Константин Рыжов 100 великих изобретений 100 великих – 0
ГАЗОВЫЙ И БЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛИ
жүктеу/скачать 8,62 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 58. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
57. ГАЗОВЫЙ И БЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛИ Паровой двигатель не до конца разрешил энергетическую проблему, стоявшую перед человечеством. Небольшие мастерские и предприятия, составлявшие в XIX веке большую часть промышленного сектора, не всегда могли им воспользоваться. Дело в том, что маленький паровой двигатель имел очень невысокий КПД (менее 10%). Кроме того, использование такого двигателя было связано с большими затратами и хлопотами. Для того чтобы запустить его в ход, необходимо было развести огонь и навести пары. Даже если машина была нужна только временами, ее все равно приходилось постоянно держать под парами. Для мелкой промышленности требовался двигатель небольшой силы, занимающий мало места, который можно было бы включать и останавливать в любое время без долгой подготовки. Впервые идея такого двигателя была предложена в самом начале XIX века. В последний год XVIII века французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. Традиция приписывает его успех случайности — Лебон увидел, как вспыхнул газ, истекавший из поставленного на огонь сосуда с древесными опилками, и понял, какую пользу можно извлечь из этого явления. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путем сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения. В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь свое изобретение. Но идея его и в дальнейшем привлекала к себе самое пристальное внимание. Действительно, принцип действия газового двигателя много проще, чем паровой машины, так как здесь топливо само непосредственно производит давление на поршень, тогда как в паровом двигателе тепловая энергия сначала передается другому носителю — водяному пару, который и совершает полезную работу. В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому инженеру Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришел к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Хозяин гальванической мастерской снабдил Ленуара деньгами, на которые тот и построил в 1860 году свой первый двигатель. И по внешнему виду, и по устройству он напоминал паровую машину. Двигатель был двойного действия. Нижний золотник поочередно подавал воздух и газ в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня. Верхний золотник служил для выпускания отработанных газов. Газ и воздух подводились к золотнику по отдельным каналам. Всасывание смеси в каждую полость происходило примерно до половины хода, после чего золотник перекрывал впускное окно, и смесь воспламенялась электрической искрой. Сгорая, она расширялась и действовала на поршень, производя полезную работу. После окончания реакции второй золотник сообщал цилиндр с выхлопной трубкой. Тем временем происходило воспламенение смеси с другой стороны поршня. Он начинал двигаться назад, вытесняя отработанные газы. Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из‑за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из‑за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать. После объявления об этом изобретении мастерская стала получать заказы на новый двигатель, но работа его продолжала оставаться неудовлетворительной — система зажигания часто давала сбои, золотник без смазки не работал, а наладить его удовлетворительную смазку при температуре 800 градусов так и не удалось. КПД двигателя едва достигал 4%, он потреблял огромное количество смазки и газа. Тем не менее двигатель быстро получил распространение. Основными его покупателями стали маленькие предприятия (типографии, ремонтные мастерские и пр.), для которых паровые машины были слишком дороги и громоздки. Между тем двигатель Ленуара оказался прост в эксплуатации, легок и имел небольшие габариты. В 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило ее судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто. В 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания». На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем 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 примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объем газа увеличивался и давление падало. При подъеме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из‑за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15%, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Наиболее сложной проблемой при такой конструкции двигателя было создание механизма передачи движения рейки на вал. Для этой цели было изобретено особое передаточное устройство с шариками и сухариками. Когда поршень с рейкой взлетал вверх, сухарики, охватывавшие вал своими наклонными поверхностями, так взаимодействовали с шариками, что те не препятствовали перемещению рейки, но как только рейка начинала двигаться вниз, шарики скатывались по наклонной поверхности сухариков и плотно прижимали их к валу, вынуждая его вращаться. Эта конструкция обеспечивала жизнеспособность двигателя. Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно‑шатунная передача (многих смущал вид рейки, взлетавшей вверх в течение долей секунды, к тому же ее движение сопровождалось неприятным дребезжащим грохотом). Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырехтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство. Во всех более ранних газовых двигателях смесь газа и воздуха зажигалась в рабочем цилиндре при атмосферном давлении. Однако действие взрыва было тем сильнее, чем давление было больше. Следовательно, при сжимании смеси взрыв должен был быть более сильным. В новом газовом двигателе Отто газ сжимался до 2, 5 или 3 атм, вследствие чего двигатель стал меньше по размерам, а мощность его возросла. Для помещения газовой смеси цилиндр на одной из своих сторон был удлинен. Когда поршень доходил здесь до своего конечного положения, еще оставалось некоторое пространство, наполненное сжатой газовой смесью. Благодаря этому стало возможным производить взрыв при конечном положении поршня, когда он при перемене движения имеет нулевую скорость. При этой системе зажигания в мертвой точке удалось избежать ударов, толчков и сотрясений поршня о стенки цилиндра, которые были в прежнем двигателе. Ход поршня был следующий. 1) При первом ходе поршня через открытый впускной клапан и клапан для впуска смеси всасывалась бедная газом смесь, состоявшая из 1/10 газа и 9/10 воздуха. 2) При обратном ходе поршня впускное отверстие закрывалось и всосанная смесь сжималась в цилиндре. 3) В конце этого хода в мертвой точке происходило воспламенение и развивающееся давление газообразных продуктов взрыва перемещало поршень. В начале третьего такта давление достигало 11 атм, а при расширении понижалось почти до 3 атм. 4) При вторичном обратном ходе поршня открывался выпускной клапан, и поршень вытеснял из цилиндра продукты горения. Когда он доходил до крайней точки, в цилиндре еще оставались некоторые остатки продуктов горения, однако они не мешали дальнейшей работе двигателя. Наоборот, их присутствие имело благоприятное воздействие — вместо взрыва происходило более ровное горение, отчего и ход поршня получался более ровным, без рывков, и двигатель можно было применять там, где прежде это казалось недопустимым — например, для движения ткацких станков и динамо‑машин. В этом заключалось важное преимущество двигателя Отто. Для того чтобы сделать вращение вала еще более равномерным, его снабжали массивным маховиком. Ведь из четырех ходов поршня только один соответствовал полезной работе, и маховик должен был давать энергию для трех последующих ходов (или, что то же самое, во время 1, 5 оборотов), чтобы работающие машины могли идти без замедления хода. Воспламенение смеси производилось, как и прежде, открытым пламенем. Из‑за кривошипно‑шатунного соединения с валом получить расширение газа до атмосферного не удалось, и поэтому КПД двигателя был ненамного выше, чем у предыдущих моделей, но он оказался самым высоким для тепловых двигателей того времени. Четырехтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счел их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл. Отто болезненно переживал эту неудачу, между тем дела его фирмы шли совсем неплохо. Хотя конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей, отработанная многолетним производством модель Отто все равно была лучшей, и спрос на нее не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два — в Москве и Петербурге. Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Еще в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешел к более легкому нефтепродукту — бензину. Но для того чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство (впоследствии оно стало называться карбюратором) для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых «испарительных» карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно. Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Изобретателем его был немецкий инженер Готлиб Даймлер. Много лет он работал в фирме Отто и был членом ее правления. В начале 80‑х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто (как в свое время Уатт в аналогичной ситуации) отнесся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение — в 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали работать над своим проектом. Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из легких они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень легким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счет увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскаленной полой трубочки, открытой в цилиндр. Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки. Здесь P — бак для бензина, из которого при помощи запорного клапана p через трубу пропускалось столько бензина к прибору для испарения его AB, что A всегда оставался наполненным примерно на 2/3. B — это лампа, которая наполнялась первой, еще до попадания бензина в A. Из лампы B через трубку с клапаном V бензин подводился к горелке, находившейся в оболочке L; он вытекал тонкой струйкой из узкого наконечника горелки и благодаря высокой температуре горелки сейчас же испарялся. Пламя горело вокруг платинового зажигателя и накаляло его. В приборе для испарения A пары бензина образовывались при просасывании через бензин подогретого воздуха. Пары эти смешивались с воздухом в регулировочном кране H, и таким образом получалась горючая газовая смесь. При ходе поршня вниз он всасывал эту смесь, при обратном ходе сжимал ее в пространстве,) предназначенном для сжатия. В то время, когда поршень находился в верхней мертвой точке, распределительный механизм открывал накаленный платиновый зажигатель, заряд взрывался, и газообразные продукты горения давили на поршень. Для образования паров бензина воздух, как отмечалось выше, должен был предварительно нагреваться. Это достигалось тем, что воздух перед поступлением в испаритель проходил через кожух горелки. Для пуска двигателя, по наполнении бензином A и B, сперва открывали кран горелки V и в течение одной или двух минут извне нагревали трубки горелки. Так добивались температуры, при которой бензин начинал испаряться. Когда зажигатель накалялся докрасна, открывали клапан V и вращали двигатель вручную при помощи специальной рукояти; после нескольких оборотов происходил первый взрыв в рабочем цилиндре; затем двигатель приходил в движение. Рабочий цилиндр, как и у газовых двигателей, окружала оболочка, через которую протекала вода для охлаждения из водопровода или от небольшого насоса Q, который приводился в движение самим двигателем. Из приведенного описания видно, что процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях оставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки (хотя независимо от него и даже несколько раньше ту же конструкцию карбюратора разработал друг и соратник Даймлера Майбах). Позже Банки приобрел большую известность своими выдающимися изобретениями в области гидравлических турбин. Но, еще будучи молодым человеком, он в 1893 году взял патент на карбюратор с жиклером (форсункой), который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклер, а постоянство состава смеси достигалась за счет поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклер выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха. Таким образом, карбюратор состоял из двух частей: поплавковой камеры 1 и смесительной камеры 2. В камеру 1 топливо свободно поступало из бака по трубке 3 и держалось на одном уровне поплавком 4, который поднимался вместе с уровнем топлива и при наполнении, с помощью рычага 5, спускал иглу 6 и тем закрывал доступ топливу. Из камеры 1 топливо свободно протекало в камеру 2 и останавливалось в жиклере 7 на одном уровне с камерой 1. Камера 2 снизу имела отверстие, сообщавшееся с наружным воздухом, а вверху — с всасывающим клапаном двигателя. Количество доставляемой в цилиндр смеси регулировалось поворачиванием дросселя (заслонки) 8. При всасывающем ходе поршня воздух устремлялся снизу в камеру смешения и засасывал из жиклера топливо, распыляя и испаряя его. Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объем цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров. В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия стали распространяться четырехцилиндровые. Последние устраивались таким образом, что в каждом из цилиндров четырехтактный цикл был двинут на один ход поршня. Благодаря этому достигалась хорошая равномерность вращения коленчатого вала. В отличие от прежнего вала, коленчатый вал состоял из отдельных колен‑кривошипов, которые с помощью шатунов были связаны с отдельными поршнями. С одной стороны вал принимал движение от поршней и преобразовывал возвратно‑поступательное движение во вращательное, а с другой — управлял движением поршней, которые благодаря этому двигались вперед и назад в точно установленные моменты, то есть одновременно во всех цилиндрах проходили по одному рабочему такту. Все эти такты чередовались через равные промежутки времени. 58. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Этот компактный, экономичный, удобный мотор вскоре сделался одним из важнейших элементов производства, вытеснив другие виды двигателей отовсюду, куда только можно было доставить электрический ток. Большими недостатками прежней паровой машины всегда оставались низкий КПД, а также трудность передачи и «дробления» полученной от нее энергии. Обычно одна большая машина обслуживала несколько десятков станков. Движение от нее подводилось к каждому рабочему месту механическим путем с помощью шкивов и бесконечных ремней. При этом происходили огромные неоправданные потери энергии. Электрический привод не имел этих изъянов: он обладал высоким КПД, поскольку с его вала можно было прямо получать вращательное движение (тогда как в паровом двигателе его преобразовывали из возвратно‑поступательного), да и «дробить» электрическую энергию было намного проще. Потери при этом оказывались минимальными, а производительность труда возрастала. Кроме того, с внедрением электромоторов впервые появилась возможность не только снабдить любой станок своим собственным двигателем, но и поставить отдельный привод на каждый его узел. Электрические двигатели появились еще во второй четверти XIX столетия, но прошло несколько десятилетий, прежде чем создались благоприятные условия для их повсеместного внедрения в производство. Один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Якоби. Этот двигатель имел две группы П‑образных электромагнитов, из которых одна группа (четыре П‑образных электромагнита) располагалась на неподвижной раме. Их полюсные наконечники были устроены асимметрично — удлинены в одну сторону. Вал двигателя представлял собой два параллельных латунных диска, соединенных четырьмя электромагнитами, поставленными на равном расстоянии один от другого. При вращении вала подвижные электромагниты проходили против полюсов неподвижных. У последних полярности шли попеременно: то положительная, то отрицательная. К электромагнитам вращающегося диска отходили проводники, укрепленные на валу машины. На вал двигателя был насажен коммутатор, который менял 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 были также соединены последовательно, но направление тока в них изменялось восемь раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также менялась восемь раз за один оборот вала, и эти электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы. Положим, что подвижные электромагниты занимают положение, в котором против каждого полюса неподвижных магнитов стоит одноименный полюс подвижного; при этом каждый неподвижный электромагнит будет отталкивать противоположный магнит барабана и притягивать близлежащий с противоположным полюсом. Если бы полюса неподвижных магнитов не были асимметричны, такое устройство не могло бы работать, так как действие различных магнитов уравновешивало бы друг друга. Но благодаря выступу полюсных наконечников неподвижных магнитов каждый из них притягивает ближайший по направлению вращения часовой стрелки слабее, чем другой, из‑за этого первый приближается к нему, а последний удаляется. Через четверть оборота (в двигателе Якоби — через одну восьмую) один против другого будут находиться разноименные полюса, но в этот момент коммутатор меняет направление тока в подвижных магнитах, и один против другого будут опять одноименные полюса, как и в начале движения. Вследствие этого подвижные магниты опять получают толчок к тому же направлению, и так без конца, пока остается замкнутым ток. Коммутатор представлял собой очень важную и глубоко продуманную часть двигателя. Он состоял из четырех металлических колец, установленных на валу и изолированных от него; каждое кольцо имело четыре выреза, которые соответствовали 1/8 части окружности. Вырезы были заполнены изолирующими деревянными вкладышами; каждое кольцо было смещено на 45 градусов по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг, представлявший собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи (соединения с ртутью были наиболее распространенными в то время контактными устройствами). Диски, насаженные на вал двигателя, вращались вместе с ним. По ободу диска скользили металлические рычаги, которые, попадая на непроводящую часть диска, прерывали электрическую цепь, а при соприкосновении с металлом — замыкали ее. Расположение дисков было такое, что в тот момент, когда встречались разноименные полюса, контактные рычажки переходили через грань дерево‑металл и этим меняли направление в обмотке электромагнитов. Таким образом, при каждом повороте кольца четыре раза разрывалась электрическая цепь. Как уже отмечалось, двигатель Якоби для своего времени был самым совершенным электротехническим устройством. В том же 1834 году подробное сообщение о принципах его работы было представлено Парижской академии наук. В 1838 году Якоби усовершенствовал свой электромотор и, установив его на гребном боте, с десятью спутниками совершил небольшое плавание по Неве со скоростью 4, 5 км/ч. Источником тока ему служила мощная батарея гальванических элементов. Понятно, впрочем, что все эти опыты имели чисто демонстрационный характер — до тех пор пока не был изобретен и внедрен в производство совершенный электрический генератор, электродвигатели не могли найти широкого применения, так как питать их от батареи было слишком дорого и невыгодно. Кроме того, в силу разных причин, о которых мы будем говорить в следующих главах, двигатели постоянного тока получили лишь ограниченное применение. Гораздо более важную роль играют в производстве электромоторы, работающие на переменном токе, к рассмотрению которых мы теперь переходим. Сила и направление переменного тока, как мы помним, не являются постоянными. Сила его сначала возрастает от нуля до какой‑то максимальной величины и вновь убывает до нуля, затем ток меняет свое направление, возрастает до какого‑то отрицательного максимума и вновь убывает до нуля. (Время, за которое величина тока меняется от одного положительного максимума до другого, называют периодом колебания тока.) Этот процесс повторяется с большой частотой. (Например, в осветительной сети ток в 1 секунду течет пятьдесят раз в одну сторону и пятьдесят раз в противоположную.) Как такое поведение тока будет отражаться на работе электродвигателя? Прежде всего надо отметить, что направление вращения электродвигателя не зависит от направления тока, потому что при перемене тока изменится полярность не только в якоре, но одновременно в обмотках, отчего притяжение и отталкивание продолжают действовать в ту же сторону, что и раньше. Из этого как будто бы должно следовать, что для двигателя совершенно безразлично, каким током постоянным или переменным — он питается. Однако это не так. При частом перемагничивании электромагнитов (несколько десятков раз в секунду) в них возникают вихревые токи, которые замедляют вращение якоря и сильно разогревают его. Мощность электромотора резко снижается, и в конце концов он выходит из строя. Для переменного тока необходима особая конструкция двигателя. Изобретатели не сразу смогли найти ее. Прежде всего была разработана модель так называемого синхронного двигателя переменного тока. Один из первых таких двигателей построил в 1841 году Чарльз Уитстон. Предположим, что неподвижная часть двигателя (статор) выполнена в виде восьмиполюсного венецеобразного электромагнита, расположенные попеременно полюса которого обозначаются по их полярности буквами N и S. Между ними вращается якорь (или ротор) в виде звездообразного колеса, восемь спиц которого представляют собой постоянные магниты. Их неизменные полюса обозначим буквами n и s. Положим, что через электромагнит пропускается переменный ток. Тогда концы сердечников электромагнита будут попеременно менять свою полярность. Представим себе, что в какой‑то момент против каждого полюса электромагнита статора расположен одноименный полюс ротора. Толкнем колесо и сообщим 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. Работавший по этому принципу синхронный двигатель состоял из кольцеобразного многополюсного магнита, полярность которого менялась под действием переменного тока, и из звездообразного постоянного электромагнита, который был насажен на вал и вращался описанным выше образом. Для возбуждения этого постоянного электромагнита требовался постоянный ток, который преобразовывался посредством коммутатора из рабочего переменного. У коммутатора было и другое назначение: он использовался для пуска двигателя, ведь для поддержания вращения ротора синхронного двигателя ему требовалось сообщить определенную начальную скорость. При включении через цепь сначала пускался постоянный ток, благодаря чему двигатель начинал работать как двигатель постоянного тока и приходил в движение. До тех пор, пока двигатель не набрал требуемой скорости, коммутатор переменял направление в движущихся электромагнитах. При достижении скорости, соответствовавшей синхронному ходу, у подвижного магнита полюса уже не менялись, и двигатель начинал работать как синхронный двигатель переменного тока. Описанная система обладала большими недостатками, кроме того, что синхронный двигатель требовал для своего запуска дополнительный разгонный двигатель, он имел и другой изъян — при перегрузке синхронность его хода нарушалась, магниты начинали тормозить вращение вала, и двигатель останавливался. Поэтому синхронные двигатели не получили широкого распространения. Подлинная революция в электротехнике произошла только после изобретения асинхронного (или индукционного) двигателя. Действие асинхронного двигателя будет понятно из следующей демонстрации, которую провел в 1824 году известный французский физик Арго. Пусть подковообразный магнит NS приводится рукой в быстрое вращение вокруг вертикальной оси. Над полюсами установлена стеклянная пластина, поддерживающая острие, на которое насажен медный кружок. При вращении магнита индукционные токи, наводимые в кружке, и образованное ими магнитное поле будут взаимодействовать с нижним магнитом, и кружок начнет вращаться в ту же сторону, что и нижний магнит. Именно это явление используется в асинхронном двигателе. Только вместо вращающегося постоянного магнита в нем применяются несколько неподвижных электромагнитов, которые включаются, выключаются и меняют свою полярность в определенной последовательности. Поясним сказанное следующим примером. Предположим, что I, II, III и IV — это четыре полюса двух электромагнитов, между которыми помещена металлическая стрелка. Под действием магнитного поля она намагничивается и становится вдоль линий магнитного поля электромагнитов, выходящих, как известно, из их северного полюса и входящих в южный. Все четыре полюса расположены по окружности на одном расстоянии друг от друга. Сперва ток подводится к II и III. Стрелка остается неподвижной по средней оси магнитных силовых линий. Затем подводится ток ко второму электромагниту. При этом одноименные полюса будут находиться рядом. Теперь средняя направляющая силовых линий магнитов пройдет от середины расстояния между I и II к середине между III и IV, и стрелка повернется на 45 градусов. Отключим первый электромагнит и оставим активными только полюса II и IV. Силовые линии будут направлены от III к IV, вследствие чего стрелка повернется еще на 45 градусов. Снова включим первый электромагнит, но поменяем при этом движение тока, так что полярность первого магнита изменится — стрелка повернется еще на 45 градусов. После отключения второго электромагнита стрелка переместится еще на 45 градусов, то есть совершит полуоборот. Легко понять, как заставить ее совершить вторую половину круга. Описанное нами устройство в основных чертах соответствует двигателю Бейли, изобретенному в 1879 году. Бейли устроил два электромагнита с четырьмя крестообразно расположенными полюсами, которые он мог намагничивать с помощью выключателя. Над полюсами он установил медный кружок, подвешенный на острие. Изменяя полярности магнита, включая и выключая их, он заставил кружок вращаться точно так же, как это происходило в опыте Арго. Идея подобного двигателя чрезвычайно интересна, так как в отличие от двигателей постоянного тока или синхронных электромоторов, здесь не надо подводить ток к ротору. Однако в той форме, в которой его создал Бейли, асинхронный двигатель еще не мог иметь применения: переключение электромагнитов в нем происходило под действием сложного коллектора, и, кроме того, он имел очень низкий КПД. Но до того чтобы этот тип электромотора получил право на жизнь, оставался только шаг, и он был сделан после появления техники многофазных токов. Собственно, многофазные токи и получили применение, прежде всего благодаря электродвигателям. Чтобы понять, что такое, к примеру, двухфазный ток, представим себе два независимых друг от друга проводника, в которых протекают два совершенно одинаковых переменных тока. Единственная разница между ними заключается в том, что они не одновременно достигают своих максимумов. Про такие токи говорят, что они сдвинуты друг относительно друга по фазе, а если эти токи подводятся к одному электроприбору, говорят, что тот питается двухфазным током. Соответственно, может быть трехфазный ток (если питание прибора происходит от трех одинаковых токов, сдвинутых друг относительно друга по фазе), четырехфазный ток и т.д. Долгое время в технике использовался только обычный переменный ток (который по аналогии с многофазными токами стали называть однофазным). Но потом оказалось, что многофазные токи в некоторых случаях гораздо удобнее однофазного. В 1888 г. итальянский физик Феррарис и югославский изобретатель Тесла (работавший в США) открыли явление вращающегося электромагнитного поля. Сущность его заключалась в следующем. Возьмем две катушки, состоящие из одинакового числа витков изолированного провода, и разместим их взаимно перпендикулярно так, чтобы одна катушка входила в другую. Теперь представим, что катушку 1 обтекает ток i1 а катушку 2 — ток i2, причем i1 опережает i2 по фазе на четверть периода. Это, как мы уже говорили, означает, что ток i1, достигает положительного максимума в тот момент, когда сила тока i2 равна нулю. Если мы мысленно разрежем катушки пополам горизонтальной плоскостью и будем смотреть на них сверху, то увидим сечения четырех сторон обеих катушек. Поместим между ними магнитную стрелку и будем наблюдать за ее движением. Катушки, через которые протекает переменный ток, как известно, являются электромагнитами. Их магнитное поле будет взаимодействовать со стрелкой, поворачивая ее. Рассмотрим теперь положение магнитной стрелки, ось которой совпадает с вертикальной осью катушек в различные моменты времени. В начальный момент времени (t=0) ток в первой катушке равен нулю, а во второй проходит через отрицательный максимум (направление тока будем обозначать так, как это делается в электротехнике — точкой и крестиком; крестик означает, что ток направляется от наблюдателя за плоскость чертежа, а точка — что ток направляется к наблюдателю). В момент t1 токи i1 и i2 равны друг другу, но один имеет положительное направление, а другой — отрицательное. В момент t2 величина тока i2, нисходит до нуля, а ток i1 достигает максимума. Стрелка при этом повернется еще на 1/8 оборота. Прослеживая подобным образом развитие процесса, мы заметим, что по окончании периода изменений одного из токов магнитная стрелка завершит полный оборот вокруг оси. Дальше процесс повторяется. Следовательно, при помощи двух катушек, питаемых двумя токами, сдвинутыми друг относительно друга по фазе на четверть периода, можно получить тот же эффект перемены магнитных полюсов, которого добился в своем двигателе Бейли, но здесь это получается намного проще, без всякого коммутатора и без использования скользящих контактов, поскольку перемагничиванием управляет сам ток. Описанный эффект получил в электротехнике название равномерно вращающегося магнитного поля. На его основе Тесла сконструировал первый в истории двухфазный асинхронный двигатель. Он вообще был первым, кто стал экспериментировать с многофазными токами и успешно разрешил проблему генерирования таких токов. Поскольку получить двухфазный ток из однофазного было непросто, Тесла построил специальный генератор, который сразу давал два тока с разностью фаз в 90 градусов (то есть с отставанием на четверть периода). В этом генераторе между полюсами магнита вращались две взаимно перпендикулярные катушки. В то время, когда витки одной катушки находились под полюсами и индуцирующийся в них ток был максимальным, витки другой катушки находились между полюсами (на нейтральной линии) и электродвижущая сила в них была равна нулю. Следовательно, два тока, генерируемые в этих катушках, были тоже сдвинуты по фазе относительно друг друга на четверть периода. Аналогичным способом можно было получить трехфазный ток (используя три катушки под углом 60 градусов друг к другу), но Тесла считал наиболее экономичной двухфазную систему. В самом деле, многофазные системы тока требуют большого количества проводов. Если двигатель, работающий на обычном переменном (однофазном) токе, требует всего двух подводящих проводов, то работающий на двухфазном — уже четырех, на трехфазном — шести и т.д. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора. Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя (то есть не имеющих никакой связи с внешней электрической цепью) катушек. Изобретение Теслы знаменовало собой начало новой эры в электротехнике и вызвало к себе живейший интерес во всем мире. Уже в июне 1888 году фирма «Вестингауз Электрик Компани» купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей. Эти двигатели поступили в продажу в следующем году. Они были гораздо лучше и надежнее всех существовавших до этого моделей, но не получили широкого распространения, так как оказались весьма неудачно сконструированы. Обмотка статора в них выполнялась в виде катушек, насаженных на выступающие полюса. Неудачной была и конструкция ротора в виде барабана с двумя взаимно перпендикулярными, замкнутыми на себя катушками. Все это заметно снижало качество двигателя как в момент пуска, так и в рабочем режиме. Вскоре индукционный двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским электротехником Доливо‑Добровольским. Исключенный в 1881 году по политическим мотивам из Рижского политехнического института, Доливо‑Добровольский уехал в Германию. Здесь он закончил Дармштадтское высшее техническое училище и с 1887 года начал работу в крупной германской электротехнической фирме АЭГ. Первым важным новшеством, которое внес Доливо‑Добровольский в асинхронный двигатель, было создание ротора с обмоткой «в виде беличьей клетки». Во всех ранних моделях асинхронных двигателей роторы были очень неудачными, и поэтому КПД этих моторов был ниже, чем у других типов электрических двигателей. (Феррарис, о котором упоминалось выше, создал асинхронный двухфазный двигатель с КПД порядка 50% и считал это пределом.) Очень большое значение играл здесь материал, из которого изготавливался ротор, поскольку тот должен был удовлетворять сразу двум условиям: 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 плохой проводник для магнитного потока статора и КПД такого двигателя был очень низким. Если медный цилиндр заменяли стальным, то магнитный поток резко возрастал, но, поскольку электрическая проводимость стали меньше, чем меди, КПД опять был невысоким. Доливо‑Добровольский нашел выход из этого противоречия: он выполнил ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало его магнитное сопротивление), а в просверленные по периферии последнего каналы стал закладывать медные стержни (что уменьшало электрическое сопротивление). На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом (замыкались сами на себя). Решение Доливо‑Добровольского оказалось наилучшим. После того как он получил в 1889 году патент на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть до настоящего времени. Вслед за тем Доливо‑Добровольский стал думать над конструкцией статора неподвижной части двигателя. Конструкция Теслы казалась ему нерациональной. Поскольку КПД электрического двигателя напрямую зависит от того, насколько полно магнитное поле статора используется ротором, то, следовательно, чем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше потери электрической энергии и тем меньше КПД. Чтобы этого не происходило, зазор между ротором и статором должен быть как можно меньше. Двигатель Теслы с этой точки зрения был далек от совершенства — выступающие полюса катушек на статоре создавали слишком большой зазор между статором и ротором. Кроме того, в двухфазном двигателе не получалось равномерное движение ротора. Исходя из этого, Доливо‑Добровольский видел перед собой две задачи: повысить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы. Первая задача была несложной — достаточно было убрать выступающие полюса электромагнитов и равномерно распределить их обмотки по всей окружности статора, чтобы КПД двигателя сразу увеличилось. Но как разрешить вторую проблему? Неравномерность вращения можно было заметно уменьшить, лишь увеличив число фаз с двух до трех. Но был ли этот путь рациональным? Получить трехфазный ток, как уже говорилось, не представляло большого труда. Построить трехфазный двигатель тоже было нетрудно — для этого достаточно разместить на статоре три катушки вместо двух и каждую из них соединить двумя проводами с соответствующей катушкой генератора. Этот двигатель должен был по всем параметрам быть лучше двухфазного двигателя Теслы, кроме одного момента — он требовал для своего питания шести проводов, вместо четырех. Таким образом, система становилась чрезмерно громоздкой и дорогой. Но, может быть, существовала возможность подключить двигатель к генератору как‑нибудь по другому? Доливо‑Добровольский проводил бессонные ночи над схемами многофазных цепей. На листах бумаги он набрасывал все новые и новые варианты. И, наконец, решение, совершенно неожиданное и гениальное по своей простоте, было найдено. Действительно, если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря генератора и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки, то при вращении якоря между полюсами на каждой щетке будет индуцироваться один и тот же по величине ток, но со сдвигом во времени, которое необходимо для того, чтобы виток переместился по дуге, соответствующей углу 120 градусов. Иначе говоря, токи в цепи будут сдвинуты относительно друг друга по фазе также на 120 градусов. Но этой системе трехфазного тока оказалось присуще еще одно чрезвычайно любопытное свойство, какого не имела ни одна другая система многофазных токов — в любой произвольно взятый момент времени сумма токов, текущих в одну сторону, равна здесь величине третьего тока, который течет в противоположную сторону, а сумма всех трех токов в любой момент времени равна нулю. Например, в момент времени t1 ток i2 проходит через положительный максимум, а значения токов i1 и i3, имеющих отрицательное значение, достигают половины максимума и сумма их равна току i2. Это означает, что в любой момент времени один из проводов системы передает в одном направлении такое же количество тока, какое два других вместе передают в противоположном направлении. Следовательно, предоставляется возможность пользоваться каждым из трех проводов в качестве отводящего проводника для двух других, соединенных параллельно, и вместо шести проводов обойтись всего тремя! Чтобы пояснить этот чрезвычайно важный момент, обратимся к воображаемой схеме. Представим себе, что через круг, вращающийся вокруг своего центра, проходят три соединенных между собой проводника, в которых протекают три переменных тока, сдвинутых по фазе на 120 градусов. При своем вращении каждый проводник находится то на положительной, то на отрицательной части круга, причем при переходе из одной части в другую ток меняет свое направление. Эта система вполне обеспечивает нормальное протекание (циркуляцию) токов. В самом деле, в некоторый момент времени проводники I и II оказываются соединенными параллельно, а III отводит от них ток. Некоторое время спустя II переходит на ту же сторону, где находится III; теперь уже II и III работают параллельно, а I как общий отводящий ток провод. Далее III переходит на ту сторону, где еще находится I; теперь II отводит то количество, что III и I подводят вместе. Затем I переходит на ту сторону, где еще находится II, и т.д. В приведенном примере ничего не говорилось об источниках тока. Как мы помним, этим источником является трехфазный генератор. Изобразим обмотки генератора в виде трех катушек. Для того чтобы протекание тока происходило описанным нами способом, эти катушки могут быть включены в цепь двояким образом. Мы можем, к примеру, 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. Мы можем также переместить точки приложения электродвижущих сил и на концы параллельных проводников. Если мы поместим здесь наши катушки, то получим 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 построил зимой 1889 года. В качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24‑мя полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Теслы, Доливо‑Добровольский рассредоточил обмотки в пазах по всей окружности статора, что делало более благоприятным распределение магнитного поля. Ротор был цилиндрическим с обмотками «в виде беличьей клетки». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали больше. Стержни «беличьей клетки» не имели никакой изоляции. В качестве источника трехфазного тока был использован стандартный генератор постоянного тока, перестроенный в трехфазный генератор так, как это было описано выше. Впечатление, произведенное первым запуском двигателя на руководство АЭГ, было огромным. Для многих стало очевидно, что долгий тернистый путь создания промышленного электродвигателя наконец пройден до конца. По своим техническим показателям двигатели Доливо‑Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы — обладая очень высоким КПД, они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру. С этого времени началось быстрое внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности. жүктеу/скачать 8,62 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|