|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Silnik elektryczny. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Silnik elektryczny jest maszyną elektryczną (przetwornikiem elektromechanicznym), w której energia elektryczna jest zamieniana na energię mechaniczną, której efektem ubocznym jest wydzielanie ciepła.
Największym osiągnięciem technicznym końca XIX wieku było wynalezienie przemysłowego silnika elektrycznego. Ten kompaktowy, ekonomiczny, wygodny silnik szybko stał się jednym z najważniejszych elementów produkcji, wypierając inne typy silników z miejsc, w których można było dostarczać prąd elektryczny. Dużymi wadami starego silnika parowego zawsze była niska sprawność, a także trudność w przekazywaniu i „zmiażdżeniu” otrzymanej z niego energii. Zwykle jedna duża maszyna obsługiwała kilkadziesiąt maszyn. Ruch z niej został doprowadzony do każdego miejsca pracy mechanicznie za pomocą kół pasowych i pasów bez końca. W tym przypadku nastąpiły ogromne nieuzasadnione straty energii. Napęd elektryczny nie miał tych wad: miał wysoką sprawność, ponieważ ruch obrotowy można było uzyskać bezpośrednio z jego wału (podczas gdy w silniku parowym był przekształcany z ruchu posuwisto-zwrotnego) i znacznie łatwiej było „zmiażdżyć” energię elektryczną. Straty w tym samym czasie okazały się minimalne, a wydajność pracy wzrosła. Ponadto wraz z wprowadzeniem silników elektrycznych po raz pierwszy stało się możliwe nie tylko zasilenie dowolnej maszyny własnym silnikiem, ale także umieszczenie osobnego napędu na każdym z jej węzłów. Silniki elektryczne pojawiły się w drugiej ćwierci XIX wieku, ale minęło kilkadziesiąt lat, zanim stworzono sprzyjające warunki do ich powszechnego wprowadzenia do produkcji. Jeden z pierwszych doskonałych silników elektrycznych zasilanych baterią prądu stałego został stworzony w 1834 roku przez rosyjskiego inżyniera elektryka Jacobiego. Silnik ten miał dwie grupy elektromagnesów w kształcie litery U, z których jedna grupa (cztery elektromagnesy w kształcie litery U) znajdowała się na nieruchomej ramie. Ich nabiegunniki ułożone były asymetrycznie - wydłużone w jednym kierunku. Wał silnika składał się z dwóch równoległych mosiężnych dysków połączonych czterema elektromagnesami umieszczonymi w równej odległości od siebie.
Gdy wał się obracał, ruchome elektromagnesy przechodziły na bieguny nieruchomych. W tym ostatnim bieguny szły naprzemiennie: dodatnia lub ujemna. Do elektromagnesów wirującego dysku odeszły przewody zamontowane na wale maszyny. Na wale silnika zamontowano komutator, który zmieniał kierunek prądu poruszających się elektromagnesów podczas każdej ćwiartki obrotu wału. Uzwojenia wszystkich elektromagnesów nieruchomej ramy były połączone szeregowo i płynęły wokół prądu akumulatora w jednym kierunku. Uzwojenia elektromagnesów wirującego dysku również były połączone szeregowo, ale kierunek prądu w nich zmieniał się osiem razy na obrót wału. W konsekwencji polaryzacja tych elektromagnesów również zmieniała się ośmiokrotnie podczas jednego obrotu wału, a elektromagnesy te były naprzemiennie przyciągane i odpychane przez elektromagnesy nieruchomej ramy.
Załóżmy, że ruchome elektromagnesy zajmują pozycję, w której naprzeciw każdego bieguna magnesów nieruchomych stoi ten sam biegun ruchomego; w tym samym czasie każdy nieruchomy elektromagnes będzie odpychał przeciwny magnes bębna i przyciągał pobliski biegunem przeciwnym. Gdyby bieguny magnesów stałych nie były asymetryczne, takie urządzenie nie mogłoby działać, ponieważ działanie różnych magnesów równoważyłoby się nawzajem. Ale ze względu na wystawanie nabiegunników magnesów stałych, każdy z nich przyciąga najbliższy obrót w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara słabiej niż drugi, z tego powodu pierwszy zbliża się do niego, a ostatni oddala się. Po ćwierć obrotu (w silniku Jacobiego - po jednej ósmej) przeciwne bieguny będą naprzeciw siebie, ale w tym momencie komutator zmienia kierunek prądu w poruszających się magnesach i znów będziemy mieć te same bieguny naprzeciwko drugiego, jak na początku ruchu. W wyniku tego poruszające się magnesy ponownie otrzymują pchnięcie w tym samym kierunku i tak dalej bez końca, dopóki prąd pozostaje zamknięty. Komutator był bardzo ważną i głęboko przemyślaną częścią silnika. Składał się z czterech metalowych pierścieni osadzonych na wale i odizolowanych od niego; każdy pierścień miał cztery nacięcia, które odpowiadały 1/8 obwodu. Wycięcia były wypełnione izolacyjnymi drewnianymi wkładkami; każdy pierścień był przesunięty o 45 stopni w stosunku do poprzedniego. Dźwignia, która była rodzajem pędzla, przesuwała się po obwodzie pierścienia; drugi koniec dźwigni zanurzono w odpowiednim naczyniu z rtęcią, do którego podłączono przewody z akumulatora (najczęstszymi urządzeniami stykowymi w tym czasie były związki rtęci). Tarcze zamontowane na wale silnika obracały się wraz z nim. Metalowe dźwignie przesuwały się po obrzeżu krążka, które spadając na nieprzewodzącą część krążka przerywały obwód elektryczny, a w kontakcie z metalem zamykały go. Układ dysków był taki, że w momencie spotkania przeciwnych biegunów dźwignie stykowe przechodziły przez powierzchnię drewniano-metalową i tym samym zmieniały kierunek uzwojenia elektromagnesów. Tak więc przy każdym obrocie pierścienia obwód elektryczny był przerywany czterokrotnie. Jak już wspomniano, silnik Jacobiego był jak na swoje czasy najbardziej zaawansowanym urządzeniem elektrycznym. W tym samym 1834 roku szczegółowy raport dotyczący zasad jego pracy został przedstawiony Paryskiej Akademii Nauk. W 1838 r. Jacobi ulepszył swój silnik elektryczny i po zainstalowaniu go na łodzi wiosłowej z dziesięcioma satelitami odbył małą podróż wzdłuż Newy z prędkością 4 km / h. Jako źródło prądu służyła potężna bateria ogniw galwanicznych. Oczywiste jest jednak, że wszystkie te eksperymenty miały charakter czysto demonstracyjny – dopóki nie wynaleziono i nie wprowadzono do produkcji doskonałego generatora elektrycznego, silniki elektryczne nie mogły być szeroko stosowane, ponieważ ich zasilanie z akumulatora było zbyt drogie i nieopłacalne. Ponadto z różnych powodów, które omówimy w kolejnych rozdziałach, silniki prądu stałego mają ograniczone zastosowanie. Dużo ważniejszą rolę w produkcji odgrywają silniki elektryczne działające na prąd zmienny, do którego teraz się zwracamy. Siła i kierunek prądu przemiennego, jak pamiętamy, nie są stałe. Jego siła najpierw wzrasta od zera do pewnej wartości maksymalnej i ponownie maleje do zera, potem prąd zmienia kierunek, wzrasta do jakiegoś ujemnego maksimum i znowu maleje do zera. (Czas potrzebny, aby wielkość prądu zmieniła się od jednego dodatniego maksimum do drugiego, nazywa się okresem oscylacji prądu). Proces ten jest powtarzany z dużą częstotliwością. (Na przykład w sieci oświetleniowej prąd płynie pięćdziesiąt razy w jednym kierunku i pięćdziesiąt razy w przeciwnym kierunku w ciągu 1 sekundy.) Jak to zachowanie prądu wpłynie na działanie silnika elektrycznego? Przede wszystkim należy zauważyć, że kierunek obrotów silnika elektrycznego nie zależy od kierunku prądu, ponieważ wraz ze zmianą prądu zmienia się polaryzacja nie tylko w tworniku, ale jednocześnie w uzwojeniach, które dlatego przyciąganie i odpychanie nadal działają w tym samym kierunku, co wcześniej. Wydaje się z tego wynikać, że dla silnika nie ma absolutnie żadnej różnicy, jaki rodzaj prądu stałego czy przemiennego – jest zasilany. Jednak tak nie jest. Przy częstym odwracaniu namagnesowania elektromagnesów (kilkadziesiąt razy na sekundę) powstają w nich prądy wirowe, które spowalniają obrót zwory i mocno ją nagrzewają. Moc silnika elektrycznego jest znacznie zmniejszona i ostatecznie ulega awarii. W przypadku prądu przemiennego wymagana jest specjalna konstrukcja silnika. Wynalazcy nie byli w stanie od razu go znaleźć. Przede wszystkim opracowano model tzw. synchronicznego silnika prądu przemiennego. Jeden z pierwszych takich silników został zbudowany w 1841 roku przez Charlesa Wheatstone'a. Załóżmy, że nieruchoma część silnika (stojana) jest wykonana w postaci ośmiobiegunowego elektromagnesu w kształcie korony, którego naprzemienne bieguny są oznaczone przez ich biegunowość literami N i S. Zwora (lub wirnik) obraca się między nimi w formie koła w kształcie gwiazdy, którego osiem szprych to magnesy trwałe. Ich stałe bieguny będą oznaczone literami n i s. Załóżmy, że przez elektromagnes przepływa prąd przemienny. Wtedy końce rdzeni elektromagnesu będą naprzemiennie zmieniać swoją polaryzację. Wyobraź sobie, że w pewnym momencie naprzeciw każdego bieguna elektromagnesu stojana znajduje się biegun wirnika o tej samej nazwie. Pchnijmy koło i powiedzmy mu taką prędkość, z jaką każda szprycha n pokona odległość między dwoma sąsiednimi rdzeniami N i S w czasie równym temu, w którym te rdzenie zachowują niezmienioną biegunowość, czyli w okresie czasu równego połowie okresu prądu przemiennego zasilającego elektromagnesy. W takich warunkach podczas całego ruchu szprychy od rdzenia N do rdzenia S wszystkie rdzenie zostaną ponownie namagnesowane, dlatego podczas dalszego ruchu szprycha ponownie doświadczy odpychania od pozostawionego rdzenia i przyciągania od rdzenia, do którego się zbliża.
Silnik synchroniczny działający na tej zasadzie składał się z pierścieniowego magnesu wielobiegunowego, którego biegunowość zmieniała się pod wpływem prądu przemiennego oraz z elektromagnesu stałego w kształcie gwiazdy, który był osadzony na wale i obracał się w opisany sposób nad. Do wzbudzenia tego elektromagnesu stałego potrzebny był prąd stały, który za pomocą komutatora był przekształcany ze zmiennej roboczej. Komutator miał inny cel: służył do uruchamiania silnika, ponieważ aby utrzymać obroty wirnika silnika synchronicznego, musiał zgłaszać określoną prędkość początkową. Po włączeniu najpierw przez obwód został uruchomiony prąd stały, dzięki czemu silnik zaczął pracować jako silnik prądu stałego i wprawiony w ruch. Dopóki silnik nie osiągnął wymaganej prędkości, komutator zmieniał kierunek w poruszających się elektromagnesach. Gdy osiągnięto prędkość odpowiadającą przebiegowi synchronicznemu, bieguny poruszającego się magnesu nie zmieniły się, a silnik zaczął pracować jako synchroniczny silnik prądu przemiennego.
Opisany układ miał poważne wady, oprócz tego, że silnik synchroniczny wymagał do uruchomienia dodatkowego silnika przyspieszającego, miał też inną wadę - przy przeciążeniu zaburzona była synchronizacja jego skoku, magnesy zaczęły zwalniać obroty wału, a silnik się zatrzymał. Dlatego silniki synchroniczne nie są szeroko stosowane. Prawdziwa rewolucja w elektrotechnice nastąpiła dopiero po wynalezieniu silnika asynchronicznego (lub indukcyjnego). Działanie silnika indukcyjnego będzie jasne z poniższej demonstracji, którą przeprowadził w 1824 roku słynny francuski fizyk Argo.
Niech magnes podkowy NS zostanie ręcznie wprawiony w szybki obrót wokół osi pionowej. Nad słupkami znajduje się szklana płytka podpierająca punkt, na którym osadzony jest miedziany okrąg. Kiedy magnes się obraca, prądy indukcyjne indukowane w kole i utworzone przez nie pole magnetyczne będą oddziaływać z magnesem dolnym, a okrąg zacznie się obracać w tym samym kierunku, co magnes dolny. Zjawisko to jest wykorzystywane w silniku asynchronicznym. Tylko zamiast obracającego się magnesu trwałego wykorzystuje kilka stacjonarnych elektromagnesów, które włączają się, wyłączają i zmieniają polaryzację w określonej kolejności. Wyjaśnijmy, co zostało powiedziane, na poniższym przykładzie.
Załóżmy, że I, II, III i IV to cztery bieguny dwóch elektromagnesów, pomiędzy którymi umieszczona jest metalowa strzała. Pod wpływem pola magnetycznego zostaje namagnesowany i staje się wzdłuż linii pola magnetycznego elektromagnesów, które, jak wiadomo, opuszczają swój biegun północny i wchodzą na południe. Wszystkie cztery bieguny znajdują się w okręgu w tej samej odległości od siebie. Najpierw prąd jest stosowany do II i III. Strzałka pozostaje nieruchoma wzdłuż środkowej osi linii pola magnetycznego. Następnie prąd jest dostarczany do drugiego elektromagnesu. W takim przypadku w pobliżu będą słupy o tej samej nazwie. Teraz średnia prowadnica linii siły magnesów przejdzie ze środka odległości między I i II do środka między III i IV, a strzałka obróci się o 45 stopni. Wyłączamy pierwszy elektromagnes i pozostawiamy aktywne tylko bieguny II i IV. Linie siły zostaną skierowane od III do IV, w wyniku czego strzała obróci się o kolejne 45 stopni. Ponownie włączamy pierwszy elektromagnes, ale jednocześnie zmieniamy ruch prądu, tak aby zmieniła się polaryzacja pierwszego magnesu - strzałka obróci się o kolejne 45 stopni. Po wyłączeniu drugiego elektromagnesu strzałka przesunie się o kolejne 45 stopni, czyli wykona pół obrotu. Łatwo zobaczyć, jak skłonić ją do ukończenia drugiej połowy koła. Opisane przez nas urządzenie w zasadzie odpowiada silnikowi Bailey, wynalezionemu w 1879 roku. Bailey wykonał dwa elektromagnesy z czterema poprzecznymi biegunami, które mógł namagnesować za pomocą przełącznika. Nad słupami zainstalował miedziany okrąg zawieszony na szpicu. Zmieniając bieguny magnesu, włączając je i wyłączając, sprawił, że okrąg obracał się dokładnie w taki sam sposób, jak to miało miejsce w eksperymencie Argo. Idea takiego silnika jest niezwykle ciekawa, gdyż w przeciwieństwie do silników prądu stałego czy synchronicznych silników elektrycznych nie ma potrzeby dostarczania prądu do wirnika. Jednak w formie, w jakiej stworzył go Bailey, silnik indukcyjny nie mógł jeszcze być używany: przełączanie w nim elektromagnesów odbywało się pod działaniem złożonego kolektora, a ponadto miał bardzo niską wydajność. Ale zanim ten typ silnika elektrycznego uzyskał prawo do życia, pozostał tylko krok, a został on wykonany po pojawieniu się techniki prądów wielofazowych. W rzeczywistości zastosowano prądy wielofazowe, głównie ze względu na silniki elektryczne.
Aby zrozumieć, czym jest na przykład prąd dwufazowy, wyobraź sobie dwa niezależne od siebie przewodniki, w których płyną dwa całkowicie identyczne prądy przemienne. Jedyna różnica między nimi polega na tym, że nie osiągają jednocześnie swoich maksimów. Mówią o takich prądach, że są one przesunięte względem siebie w fazie, a jeśli prądy te są dostarczane do jednego urządzenia elektrycznego, mówią, że jest ono zasilane prądem dwufazowym. W związku z tym może występować prąd trójfazowy (jeśli urządzenie jest zasilane trzema identycznymi prądami przesuniętymi względem siebie w fazie), prąd czterofazowy itp. Przez długi czas w technologii stosowano tylko konwencjonalny prąd przemienny (który, analogicznie do prądów wielofazowych, zaczęto nazywać jednofazowym). Ale potem okazało się, że w niektórych przypadkach prądy wielofazowe są znacznie wygodniejsze niż prądy jednofazowe.
W 1888 roku włoski fizyk Ferraris i jugosłowiański wynalazca Tesla (pracujący w USA) odkryli zjawisko wirującego pola elektromagnetycznego. Jego istota była następująca. Weź dwie cewki składające się z tej samej liczby zwojów izolowanego drutu i umieść je wzajemnie prostopadle tak, aby jedna cewka wchodziła w drugą. Teraz wyobraź sobie, że prąd i1 płynie wokół cewki 1, a prąd i2 wokół cewki 2, przy czym i1 wyprzedza i2 w fazie o ćwierć okresu. To, jak już powiedzieliśmy, oznacza, że prąd i1 osiąga dodatnie maksimum w momencie, gdy prąd i2 wynosi zero. Jeśli w myślach przetniemy cewki na pół płaszczyzną poziomą i spojrzymy na nie z góry, zobaczymy przekroje czterech boków obu cewek. Umieśćmy między nimi igłę magnetyczną i obserwujmy jej ruch. Cewki, przez które przepływa prąd przemienny, są znane jako elektromagnesy. Ich pole magnetyczne będzie oddziaływać z igłą, obracając ją. Rozważmy teraz położenie igły magnetycznej, której oś pokrywa się z pionową osią cewek w różnym czasie. W początkowym czasie (t=0) prąd w pierwszej cewce wynosi zero, a w drugiej przechodzi przez ujemne maksimum (kierunek prądu będzie oznaczony tak jak w elektrotechnice - kropką i krzyżyk (krzyżyk oznacza, że prąd płynie od obserwatora poza rysunek płaszczyzny, a kropka wskazuje, że prąd jest skierowany w stronę obserwatora). W czasie t1 prądy i1 i i2 są sobie równe, ale jeden jest dodatni, a drugi ujemny. W chwili t2 wartość prądu i2 spada do zera, a prąd i1 osiąga maksimum. Strzałka obróci się wtedy o kolejną 1/8 obrotu. Śledząc w ten sposób rozwój procesu, zauważymy, że pod koniec okresu zmiany jednego z prądów igła magnetyczna wykona pełny obrót wokół osi. Następnie proces się powtarza. Dlatego przy dwóch cewkach zasilanych dwoma prądami przesuniętymi w fazie względem siebie o ćwierć okresu można uzyskać taki sam efekt odwrócenia biegunów magnetycznych, jaki osiągnął Bailey w swoim silniku, ale tutaj jest to znacznie prostsze, bez dowolny komutator i bez użycia styków ślizgowych, ponieważ sam prąd kontroluje odwrócenie namagnesowania. Opisany efekt otrzymał w elektrotechnice nazwę jednostajnie wirującego pola magnetycznego. Na tej podstawie Tesla zaprojektowała pierwszy w historii dwufazowy silnik asynchroniczny. Ogólnie rzecz biorąc, był pierwszym, który zaczął eksperymentować z prądami wielofazowymi i skutecznie rozwiązał problem generowania takich prądów. Ponieważ nie było łatwo uzyskać prąd dwufazowy z jednofazowego, Tesla zbudował specjalny generator, który natychmiast wytwarzał dwa prądy o różnicy faz 90 stopni (czyli ćwierć okresu za sobą). W tym generatorze dwie wzajemnie prostopadłe cewki obracały się między biegunami magnesu. W momencie, gdy zwoje jednej cewki znajdowały się pod biegunami i indukowany w nich prąd był maksymalny, zwoje drugiej cewki znajdowały się między biegunami (na linii neutralnej) i siła elektromotoryczna w nich była równa zeru. W konsekwencji dwa prądy generowane w tych cewkach były również przesunięte względem siebie o ćwierć okresu.
Prąd trójfazowy można było uzyskać w podobny sposób (przy użyciu trzech cewek ustawionych względem siebie pod kątem 60 stopni), ale Tesla uznał układ dwufazowy za najbardziej ekonomiczny. Rzeczywiście, systemy prądu wielofazowego wymagają dużej liczby przewodów. Jeśli silnik działający na konwencjonalnym prądzie przemiennym (jednofazowym) wymaga tylko dwóch przewodów zasilających, to działający na dwufazowym - już cztery, na trójfazowym - sześć itd. Końce każdej cewki zostały doprowadzone do pierścieni znajdujących się na wale generatora. Wirnik silnika miał również uzwojenie w postaci dwóch zamkniętych na sobie cewek (czyli nie mających połączenia z zewnętrznym obwodem elektrycznym) umieszczonych względem siebie pod kątem prostym. Wynalazek Tesli zapoczątkował nową erę w elektrotechnice i wzbudził największe zainteresowanie na całym świecie. Już w czerwcu 1888 roku firma Westinghouse Electric Company wykupiła od niego wszystkie patenty na system dwufazowy za milion dolarów i zaproponowała zorganizowanie produkcji silników asynchronicznych w swoich fabrykach. Silniki te trafiły do sprzedaży w następnym roku. Były znacznie lepsze i bardziej niezawodne niż wszystkie modele, które istniały wcześniej, ale nie były szeroko stosowane, ponieważ okazały się bardzo nieudane zaprojektowane. Uzwojenie stojana w nich wykonano w postaci cewek osadzonych na wystających słupach. Nie udało się również zaprojektować wirnika w postaci bębna z dwiema prostopadłymi do siebie, zamkniętymi cewkami. Wszystko to znacznie obniżyło jakość silnika zarówno w momencie rozruchu, jak i w trybie pracy. Wkrótce silnik indukcyjny Tesli został znacznie przeprojektowany i ulepszony przez rosyjskiego inżyniera elektryka Dolivo-Dobrovolsky'ego. Wyrzucony w 1881 roku z powodów politycznych z Instytutu Politechnicznego w Rydze Dolivo-Dobrovolsky wyjechał do Niemiec. Tutaj ukończył Wyższą Szkołę Techniczną w Darmstadt iw 1887 rozpoczął pracę w dużej niemieckiej firmie elektrotechnicznej AEG. Pierwszą ważną innowacją, którą Dolivo-Dobrovolsky wprowadził w silniku asynchronicznym, było stworzenie wirnika z uzwojeniem „klatkowym”. We wszystkich wczesnych modelach silników indukcyjnych wirniki były bardzo nieskuteczne, a zatem sprawność tych silników była niższa niż w przypadku innych typów silników elektrycznych. (Wspomniany wyżej Ferraris stworzył asynchroniczny silnik dwufazowy o sprawności około 50% i uważał to za granicę.) Bardzo ważną rolę odegrał tu materiał, z którego wykonano wirnik, ponieważ musiał spełniać dwa warunki jednocześnie: mieć niską rezystancję elektryczną (aby indukowane prądy mogły swobodnie przepływać przez jej powierzchnię) oraz mieć dobrą przenikalność magnetyczną (aby energia pola magnetycznego nie była marnowana).
Z punktu widzenia zmniejszenia oporności elektrycznej najlepszym rozwiązaniem konstrukcyjnym może być wirnik w postaci walca miedzianego. Ale miedź jest słabym przewodnikiem dla strumienia magnetycznego stojana, a sprawność takiego silnika była bardzo niska. Jeśli miedziany cylinder został zastąpiony stalowym, wówczas strumień magnetyczny gwałtownie wzrósł, ale ponieważ przewodność elektryczna stali była mniejsza niż miedzi, sprawność znów była niska. Dolivo-Dobrovolsky znalazł wyjście z tej sprzeczności: wykonał wirnik w postaci stalowego cylindra (co zmniejszyło jego opór magnetyczny) i zaczął wkładać miedziane pręty do kanałów wywierconych na obrzeżu tego ostatniego (co zmniejszyło opór elektryczny). Na przednich częściach wirnika pręty te były ze sobą elektrycznie połączone (zamknięte). Rozwiązanie Dolivo-Dobrovolsky'ego okazało się najlepsze. Po otrzymaniu patentu na wirnik w 1889 roku jego urządzenie nie zmieniło się zasadniczo do chwili obecnej. Następnie Dolivo-Dobrovolsky zaczął myśleć o konstrukcji stojana stałej części silnika. Projekt Tesli wydawał mu się irracjonalny. Ponieważ sprawność silnika elektrycznego zależy bezpośrednio od tego, w jakim stopniu pole magnetyczne stojana jest wykorzystywane przez wirnik, tym bardziej linie magnetyczne stojana są zamknięte w powietrzu (czyli nie przechodzą przez powierzchnię wirnika) , tym większe straty energii elektrycznej i mniejsza wydajność. Aby temu zapobiec, szczelina między wirnikiem a stojanem powinna być jak najmniejsza. Silnik Tesli z tego punktu widzenia był daleki od ideału - wystające bieguny cewek na stojanie tworzyły zbyt duży prześwit między stojanem a wirnikiem. Ponadto w silniku dwufazowym nie uzyskano równomiernego ruchu wirnika. Wychodząc z tego, Dolivo-Dobrovolsky widział przed sobą dwa zadania: zwiększenie wydajności silnika i osiągnięcie większej jednolitości jego działania. Pierwsze zadanie było proste – wystarczyło usunąć wystające bieguny elektromagnesów i równomiernie rozłożyć ich uzwojenia na całym obwodzie stojana, aby sprawność silnika natychmiast wzrosła. Ale jak rozwiązać drugi problem? Nierównomierność rotacji można było zauważalnie zmniejszyć jedynie poprzez zwiększenie liczby faz z dwóch do trzech. Ale czy ta ścieżka była racjonalna? Uzyskanie prądu trójfazowego, jak już wspomniano, nie było trudne. Nie było też trudno zbudować silnik trójfazowy - do tego wystarczyło umieścić na stojanie trzy cewki zamiast dwóch i każdą z nich połączyć dwoma przewodami z odpowiednią cewką generatora. Silnik ten miał być lepszy od dwufazowego silnika Tesli pod każdym względem, z wyjątkiem jednej chwili – do zasilania wymagał sześciu przewodów zamiast czterech. W ten sposób system stał się niepotrzebnie nieporęczny i kosztowny. Ale może udało się w jakiś inny sposób podłączyć silnik do generatora? Dolivo-Dobrovolsky spędzał bezsenne noce nad schematami obwodów wielofazowych. Na kartkach papieru szkicował coraz więcej nowych opcji. I wreszcie znaleziono rozwiązanie, całkowicie nieoczekiwane i genialne w swojej prostocie.
Rzeczywiście, jeśli zrobisz gałęzie z trzech punktów zwory pierścieniowej generatora i połączysz je z trzema pierścieniami, po których przesuwają się szczotki, to gdy zwora obraca się między biegunami, ten sam prąd zostanie indukowany na każdym pędzlu, ale z przesunięcie w czasie, które jest konieczne, aby cewka poruszała się po łuku odpowiadającym kątowi 120 stopni. Innymi słowy, prądy w obwodzie będą również przesunięte względem siebie w fazie o 120 stopni. Okazało się jednak, że ten układ prądu trójfazowego ma jeszcze jedną niezwykle ciekawą właściwość, jakiej nie miał żaden inny układ prądów wielofazowych - w dowolnym arbitralnie przyjętym momencie suma prądów płynących w jednym kierunku jest tu równa wartości trzeciego prądu, który płynie w przeciwnym kierunku, a suma wszystkich trzech prądów w dowolnym momencie wynosi zero. Na przykład w czasie t1 prąd i2 przechodzi przez dodatnie maksimum, a wartości prądów i1 i i3, które mają wartość ujemną, osiągają połowę maksimum, a ich suma jest równa prądowi i2. Oznacza to, że w danym momencie jeden z przewodów w systemie przewodzi taką samą ilość prądu w jednym kierunku, jak pozostałe dwa razem przenoszą w przeciwnym kierunku. Dlatego możliwe jest użycie każdego z trzech przewodów jako przewodu prowadzącego dla pozostałych dwóch przewodów połączonych równolegle, a zamiast sześciu przewodów wystarczy tylko trzy!
Aby wyjaśnić ten niezwykle ważny punkt, przejdźmy do wyimaginowanego diagramu. Wyobraź sobie, że przez okrąg obracający się wokół jego środka są połączone ze sobą trzy przewodniki, w których płyną trzy prądy przemienne, przesunięte w fazie o 120 stopni. Podczas swojego obrotu każdy przewodnik znajduje się albo na dodatniej, albo na ujemnej części koła, a podczas przemieszczania się z jednej części na drugą, prąd zmienia swój kierunek. System ten w pełni zapewnia normalny przepływ (obieg) prądów. Rzeczywiście, w pewnym momencie przewody I i II są połączone równolegle, a III odwraca od nich prąd. Jakiś czas później II przechodzi na tę samą stronę co III; teraz II i III pracują równolegle, a ja jako wspólny przewód przewodzący prąd. Następnie III przechodzi na stronę, w której nadal się znajduję; teraz ja wycofuję kwotę, którą ja i III zbieramy. Następnie przesuwam się w stronę, gdzie nadal znajduje się II i tak dalej.
W powyższym przykładzie nic nie zostało powiedziane o źródłach bieżących. Jak pamiętamy, to źródło jest generatorem trójfazowym. Reprezentujemy uzwojenia generatora w postaci trzech cewek. Aby prąd płynął w opisany przez nas sposób, cewki te można włączyć w obwód na dwa sposoby. Możemy na przykład umieścić je na trzech bokach trójkąta, powiedzmy lewy; tak więc zamiast jego trzech stron otrzymujemy trzy cewki I, II i III, w których indukowane są prądy z przesunięciem fazowym 1/3 okresu. Możemy również przenieść punkty przyłożenia sił elektromotorycznych na końce przewodów równoległych. Jeśli umieścimy tutaj nasze cewki, otrzymamy inne połączenie. Trójkąty, służące teraz tylko jako połączenia przewodzące dla trzech lewych końców cewek, można skrócić do jednego punktu. Te połączenia, z których pierwsze nosi nazwę „delta”, a drugie „gwiazda”, są szeroko stosowane zarówno w silnikach, jak i generatorach.
Dolivo-Dobrovolsky zbudował swój pierwszy trójfazowy silnik asynchroniczny zimą 1889 roku. Jako stojan zastosowano w nim kotwę pierścieniową maszyny prądu stałego z 24 półzamkniętymi szczelinami. Biorąc pod uwagę błędy Tesli, Dolivo-Dobrovolsky rozproszył uzwojenia w szczelinach na całym obwodzie stojana, co sprawiło, że rozkład pola magnetycznego był korzystniejszy. Wirnik był cylindryczny z uzwojeniem typu „squirrel cage”. Szczelina powietrzna między wirnikiem a stojanem wynosiła tylko 1 mm, co w tamtych czasach było śmiałą decyzją, ponieważ zwykle szczelina była większa. Pręty „klatki wiewiórki” nie miały izolacji. Jako źródło prądu trójfazowego użyto standardowego generatora prądu stałego, przebudowanego na generator trójfazowy, jak opisano powyżej. Wrażenie wywołane pierwszym uruchomieniem silnika na kierownictwie AEG było ogromne. Dla wielu stało się oczywiste, że długa, ciernista droga stworzenia przemysłowego silnika elektrycznego została wreszcie zakończona. Pod względem osiągów technicznych silniki Dolivo-Dobrovolsky przewyższały wszystkie istniejące wówczas silniki elektryczne - mając bardzo wysoką wydajność, działały bezbłędnie w dowolnych trybach, były niezawodne i łatwe w użyciu. Dlatego natychmiast rozprzestrzeniły się na całym świecie. Od tego czasu rozpoczęło się szybkie wprowadzanie silników elektrycznych we wszystkich obszarach produkcji i powszechna elektryfikacja przemysłu. Autor: Ryzhov K.V.
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ ST25R3916 Uniwersalny czytnik NFC/RFID 13,56 MHz ▪ Ogniwa słoneczne z recyklingu ▪ Plastikowe koła zębate zamiast metalowych ▪ ADXL311 - układ akcelerometru ▪ Przełom w regeneracji kończyn
▪ sekcja serwisu Cywilna komunikacja radiowa. Wybór artykułów ▪ artykuł Części chromowane. Wskazówki dla modelarza ▪ artykuł Czym jest zatrucie jadem kiełbasianym? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Japońskie drzewko papierowe. Legendy, uprawa, metody aplikacji ▪ artykuł Pilot na podczerwień do komputera. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony