Лекции по "Электроэнергетике"

Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский, познакомившись с содержанием доклада  Феррариса, не согласился с его выводами о практической непригодности индукционного  двигателя. Еще до этого он заметил, что если замкнуть обмотку якоря двигателя постоянного тока накоротко при его торможении, то возникает тормозной момент большой величины. Он понял, что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить туда такой короткозамкнутый якорь с малым сопротивлением, то он скорее сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов.

Так Доливо-Добровольский  пришел к выводу о нецелесообразности изготовления обмотки ротора с таким  большим сопротивлением, при котором  ротор имел бы скольжение около 50 %. В стержнях обмотки малого сопротивления при небольшом скольжении возникнут токи, которые в достаточно сильном поле статора создадут значительный вращающий момент.

Усиленная деятельность в данном направлении быстро привела  к разработке трехфазной системы и почти не изменившейся до настоящего времени конструкции асинхронного двигателя (с ротором, имеющим обмотку в виде беличьей клетки).

Первым шагом, который  сделал Доливо-Добровольский, было изобретение  ротора с обмоткой в виде беличьей клетки.

Для уменьшения сопротивления обмотки  ротора лучшим конструктивным решением мог быть ротор в виде медного цилиндра, как в двигателе Феррариса. Но медь является плохим проводником для магнитного поля статора, и к.п.д. такого двигателя был бы очень низким. Если же медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток резко возрастает, но вместе с тем электрическая проводимость у стали меньше, чем у меди. Выход из сложившегося противоречия состоял в том, чтобы выполнить ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало магнитное сопротивление ротора) и в просверленные по периферии последнего каналы закладывать медные стержни (что уменьшает электрическое сопротивление ротора). На лобовых частях ротора эти стержни должны быть хорошо электрически соединены между собой.

Важным этапом в трудах Доливо-Добровольского явилась замена двухфазных систем трехфазными. Он верно отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение намагничивающей силы по окружности статора асинхронного двигателя. Дальнейшее увеличение числа фаз не являлось целесообразным, так как привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода.

Для получения 3-х-фазной системы в результате исследований Доливо-Добровольский сделал ответвления (отпайки) от 3-х равноотстоящих точек обмотки якоря машины постоянного тока. Таким образом, были получены токи с разностью фаз 120º. Сохранив в этой машине коллектор, можно было использовать ее в качестве одноякорного преобразователя.

Таким путем была найдена  связанная  трехфазная система, отличающаяся той особенностью, что она требовала для передачи и распределения электроэнергии только три провода. В двухфазной системе Тесла также можно было обойтись тремя проводами, но достоинства симметричной связанной трехфазной цепи подкреплялись преимуществом двигателей.

Преимущества трехфазной системы заключались в том, что она является симметричной, уравновешенной и экономичной. В ней на три провода требовалось затратить на 25 % металла меньше, чем на два провода в однофазной. Экономия металла была одним из главных аргументов в пользу трехфазной системы.

Дальнейшее увеличение числа фаз привело бы к некоторому улучшению использования электрических  машин, но вызвало бы дополнительный расход меди. Поэтому 3-х фазная система  оказалась оптимальной.

Весной 1889 г. был построен первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью примерно 100 Вт. Он питался от 3-х фазного одноякорного преобразователя, был блестяще технически проработан и показал прекрасные результаты. Вслед за этим был создан другой более мощный одноякорный преобразователь, а затем началось изготовление трехфазных синхронных генераторов.

Уже в первых генераторах применялись два основных способа соединения обмоток: в звезду и треугольник. В дальнейшем Доливо-Добровольскому удалось улучшить использование статора с помощью широко применяемого в настоящее время метода выполнения обмотки разрезной и встречного соединения противолежащих катушек.

Важным достижением  Доливо-Добровольского явилось также  то, что он отказался от выполнения двигателя с выступающими полюсами и сделал обмотку статора распределенной по всей его окружности, благодаря чему значительно уменьшилось магнитное рассеяние по сравнению с двигателями Тесла.

Вскоре Доливо-Добровольский заменил кольцевой тип обмотки статора барабанным. Так трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором приобрел современный вид.

Новое затруднение в  развитии трехфазной техники возникло в связи с ограниченной мощностью  первых источников трехфазного переменного тока, как отдельных генераторов, так и электростанций в целом. Дело в том, что пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в несколько раз превышает номинальный, и поэтому включение двигателей мощностью свыше 2-3 кВт уже отражалось на работе других потребителей.

М. О. Доливо-Добровольский  в 1890 г. изготовил двигатель с  короткозамкнутым ротором мощностью  примерно 3,7 кВт и при первом же испытании установил значительное ухудшение пусковых свойств. При увеличении сопротивления обмотки ротора пусковые условия заметно улучшались, но рабочие характеристики двигателя ухудшались. Анализ возникших затруднений привел к созданию так называемого двигателя с фазным ротором, то есть с ротором, обмотка которого делается, подобно обмотке статора, трехфазной и концы ее соединяются с тремя кольцами, насаженными на вал. С помощью щеток эти кольца соединяются с пусковым реостатом. Таким образом, в момент пуска включается в цепь ротора большое сопротивление, которое выводится по мере нарастания частоты вращения.

Трехфазная система не получила бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она не решила проблемы передачи энергии на большие расстояния. Но электропередача выгодна при высоком напряжении, которое в случае переменного тока получается при помощи трансформатора. Трехфазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформирования энергии, но требовала трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих аппаратов не могло не вызвать стремления найти более удовлетворительное решение.

 

Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень

 

Лекция 3.10

 

Трехфазный  трансформатор

 

 

В 1889 г. Доливо-Добровольский  изобрел трехфазный трансформатор. Сначала это был трансформатор с радиальным расположением сердечников (рис. 1А). Его конструкция еще напоминает машину с выступающими полюсами, в которой отсутствует воздушный зазор, а обмотки ротора перенесены на стержни.

Затем было предложено несколько  конструкций «призматических» трансформаторов, где удалось получить более компактную форму магнитопровода (рис. 1 Б).

Наконец, в октябре 1891 г. была подана патентная заявка на трехфазный трансформатор с параллельными  стержнями, расположенными в одной  плоскости (рис. 1В). В принципе эта конструкция сохранилась по настоящее время.

В 80 - 90-х годах XIX века значительное место в электропотреблении занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, часто надо было иметь не одно, а два напряжения: одно - для осветительной нагрузки; другое, повышенное, - для силовой.

Чтобы иметь возможность  регулировать напряжение в отдельных  фазах и располагать двумя  напряжениями в системе (фазным и  линейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. 4-х-проводную схему 3-х-фазной цепи - систему с нейтральным проводом. Также он указал, что вместо нейтрального провода можно использовать "землю".

Свои предложения Доливо-Добровольский  обосновал доказательством того, что 4-х-проводная 3-х-фазная система допускает иметь определенную несимметрию нагрузки, поскольку позволяет сохранять в каждой фазе неизменное напряжение.

Для регулирования напряжения в отдельных фазах 4-х-проводной  системы он предложил использовать изобретенный им 3-х-фазный автотрансформатор.

Таким образом, в течение  трех лет были конструктивно разработаны  все основные элементы 3-х-фазной системы  электроснабжения: трансформатор, 3-х-проводная  и 4-х-проводная линии и асинхронный  двигатель (с фазным и короткозамкнутым ротором). Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип действия которых был известен задолго до того, получил широкое практическое применение лишь 3-х-фазный синхронный генератор.

Так зародилась и получила свое начальное развитие 3-х-фазная система электрического тока и решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М.О. Доливо-Добровольского.

 

Первая трехфазная линия электропередачи

 

Генеральным испытанием 3-х-фазной системы явилась Лауфен-Франкфуртская  экспериментальная электропередача. Этот выдающийся для своего времени эксперимент был приурочен к Международной электротехнической выставке и Международному конгрессу электротехников, которые проводились в 1891г. во Франкфурте-на-Майне (Германия). Поводом к организации этой выставки послужили сомнения бургомистра Франкфурта в выборе рода тока для центральной электростанции города.

Организаторы выставки предложили фирме АЭГ, где в то время работал Доливо-Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на реке Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина полезной мощностью около 300 л.с.

До этого времени  дальность электропередачи, не считая нескольких опытных, не превышала 15 км, и ряд специалистов полагали, что КПД установки может оказаться меньше 50%.

Доливо-Добровольскому предстояло в течение года (!) спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и 3-х фазные трансформаторы мощностью 100 - 150 кВА.

Задачи были очень  серьезные: испытание новой системы  перед лицом всего мира; невиданные масштабы; двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда  не строились.

В августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемых током Лауфенской гидростанции, а двигатель привел в действие декоративный водопад.

Что же представляла собой  эта первая трехфазная ЛЭП? На ГЭС  в Лауфене энергия, развиваемая  турбиной, передавалась через коническую зубчатую передачу на вал трехфазного синхронного генератора (мощность 230 кВА, частота вращения 150 об/мин, напряжение 95 В). В Лауфене и Франкфурте находилось по 3трехфазных трансформатора с магнитопроводом призматической формы. Трансформаторы были погружены в баки, наполненные маслом.

Трехпроводная линия  была выполнена на деревянных опорах со средним пролетом около 60 м. Медный провод диаметром 4 мм крепился на штыревых фарфорово-масляных изоляторах. Интересной деталью линии являлась установка  плавких предохранителей со стороны высокого напряжения: в начале линии в разрыв каждого провода был включен участок длиной 2,5 м, состоявший из двух медных проволок диаметром 0,15 мм каждая. Для отключения линии во Франкфурте посредством простого приспособления устраивалось трехфазное к.з., плавкие вставки перегорали, турбина начинала развивать большую скорость, и машинист, заметив это, останавливал ее.

На выставочной площадке во Франкфурте был установлен понижающий трансформатор, от которого при напряжении 65 В питались 1 000 ламп накаливания, расположенных на огромном щите. Здесь же был установлен трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольского, приводивший в действие гидравлический насос мощностью около 100 л.с. 

Проблема передачи энергии  была решена. По результатам международной комиссии было зафиксировано КПДmin = 68,5% ; КПДтах = 78,9 % ; линейное напряжение составляло 15 кВ, а при более высоком напряжении – 25,1 кВ.

Создание 3-х фазной системы  явилось важнейшим этапом в развитии техники. Эта система вывела проблему передачи электроэнергии, а вместе с ней и электротехнику, из кризисного состояния, сложившегося в 80-х годах прошлого века.

Производительные силы получили новую техническую базу, во многом способствовавшую углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства.

Электрическая энергия, которая из мест ее дешевого получения  теперь могла передаваться в удаленные  промышленные районы, вызвала коренную реконструкцию энергохозяйства  промышленных предприятий и начала внедряться в технологию.

В борьбе «постоянный-переменный ток» победил переменный.

 

 

 

Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень

 

Лекция 3.11

 

Возникновение районных электростанций и энергетических систем

 

Трехфазная техника  позволяла строить крупные электростанции (ЭС) на месте добычи топлива, на водопаде или реке, а вырабатываемую энергию транспортировать по ЛЭП в промышленные районы и города. Такие ЭС стали называть районными.

Первые ЭС были построены  во второй половине 90-х годов XIX в., а в следующем столетии они составили основу развития электроэнергетики.

Широкий размах строительство  районных электростанций приобрело  с начала XX в. Этому способствовал рост потребления электроэнергии, связанный с внедрением в промышленность электропривода, развитием электротранспорта и электрического освещения городов.

ЭС становились крупными промышленными предприятиями по выработке электроэнергии; сети разных станций объединялись, создавались  первые энергосистемы. При этом уменьшился необходимый резерв на каждой ЭС, появилась возможность ремонта оборудования без отключения основных потребителей, создались условия для выравнивания графика нагрузки базисных станций, более эффективно использовались энергоресурсы.

Первое известное объединение  двух 3-х-фазных ЭС было осуществлено в 1892 г. в Швейцарии. Две небольшие ЭС (120 кВА) и (360 кВА) были соединены линией длиной 2 км напряжением 5 кВ и питали распределительную сеть завода «Эрликон» по ЛЭП протяженностью 24 км при напряжении 13 кВ. Возбуждение генераторов первой станции регулировалось со щита управления второй.