История развития электродвигателей
Асинхронный электродвигатель – электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую.
Четырехтактный карбюраторный двигатель внутреннего сгорания.
Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n1. Таким образом ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю. Впервые явление, названное магнетизмом вращения, продемонстрировал французский физик Д. Ф. Арагон (1824). Он показал, что укрепленный на вертикальной оси медный диск начинает вращаться, если вращать над ним постоянный магнит. Спустя 55 лет, 28 июня 1879, английский ученый У. Бейли получил вращение магнитного поля поочередным подключением обмоток 4 стержневых электромагнитов к источнику постоянного тока. В работах М. Депре (Франция, 1880—1883), И. Томсона (США, 1887) и др. описываются устройства, основанные также на свойствах вращающегося магнитного поля. Однако строгое научное изложение сущности этого явления впервые практически одновременно и независимо друг от друга было дано в 1888 г. итальянским физиком Г. Феррарисом и хорватским инженером и ученым Н. Тесла.
Схема включения асинхронного электродвигателя с фазным ротором: 1 – обмотка статора, 2 – обмотка ротора, 3 – контактные кольца, 4 – щетки, R – резисторы.
Двухфазный асинхронный электродвигатель был изобретен Н. Тесла в 1887 г. (английский патент № 6481), публичное сообщение об этом изобретении он сделал в 1888 г. Распространение этот тип асинхронного двигателя не получил в основном из-за плохих пусковых характеристик. В 1889 г. М. О. Доливо-Добровольский испытал сконструированный им первый в мире трехфазный асинхронный двигатель, в котором применил ротор типа «беличье колесо» (германский патент № 51083), а обмотку статора разместил в пазах по всей окружности статора. В 1890 г. Доливо-Добровольский изобрел фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами (патенты английский № 20425 и германский № 75361). Через 2 года им же была предложена конструкция ротора, названная «двойной беличьей клеткой», которую, однако, стали широко применять только с 1898 г. благодаря работам французского инженера П. Бушеро, представившего асинхронный электродвигатель с таким ротором, как двигатель со специальными пусковыми характеристиками. Благодаря своей простоте устройства, надежности в эксплуатации двигатели такого типа являются самыми распространенными электрическими машинами в мире. Фазные обмотки статора электродвигателя соединяются в звезду или треугольник (в зависимости от напряжения сети). Если в паспорте электродвигателя указано, что обмотки выполнены на напряжение 220/380 В, то при включении его в сеть с линейным напряжением 220 В обмотки соединяют в треугольник, а при включении в сеть 380 В – в звезду.
Схемы соединения обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя.
Схемы соединения обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя: а – в звезду, б – в треугольник, в – в звезду и треугольник на клеммном щитке электродвигателя. Схема включения асинхронного электродвигателя с фазным ротором: 1 – обмотка статора, 2 – обмотка ротора, 3 – контактные кольца, 4 – щетки, R – резисторы. Для изменения направления вращения вала асинхронного двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Для этого достаточно поменять местами два любых провода, соединяющих обмотку статора с питающей сетью.
Закулисная сторона истории
История создания двигателя переменного тока, основанного на изобретении вращающегося магнитного поля, гораздо более драматична и даже детективна, как и всякая история настоящего изобретения. Двигатели постоянного тока уже эксплуатировались на полную мощность. Концентрация промышленных объектов вдали от мест производства электроэнергии требовала ее передачи на все большие и большие расстояния. Но передача постоянного тока на такие расстояния вела к огромным потерям. Такая передача была бы целесообразна лишь при применении напряжения в десятки тысяч вольт. Но получить такое напряжение в генераторах постоянного тока было невозможно. Тогда пришли к идее передачи переменного тока с последующей его трансформацией.
Схема простого самодельного электродвигателя.
Пользуясь однофазными генераторами с механической коммутацией концов катушек ротора (коллектор, щетки), стали производить переменный ток низкого напряжения, затем трансформаторами повышать его до любой требуемой величины, передавать на расстояние высоким напряжением, а на месте потребления снова снижать до требуемого и использовать в токоприемниках. Но… снова возникала проблема выпрямления переменного тока в постоянный для использования в двигателях, что приводило практически к таким же потерям, что и в линиях при передаче постоянного тока Еще не существовало электродвигателей переменного тока. А ведь уже в начале 1880-х годов электроэнергия потреблялась главным образом для силовых нужд. Электродвигатели постоянного тока для привода самых различных машин применялись все шире. Создать электродвигатель, который мог бы работать на токе без выпрямителей, стало основной задачей электротехники. В поисках новых путей всегда необходимо оглянуться назад. Не было ли в истории электротехники чего-либо такого, что могло бы подсказать путь к созданию электродвигателя переменного тока? Поиски в прошлом увенчались успехом. Вспомнили, что еще в 1824 году Арагон демонстрировал опыт, положивший начало множеству плодотворных исследований. Речь идет о демонстрации «магнетизма вращения». Медный (немагнитный) диск увлекался вращающимся магнитом. Возникла идея: нельзя ли, заменив диск витками обмотки, а вращающийся магнит вращающимся магнитным полем, создать электродвигатель переменного тока? Наверное, можно, но как получить вращение магнитного поля? В эти годы было предложено много различных способов применения переменного тока. Добросовестный историк электротехники должен будет назвать имена различных физиков и инженеров, пытавшихся в середине 80-х годов создать электродвигатели переменного тока. Он не забудет напомнить об опытах Бейли (1879 г.), Марселя Депре (1883 г.), Бредли (1887 г.), о работах Венстрома, Хазельвандера и многих других. Предложения, несомненно, были очень интересны, но ни одно из них не могло удовлетворить промышленность: электродвигатели их были либо громоздки и неэкономичны либо сложны и ненадежны. Все они были основаны на механической коммутации обмоток электромагнитов, что было еще дороже и ненадежнее, чем выпрямление.
Электромагнитная индукция.
Поиски решения именно этой задачи, создание вращающегося магнитного поля, начал Никола Тесла. Он шел своим путем и предложил коренное решение возникшей проблемы. Еще в Будапеште весной 1882 года Тесла ясно представил себе, что если каким-либо образом осуществить питание обмоток магнитных полюсов электродвигателя двумя различными переменными токами, отличающимися друг от друга лишь сдвигом по фазе, то чередование этих токов вызовет переменное образование северного и южного полюсов, или вращение магнитного поля. Вращающееся магнитное поле должно увлечь и обмотку ротора машины. Тесла первым, еще в 1882 году, независимо ни от кого, построил источник двухфазного тока (двухфазный генератор синусоидального тока со сдвигом фаз 900) и такой же двухфазный электродвигатель, уложив его статорные обмотки так, чтобы создавалось вращающееся магнитное поле, и тем осуществил свою идею независимо и самостоятельно и впервые. В этом именно и заключается создание двигателя переменного тока. Тогда он еще, так же как и никто в мире, не имел представления о паразитных токах взаимоиндукции, и его пара «генератор-двигатель» с цельнометаллическими статором и ротором сильно перегревалась. Но это был тот самый главный и отчаянный рывок в электротехнике, описанный им в патенте № 6481 за 1887 год, где Тесла, теоретически рассмотрев все возможные случаи сдвига фаз, остановился на сдвиге в 90°, то есть на двухфазном токе, но описал возможность применения вращающегося поля и для многофазных систем. На основе этого описания затем и работал Доливо-Добровольский над своей трехфазной системой. Но Тесла не был единственным ученым, вспомнившим об опыте Арагона и нашедшим решение важной проблемы. В те же годы исследованиями в области переменных токов занимался итальянский физик Галилее Феррарис, представитель Италии на многих международных конгрессах электриков (1881 и 1882 годы в Париже, 1883 год в Вене и другие). Подготавливая лекции по оптике, он пришел к мысли о возможности постановки опыта, демонстрирующего свойства световых волн.
Схема включения коллекторного двигателя.
Для этого Феррарис укрепил на тонкой нити медный цилиндр, на который действовали два магнитных поля, сдвинутых под углом в 90°. При включении тока в катушки, попеременно создающие магнитные поля то в одной, то в другой из них (опять же с помощью механической коммутации обмоток этих катушек М.Н.), цилиндр под действием этих полей поворачивался и закручивал нить, в результате чего поднимался на некоторую величину вверх. Устройство это прекрасно моделировало явление, известное под названием поляризации света. Феррарис и не предполагал использовать свою модель для каких-либо электротехнических целей. Это был всего лишь лекционный прибор, остроумие которого заключалось в умелом применении электродинамического явления для демонстраций в области оптики. Но Феррарис не ограничился этой моделью. Во второй, более совершенной ему удалось достигнуть вращения цилиндра со скоростью до 900 оборотов в минуту. Но за определенными пределами, как бы ни увеличивалась в цепи сила тока, создававшего магнитные поля (другими словами, как бы ни увеличивалась затрачиваемая мощность), достигнуть увеличения числа оборотов не удавалось. Подсчеты показали, что мощность второй модели не превышала 3 ватт. Несомненно, Феррарис, будучи не только оптиком, но и электриком, не мог не понимать значения произведенных им опытов. Однако ему, по собственному его признанию, и в голову не приходило применить этот принцип к созданию электродвигателя переменного тока. Самое большое, что он предполагал, – использовать его для измерения силы тока, и он даже начал конструировать такой прибор. 18 марта 1888 года в Туринской академии наук Феррарис сделал доклад «Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов». В нем он рассказал о своих опытах и пытался доказать, что получение в таком приборе коэффициента полезного действия свыше 50 процентов невозможно. Феррарис был искренне убежден, что, доказав нецелесообразность использования переменных магнитных полей для практических целей, он оказывает науке большую услугу. Доклад Феррариса опередил сообщение Николы Тесла в Американском институте электроинженеров. Но заявка, поданная для получения патента еще в октябре 1887 года, свидетельствует о несомненном приоритете Тесла перед Феррарисом.
Схема подключения электродвигателя.
Но не это принципиально! Принципиально то, что Феррарис создавал вращающееся магнитное поле механической коммутацией концов катушек электромагнитов, а Тесла еще создал и двухфазный генератор переменного тока и описал его работу в своем патенте за 1887 год. Однофазные генераторы переменного тока уже давно работали как и однофазные трансформаторы. Т.е. Тесла открыл само явление под названием «сдвиг фаз» и впервые уложил обмотки и генератора, и двигателя специальным образом, заложив основы для создания многофазных систем. Что же касается публикации, то статья Феррариса, доступная для чтения всем электрикам мира, была опубликована лишь в июне 1888 года, то есть после широко известного доклада Тесла. На утверждение Феррариса, что работы по изучению вращающегося магнитного поля начаты им в 1885 году, Тесла имел все основания возразить, что он занимался этой проблемой еще в Граце, решение ее нашел в 1882 году, а в 1884 году в Страсбурге демонстрировал действующую модель своего двигателя. Но, конечно, дело не только в приоритете. Несомненно, оба ученых сделали одно и то же открытие независимо друг от друга: Феррарис не мог знать о патентной заявке Тесла, так же как и последний не мог знать о работах итальянского физика. Еще раз повторяю, принципиальное отличие открытия Николы Тесла от описания явления Галилео Феррариса и позднейших разработок Доливо-Добровольского заключается в создании им рабочей пары многофазного переменного тока «генератор-двигатель» и теоретического описания принципа их работы.
