|
|
 |
Электродвигатель (заключение).
В приведенном выше примере не упоминается об источниках тока. Как мы помним, этим источником является трехфазный генератор. Представим обмотки генератора в виде трех катушек. Для того чтобы протекание тока происходило так, как нам необходимо, эти катушки могут быть включены в цепь двояким образом. Например, можно разместить их на трех сторонах треугольника, допустим левого; таким образом, вместо трех его сторон мы получим три катушки I, II и III, в которых индуцируются токи со смещением фаз на 1/3 периода. Либо мы можем также переместить точки приложения электродвижущих сил и на концы параллельных проводников. При размещении здесь наших катушек, мы получим уже другое соединение. Треугольники, служащие теперь лишь проводящими соединениями для трех левых концов катушек, могут быть стянуты в одну точку. Эти соединения, из которых первое называется «треугольником», а второе — «звездой», широко применяются как в двигателях, так и в генераторах.
Свой первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо Добровольский запустил зимой 1889 года. В качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24 мя полузакрытыми пазами. Учтя все ошибки Теслы и собственный наработки, Доливо Добровольский рассредоточил обмотки в пазах по всей окружности статора, что делало более эффективным распределение магнитного поля. Ротор был цилиндрическим с обмотками его разработки, «в виде беличьей клетки». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что также было новаторством, обычно зазор делали больше. Стержни «беличьей клетки» не имели никакой изоляции. В качестве источника трехфазного тока был использован стандартный генератор постоянного тока, который Доливо Добровольский перестроил в трехфазный генератор так, способом описанным выше.
Впечатление, которое произвел первый запуск двигателя на руководство АЭГ, было огромным. Преимущества двигателя были настолько очевидны, что было понятно, наконец найден двигатель пригодный для применения в промышленных целей. По своим техническим показателям эти двигатели превосходили все существовавшие тогда электромоторы — как по КПД, так и по надежности и простоте в обращении. Поэтому они практически сразу получили широкое распространение по всему миру. С этого времени началось широкое использование электродвигателей во всех сферах производства и повсеместная электрификация промышленности.
Электродвигатель (часть пятая).
По прошествии времени индукционный двигатель Теслы был в значительной степени переработан и усовершенствован русским электротехником Доливо Добровольским. Исключенный в 1881 году по политическим мотивам из Рижского политехнического института, Доливо Добровольский уехал в Германию. Закончив Дармштадтское высшее техническое училище и с 1887 года начал работу в крупной германской электротехнической фирме АЭГ. Первым серьезным новшеством, внесенным Доливо Добровольский в асинхронный двигатель, было создание ротора с обмоткой «в виде беличьей клетки». Во всех предыдущих моделях асинхронных двигателей роторы были очень неудачными, что не позволяло КПД превысить значение других типов электрических двигателей. (Феррарис, создал асинхронный двухфазный двигатель с КПД порядка 50% и считал это пределом.) В двигателе очень важную роль играл материал, из которого был изготовлен ротор, поскольку тот должен был отвечать сразу двум критериям: иметь малое электрическое сопротивление (чтобы индуцируемые токи могли свободно протекать через его поверхность) и иметь хорошую магнитную проницаемость (чтобы энергия магнитного поля не растрачивалась понапрасну). С точки зрения уменьшения электрического сопротивления лучшим конструктивным решением мог бы стать ротор в виде медного цилиндра. Но медь является плохим проводником для магнитного потока статора и КПД такого двигателя остается очень низким. Если медный цилиндр заменить стальным, то магнитный поток заметно возрастал, но, поскольку электрическая проводимость стали значительно меньше, чем электрическая проводимость меди, КПД снова оставался невысоким. Доливо Добровольский нашел решение. Он выполнил ротор в виде стального цилиндра (это привело к уменьшению его магнитного сопротивления), а в просверленные по периферии цилиндра каналы стал закладывать медные стержни (что уменьшало уже электрическое сопротивление). На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом (замыкались сами на себя). Решение Доливо Добровольского оказалось эффективным. После получения патента на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть на протяжении уже более чем ста лет, до настоящего времени.
Читать дальше »
Электродвигатель (часть четвертая)
Описанное выше устройство принципом действия соответствует двигателю Бейли, изобретенному в 1879 году. Бейли устроил два электромагнита с четырьмя крестообразно расположенными полюсами, которые могли намагничиваться при помощи выключателя. Над полюсами был установлен медный кружок, подвешенный на острие. Изменяя полярности магнита, включая и выключая их, Бейли добился вращении кружка так же, как это происходило в опыте Арго. Идея подобного двигателя интересна, тем что здесь не требуется подводить ток к ротору. Но в той форме, в которой этот двигатель был создан Бейли, асинхронный двигатель еще не мог иметь практического применения: переключение электромагнитов в нем происходило под действием слишком сложного коллектора, и, кроме того, двигатель имел очень низкий КПД. Но до практического применения этого двигателя оставался только шаг, и он был сделан при появлении техники многофазных токов. Собственно, многофазные токи и были востребованы в первую очередь благодаря электродвигателям. Для того чтобы понять, что такое, к примеру, двухфазный ток, попробуем представить два независимых друг от друга проводника, в которых протекают два совершенно одинаковых переменных тока. Единственная разница между ними заключается в том, что ток в них не одновременно достигает своих максимумов. Про такие токи можно сказать, что они сдвинуты друг относительно друга по фазе, а если эти токи подвести к одному электроприбору, то считается, что тот питается двухфазным током. Соответственно, может быть трехфазный ток (если питание прибора будет происходить от трех одинаковых токов, сдвинутых друг относительно друга по фазе), четырехфазный ток и так далее. В течении длительного времени в технике была возможность использовать только обычный переменный ток (который стали позже, по аналогии с многофазными токами, называть однофазным). Но как показала практика многофазные токи во многих случаях гораздо удобнее однофазного.
Читать дальше »
Электродвигатель (часть третья)
Если допустить, что неподвижная часть двигателя (статор) изготовлена в виде восьмиполюсного венецеобразного электромагнита, расположенные попеременно полюса которого обозначены по их полярности буквами N и S. Между ними вращается якорь (или, как еще его называют – ротор) в виде звездообразного колеса, восемь спиц которого представляют собой постоянные магниты. Их неизменные полюса обозначим буквами n и s. Теперь допустим, что через электромагнит проходит переменный ток. Тогда концы сердечников электромагнита будут менять свою полярность. Теперь представим, что в какой то определенный момент напротив каждого полюса электромагнита статора расположен одноименный полюс ротора. Толкнем колесо и сообщив ему такую скорость, при которой каждая спица n пройдет расстояние между двумя соседними сердечниками N и S в промежуток времени, равный тому, в течение которого эти сердечники сохраняют свою полярность неизменной, то есть в период времени, равный половине периода переменного тока, питающего электромагниты. При таких условиях во все время движения спицы от сердечника N до сердечника S все сердечники перемагнитятся, отчего при дальнейшем своем движении спица опять будет испытывать отталкивание со стороны сердечника, оставшегося позади, и притяжение со стороны сердечника, к которому она приближается.
Читать дальше »
Электродвигатель (часть вторая).
Если допустить, что подвижные электромагниты занимают положение, в котором против каждого полюса неподвижных магнитов находится такой же полюс подвижного; то каждый неподвижный электромагнит будет отталкивать противоположный магнит барабана и притягивать близлежащий с противоположным полюсом. Если полюса неподвижных магнитов не будут асимметричны, то такое устройство не сможет работать, действие различных магнитов уравновесит друг друга. Но, благодаря выступу полюсных наконечников неподвижных магнитов, каждый из них притягивает ближайший, по направлению часовой стрелки, слабее, чем другой, из за этого первый будет приближаться к нему, а последний, наоборот, будет удаляться. Через четверть оборота (если рассматривать двигатель Якоби, то через одну восьмую) один против другого будут находиться разноименные полюса, но в этот момент коммутатор изменит направление тока в подвижных магнитах на противоположное, и один против другого будут опять одноименные полюса, как и в начале движения. Подвижные магниты вновь получают толчок в том же направлении, и так продолжается постоянно, пока остается замкнутым ток в системе.
Читать дальше »
Электродвигатель (часть первая)
 Одним из главных технических достижений конца XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Такие черты этого мотора как компактность, экономичность и удобство быстро сделали его одним из важнейших элементов производства. Электродвигатель вытеснил другие виды двигателей во всех местах, куда только можно было провести электрический ток. Основными недостатками паровой машины, использовавшейся до этого, всегда оставались низкий КПД и трудность передачи и «дробления» полученной энергии. При промышленном использовании одна большая машина обслуживала до нескольких десятков станков, соединяясь с каждым рабочему месту механическим путем при помощи шкивов и сложной системы ременных передач. Это вызывало неоправданные потери энергии, уменьшающей и без того невысокий коэффициент полезного действия. С этой точки зрения электрический привод не имел этих изъянов: он обладал более высоким КПД, с его вала можно было прямо получать вращательное движение (а в паровом двигателе его приходилось преобразовывать из возвратно поступательного), да и «дробить» электрическую энергию было намного проще. Потери при этом были несущественными, а производительность труда возрастала, а, значит, росла и выгода от использования в промышленности именно электродвигателей. Кроме того, электромоторов дали возможность снабдить не только отдельный станок своим собственным двигателем, но даже его отдельные узлы смогли получить отдельный привод.
Первые электрические двигатели появились во второй четверти XIX столетия, но до промышленного внедрения прошло не одно десятилетие.
Одним из первых рабочих электродвигателей, использовавших в качестве источника питания батарею постоянного тока, стал образец, созданный в 1834 году русским электротехником Якоби. В этом двигателе было две группы П образных электромагнитов, из которых одна (четыре П образных электромагнита) располагалась на неподвижной раме. Полюсные наконечники были асимметричны — удлинены в одну сторону. Вал двигателя состоял из двух параллельных латунных дисков, соединенных четырьмя электромагнитами, расположенных на равном расстоянии друг от друга. При вращении вала подвижные электромагниты проходили против полюсов неподвижных. У неподвижных полярности шли попеременно, положительная чередовалась с отрицательной. К электромагнитам вращающегося диска отходили проводники, прикрепленные к валу машины. На вал двигателя был насажен коммутатор, позволяющий менять направление тока в движущихся электромагнитах в течение каждой четверти оборота вала. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном направлении. Обмотки электромагнитов вращающегося диска, также имели последовательное соединение, только направление тока в них менялось восемь раз за один оборот вала. А значит, и полярность этих электромагнитов менялась восемь раз за один оборот вала, следовательно, электромагниты вращающегося диска поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.
Продолжение следует.
Передача электроэнергии на большие расстояния (заключение)
25 августа 1891 года в 12 часов дня на выставке зажглось 1000 электрических ламп, питаемых током Лауфенской гидроэлектростанции. Эти лампы обрамляли щиты и арку над входом в часть выставки, относящейся к электропередаче Лауфен — Франкфурт. На следующий день было проведено успешное испытание двигателя мощностью в 75 киловатт, который привел в действие десятиметровый водопад. Несмотря на отсутствие времени, на испытание линии, машины, трансформаторов, распределительных щитов, вся установка, показала себя прекрасно. Особо впечатлил посетителей выставки водопад. Но людей сведущих в вопросах физики радовал отнюдь не водопад, а сама возможность приведения в действие двигателя генератором, находящимся на расстоянии в 170 км.
Читать дальше »
Передача электроэнергии на большие расстояния (часть третья)
Времени до открытия оставалось очень мало, поэтому строительство ЛЭП проходило в большой спешке. За полгода Доливо-Добровольскому необходимо было спроектировать и построить асинхронный двигатель на 100 л.с. и четыре трансформатора на 150 киловатт, учитывая, что максимальная мощность однофазных трансформаторов составляла тогда только 30 киловатт. Но на опытные образцы времени не оставалось. Даже двигатель и трансформаторы не могли пройти испытание, на заводе, так как в Берлине не было трехфазного генератора необходимой мощности, а генератор для Лауфеновской станции строили в Эрликсоне. И испытание предстояло проводить непосредственно на открытии выставки. Кроме двигателя и трансформатора, Доливо-Добровольскому пришлось спроектировать и проследить за монтажными работами самой линии электропередач. Да и ситуация накалялась еще тем, что решался вопрос не только о престиже и карьере, но и о пути развития электротехники. Доливо?Добровольский полностью осознавал серьезность стоявшей перед ним задачи и писал позже: «Если я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и подвергнуть его недоверию, которое вряд ли удалось бы потом быстро рассеять, я обязан был принять на себя эту задачу и разрешить ее. В противном случае опыты Лауфен-Франкфурт и многое, что потом должно было развиться на их основе, пошли бы по пути применения однофазного тока».
Читать дальше »
Передача электроэнергии на большие расстояния (часть вторая)
 Первая попытка решить проблему была предпринята в 1882 году, под руководством французского электротехника Депре. Это была первая линия электропередачи постоянного тока проложенная от Мисбаха до Мюнхена, ее протяженность составила 57 км. Энергия от генератора подавалась на электродвигатель, приводивший в действие насос. Потери электроэнергии составили 75%. Вторая попытка Депре, осуществленная в 1885 году, но с использованием высокого напряжения (6 тысяч вольт) - передача тока между Крейлем и Парижем на расстояние в 56 км, повышение напряжения позволило снизить потери до 55%. Стало понятно, что повышением напряжения, можно значительно повысить КПД линии, но постройка генераторов постоянного тока высокого напряжения была технически слишком сложна. Даже при этом напряжении генератор постоянно выходил из строя, в обмотках то и дело происходил пробой. Еще одну проблему представляло собой то, что постоянный ток высокого напряжения невозможно было использовать практически, например, для нужд освещения требовалось совсем небольшое напряжения, порядка 100 вольт. Система понижения напряжения постоянного тока, была слишком сложна: ток высокого напряжения приводил в действие двигатель, а тот, в свою очередь, вращал генератор, дававший ток более низкого напряжения. При этом потери снова возрастали, и сама идея становилась экономически невыгодной.
Читать дальше »
Передача электроэнергии на большие расстояния (часть первая)
Начиная с 70-х годов XIX века, во многих крупных промышленных городах Европы и Америки начинает ощущаться энергетическая проблема. Города растут, энергии для них начинает требоваться все больше и больше, топливо приходится подвозить издалека цена на него постоянно растет. Поэтому начинается поиск решения проблемы. Внимание обращается к гидроэнергии рек, как более дешевой и доступной. Одновременно начинает расти интерес и к электрической энергии. Преимущества этого вида энергии заметны уже давно - электричество легко генерируется и преобразуется в другие виды энергии, передается на расстояние, подводится и дробится.
Читать дальше »
День энергетика. История возникновения.
 Как известно, профессиональный праздник энергетиков не случайно выпал на 22 декабря. Именно в этот день в 1920 году был подписан исторический план ГОЭЛРО – программа развития энергетической отрасли. Дату принятия документа большевики тоже выбрали не просто так — она совпала с днем, когда отмечали годовщину работы первых петербургских электростанций. Они были построены по проектам Генриха Графтио, который впоследствии стал одним из авторов ГОЭЛРО. Правда мало кому известно, что запуск петербургских электростанций был «подарком» инженера ко дню рождения его супруги. Так уж повелось в этой семье, что год от года 22 декабря госпожа Графтио получала в день рождения драгоценную безделушку и… новую электростанцию. Действительно, что может быть прекраснее, чем посвятить любимой дело всей жизни? Так что сначала была любовь, а уже потом — план ГОЭЛРО, «лампочка Ильича». Вождь мирового пролетариата буквально влюбился в идею электрификации как краеугольного камня восстановления разрушенного войнами и революциями хозяйства страны.
Читать дальше »
Дизельный двигатель (Заключение)
Работа мотора происходила таким образом: при первом ходе поршня, за счет энергии маховика, запасенной за предыдущую работу машины, воздух всасывается внутрь цилиндра; во время второго хода, по-прежнему за счет энергии маховика, воздух в цилиндре сжимается до 35 атмосфер, при этом тепло, выделяющееся при сжатии, воспламеняет горючее, в начале третьего хода при помощи насоса подается керосин; это впрыскивание длится незначительную часть хода, в течение остальной части хода газовая масса расширяется, сообщая поршню рабочую силу, передающуюся через шатун коленчатому валу двигателя; при четвертом ходе продукты сгорания выбрасываются через выхлопную трубу в атмосферу.
Читать дальше »
Дизельный двигатель (часть 2)
Брошюра вызвала интерес, но в основном теоретического плана, большинство инженеров считало идею Дизеля невозможной для практической реализации. Авторитетный специалист по газовым двигателям того времени Келер предупреждал о невозможности получения такого высокого КПД, из-за высоких потерь мощности на сжатие воздуха до температуры воспламенения, и при работе по «циклу Карно» вся полезная работа будет расходоваться на поддержание собственного движения. Но Дизель начал предлагать свою модель различным немецким фирмам, рассчитывая получить возможность реализации теории на практике. Решение поддержать Дизеля приняла фирма Круппа в Эссене, согласившись финансировать расходы, а руководство Аугсбургского завода — изготовить пробный образец.
Читать дальше »
Дизельный двигатель (часть 1)
Одним из основных способов оценки эффективности работы любого двигателя, в том числе теплового, является его коэффициент полезного действия (КПД). Он показывает, какое количество энергии, выделившейся при сгорании топлива, превращается в полезную работу, а какое теряется на прочие преобразования (например — выделение тепла). Чем выше КПД, тем лучше. Во всех тепловых двигателях, не расчетных, а существующих в реальной жизни, эти потери очень велики — более шестидесяти процентов энергии сгорания не выполняет полезной работы, фактически растрачивается попусту. Каковы причины этих потерь? Виновата ли в этом конструкция современных двигателей или КПД теплового двигателя не может достигнуть более высокого значения из-за принципов заложенных в него изначально, физических ограничений? Вплотную этим вопросом начал заниматься французский инженер Карно. В книге «Размышление о движущей силе огня», вышедшей в 1824 году, он поставил перед собой задачу выяснить, каким образом протекают процессы в идеальном тепловом двигателе, рассчитать теоретически предел КПД для теплового двигателя. Путем теоретический изысканий он вывел понятие кругового процесса в работе всех тепловых двигателей (сегодня этот процесс называют «циклом Карно»), при котором между двумя температурами T1 и T2 рабочего тела двигателя (рабочее тело — газ, двигающий поршень; это пар в паровой машине или взрывчатая смесь в газовом двигателе) можно получить максимум полезной работы, а следовательно, и самый высокий КПД. Работа этого теоретического двигателя, для достижения максимальной отдачи, как доказал Карно, должна складываться из четырех циклов.
Читать дальше »
Двигатели внутреннего сгорания (Заключение)
Для пуска двигателя, после наполнения бензином A и B, открывали кран горелки V и в течение нескольких минут нагревали трубки горелки извне. Таким образом, добивались температуры испарения бензина. Когда зажигатель накалялся докрасна, открывали клапан V и, после этого, приходилось вращать двигатель вручную при помощи специальной рукояти; после нескольких оборотов происходил первый взрыв в рабочем цилиндре и двигатель начинал работать. Рабочий цилиндр, окружала оболочка, через которую протекала вода для охлаждения, приток шел из водопровода или от небольшого насоса Q, который приводился в движение самим двигателем.
Читать дальше »
Двигатели внутреннего сгорания (часть 3)
Четырехтактный цикл был главным техническим достижением Отто. Но через некоторе время его права были оспорены. Обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения такой же принцип работы двигателя описал французский инженер Бо де Рош. Группа французских промышленников выиграла судебный процесс. Права Отто были значительно сокращены, так же было аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл. Отто весьма болезненно переживал эту неудачу, хотя дела его фирмы шли совсем неплохо. Не смотря на то, что конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей, многолетнее практическое применение модели Отто доказывало ее превосходство. К 1897 году выпуск составил около 42 тысяч двигателей разной мощности. Но использование в качестве топлива светильного газа накладывало значительные ограничения на применение первых двигателей внутреннего сгорания. Светильногазовых заводов было немного даже в передовой по тем временам Европе, а в России их вообще было только два — в Москве и Петербурге.
Читать дальше »
Трансформатор (часть 2)
Суть этого трансформатора была такова: на деревянной подставке укреплялось некоторое число вертикальных индукционных катушек, первичные обмотки которых соединены последовательно, вторичные обмотки делились на секции, каждая секция имела пару выводов для приемников тока, действующих независимо друг от друга. Сопротивление в первичной цепи (а значит и силу тока) можно было регулировать, перемещая сердечники внутри катушек. Сердечники первичной и вторичной обмоток не были соединены между собой, поэтому эти трансформаторы имели разомкнутую магнитную систему. Но после было замечено, что если у вторичной и первичной катушки единый сердечник, то трансформатор работает гораздо лучше — потери энергии сокращаются, повышается КПД. Первый трансформатор с замкнутой магнитной системой создан в 1884 году братьями Джонсом и Эдуардом Гопкинсон.
Читать дальше »
Двигатели внутреннего сгорания (часть 2)
Казалось, двигатель Отто был шагом назад в сравнении с двигателем Ленуара. Цилиндр вертикальный. Вращаемый вал размещен сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Работа двигателя происходила следующим образом: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего образовывалось разряженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало до 4 атм. Под воздействием давления поршень поднимался, и давление вновь падало. При подъеме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень, сперва под давлением газа, а затем по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в этом двигателе с максимальной полнотой. Это и была главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, после того как давление в цилиндре уравнивалось с атмосферным, открывался выпускной вентиль, поршень своей массой вытеснял отработанные газы. КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15%, но кроме этого он превосходил КПД даже самых лучших паровых машин того времени. Это был прорыв.
Читать дальше »
Трансформатор
Изобретение этого устройства, позволило разрешить множество проблем электротехники. Можно утверждать, что первый трансформатор появился одновременно с открытием электромагнитной индукции. Ведь в опытах Фарадея ток пропускался через обмотки катушки. При этом ток возникал и в обмотках второй катушки, расположенной поблизости, но никак не связанной с первой. Моментальное прохождение тока регистрировалось гальванометром. Правда, сам Фарадей, не использовал этот эффект для преобразования напряжения.
Читать дальше »
Двигатели внутреннего сгорания
В 19 веке человечество столкнулось с энергетической проблемой, паровой двигатель, чаще всего используемый в качестве привода устройств и механизмов, имел ряд недостатков. Большая часть промышленности была представлена маленькими производствами и мастерскими, использовать в которых паровой двигатель из-за его низкого КПД (не более 10%) просто не выгодно, быстрый запуск и обслуживание парового двигателя невозможно. Необходим был новый двигатель небольшой мощности, лишенный подобных недостатков, при этом новый двигатель должен был занимать меньше места и требовать меньше времени для обслуживания и сервиса. В начале 19 века идея такого двигателя впервые была предложена для реализации.
Читать дальше »
|
