современного этапа развития электротехники относится к последнему десятилетию ХIХ века. Именно в эти годы были радикально решены проблемы дальней электропередачи и электропривода переменного тока. В основе этих решений лежит использование многофазных систем. Практическое сравнение различных вариантов выявило убедительные преимущества трехфазной системы.

Выше был описан опыт Араго с вращающимся диском. Ведь почти сто лет прошло, как он был известен специалистам, а заложенная в него идея оказалась востребованной только к концу ХIХ столетия.

Только в 1879 году англичанин У. Бейли повторил опыт Араго, но только не с вращением магнитов, а путем поочередного намагничивания расположенных по кругу электромагнитов. Опыт показал, что при бесконечно большом количестве электромагнитов можно добиться равномерного вращения диска. Так впервые вращающееся магнитное поле было получено путем специального питания совокупности смещенных в пространстве электромагнитов.

Однако, история приписывает приоритет открытия вращающегося магнитного поля итальянцу Г. Феррарису и американцу югославского происхождения Н. Тесла. Они оба сделали сообщение о своем открытии в 1888 году независимо друг от друга.

Феррарис и Тесла показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу, питать синусоидальными токами со сдвигом по фазе на 90⁰, то создаваемое ими результирующее магнитное поле будет вращаться. При этом максимум индукции этого поля будет оставаться неизменным.

Медный цилиндр, помещенный во вращающееся магнитное поле, приходит во вращательное движение. Таким образом, родился первый асинхронный электродвигатель. Поскольку источники переменного тока в это время были все еще однофазными, то запуск первого асинхронного двигателя достигался с помощью включения в цепь одной из обмоток фазосдвигающих элементов (активного сопротивления или конденсатора).

Позже Н.Тесла удалось найти более эффективное решение. Для питания своего электродвигателя он изобрел генератор двухфазного тока.

Однако, несмотря на все свои находки, Н.Тесла не удалось создать двигатель, который вызвал бы интерес у потребителя. Двигатели имели очень низкий КПД. Причины, как потом выяснилось, крылись в неправильной (массивной) конструкции ротора, низкой магнитной проводимости системы, далекой от идеальной формой распределения магнитного поля вдоль заряда.

Лучше всех недостатки двухфазной системы и двигателя Н.Тесла разглядел М.О. Доливо-Добровольский. Он по праву считается основоположником трехфазной системы токов и изобретателем современного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутой роторной обмоткой.

Первым важным шагом Доливо-Добровольского было изобретение ротора с обмоткой в виде «беличьей клетки». Активные стержни беличьей клетки были уложены в пазы роторного магнитопровода. КПД такого двигателя возрос в 1,5÷2 раза. Резко возросла его мощность. Двигатель стал конкурентоспособным с применявшимися тогда коллекторными двигателями постоянного и переменного тока. Но он обладал решающим преимуществом - был бесконтактным.

Вторым историческим решением Доливо-Добровольского явилась замена двухфазной системы токов на трехфазную. С одной стороны, увеличение числа фаз, как считал изобретатель, улучшало распределение магнитного поля по окружности, что повышало использование объема машины. Он отказался от выступающих полюсов на статоре и обмотку выполнил распределенной по внутренней цилиндрической поверхности статора. Применение на статоре барабанной обмотки придало этому двигателю вполне современный вид.

Доливо-Добровольский изобрел и асинхронный двигатель с так называемым «фазным» ротором, что позволяло широко регулировать его пусковые и динамические характеристики.

В 1889 году Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор. Современный вид такой трансформатор приобрел уже в 1891 году.

Одновременно им же были разработаны трех- и четырех-проводная системы передачи трехфазного тока на расстояние. Доливо-Добровольский доказал, что именно трехфазная система переменного тока является наиболее удобной для передачи энергии на значительные расстояния. Трехфазный асинхронный двигатель стал главным потребителем этой энергии.

Таким образом, в течение 2-3-х лет были разработаны все основные элементы трехфазной системы электроснабжения: трансформатор, линии электропередачи, электродвигатель.

Генеральным испытанием трехфазной системы явилась в 1891 году экспериментальная электропередача Лауфен – Франкфурт (Германия). Этот эксперимент был приурочен к Международной электротехнической выставке и конгрессу Электротехников. Длина ЛЭП была 170 км. Энергоблок, вырабатывавший электрическую энергию, имел мощность около 300 л.с. Нагрузкой служили асинхронные электродвигатели мощностью 75 квт и 1000 ламп накаливания.

Электропередача и работа всех электроустановок продемонстрировали решающие преимущества трехфазной системы токов и асинхронных электродвигателей. Сегодня все энергосистемы мира работают на трехфазном токе, а количество асинхронных двигателей так велико, что они потребляют около 60% всей вырабатываемой электроэнергии.