Промышленные генераторы с самовозбуждением Грамма

Министерство  образования и науки Российской федерации

Рязанский Государственный Радиотехнический университет

Кафедра Промышленной электроники

 

 

 

Доклад  по курсу истории электроники

 

на  тему

 

«Промышленные генераторы с самовозбуждением Грамма».

 

 

 

 

 

Содержание.

1. Изобретение самовозбуждающегося генератора с кольцевым якорем
2. История Грамма
3. Самовозбуждение электромашинных генераторов
4. Условия самовозбуждения
5. Другие устройства подобного типа
6. Значение устройства.

 

Новый период в истории электротехники начался после изобретения электрического генератора с самовозбуждением (машина Грамма) и нового электрического источника света (электрическая свеча Яблочкова). Именно эти изобретения оказались наиболее важными для нового этапа развития применений электричества; самовозбуждающийся электрический генератор с кольцевым якорем явился экономичным источником электроэнергии, который способствовал быстрому и широкому распространению нового источника света — электрической свечи. Электрическая свеча была первым приемником электрической энергии, применение которого на практике быстро получило массовый характер.

Электрические машины, электрические  источники света, а также предметы оборудования электроустановок явились основными изделиями первых более или менее крупных электротехнических предприятий. Рост электротехнической промышленности и возникновение электротехнических трестов и концернов отражали типичные тенденции в развитии капитализма конца XIX—начала XX вв.

Зеноб Теофил Грамм (4 апреля 1826 — 20 января 1901) — знаменитый изобретатель названных его именем магнито и динамоэлектрических машин, по происхождению бельгиец, состоял модельщиком на заводах французского общества «Alliance», изыскивавшего лучшие способы устройства магнитоэлектрических машин для разложения воды.

В 1870 г. Грамм получил патент на генератор нового типа, в котором  физический принцип самовозбуждения сочетался с весьма удачными конструктивными решениями (кольцевой якорь, коллектор). Как уже отмечалось, кольцевой якорь был изобретен Пачинотти в I860 г., но Грамм усовершенствовал этот якорь конструктивно, изготовляя тело якоря из пучка стальных проволок, благодаря чему заметно снижались потери на вихревые токи; кроме того, Грамм предусмотрел возможность построения многополюсных машин. Вместе с тем Грамм сделал шаг назад по сравнению с работами Пачинотти, изготовив свой якорь без зубцов, что вело, с одной стороны, к усложнению крепления обмотки, а с другой стороны, к увеличению магнитного рассеяния и магнитного сопротивления воздушного зазора в машине и некоторому увеличению потерь в меди якоря. Грамм применил кольцевой якорь сначала для магнитоэлектрических генераторов, а затем снабдил кольцевым якорем машину с самовозбуждением, что явилось громадным шагом вперед. Одним из важнейших преимуществ кольцевого якоря являлось то, что он давал постоянный ток, практически неизменный по величине. Такой ток полностью отвечал тем требованиям, которые предъявлялись условиями возбуждения генератора. В противоположность этому в ранних конструкциях генераторов с самовозбуждением, в которых использовался, например, двух-Т-образный якорь, ток был резко пульсирующим и вызывал   большие потери в полюсах машины от изменения намагничивания. С этой точки зрения мысль Грамма использовать постоянный ток, получаемый от машины с кольцевым якорем, для возбуждения той же машины была чрезвычайно плодотворной. Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии, позволявшим получать значительные мощности при высоком к. п. д. и сравнительно малых габаритах и весе. Сравнение машины Грамма, например, с машиной «Альянс» показывает, что самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем имеет вес на 1 кет примерно в 6 раз меньше, чем генератор с постоянными магнитами.

Очевидные преимущества генератора Грамма способствовали тому, что этот генератор очень быстро вытеснил другие типы и получил очень широкое распространение В начале 70-х годов принцип обратимости электрических машин был уже хорошо известен, и машина Грамма после Венской международной выставки (1873 г.) часто использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким образом, в начале 70-х годов обе линии развития электрических машин - генератора и двигателя - объединились.

Машина Грамма в принципе представляла собой машину постоянного тока современного типа. Однако она нуждалась в определенных усовершенствованиях, и эти усовершенствования последовали в 70—80-х годах прошлого века.

Одно из наиболее существенных усовершенствований машины было сделано в 1873 г., когда немецкий электротехник Ф. Геф-нер-Альтенек предложил  заменить кольцевой якорь барабанным. Основным недостатком кольцевого якоря являлось плохое использование меди в его обмотке, так как части витков обмотки, находившиеся на внутренней поверхности кольца, не использовались вовсе. В барабанном же якоре обе стороны каждой секции участвовали в создании электродвижущей силы, а не использовались только лобовые части обмотки. С 1878 г. барабанный якорь стали делать зубчатым, что позволило более надежно крепить обмотки и уменьшать воздушный зазор в машине. Борьба за снижение потерь в теле якоря привела в 1880 г. к предложению Т. А. Эдисона изготовлять якорь шихтованным, т. е. набранным из тонких стальных листов, оклеенных бумагой (впоследствии оклейка стальных листов бумагой была заменена лакировкой этих листов). В том же 1880 г. для улучшения условий охлаждения якоря американский изобретатель X. Максим предложил разделять шихтованный якорь на пакеты, что давало возможность создать в теле якоря каналы для прохождения воздуха. С 1885 г. началось применение шаблонной обмотки, что значительно снизило стоимость машин и улучшило качество обмотки. Важным усовершенствованием машины постоянного тока явилось введение в 1884 г. компенсационной обмотки, а в 1885 г. - дополнительных полюсов, с помощью которых удавалось компенсировать реакцию якоря и улучшить коммутацию. В 1891 г. Э. Арнольдом была опубликована первая крупная работа, посвященная обмоткам электрических машин.

По иному пути пошли некоторые  другие изобретатели, и среди наибольших успехов добился Никола Тесла. Тесла  не прибегая к попыткам получить разность фаз в самом двигателе, пришел к выводу о целесообразности построения генератора, который сразу давал бы два тока, различающих по фазе на 900.

Тесла построил двухфазный генератор  и питал от него двухфазный двигатель. Схематически система Тесла представлена на рисунке, слева изображен синхронный генератор, справа – асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушки, в которых генерировались два тока, сдвинутые по фазе на 900. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на черте для ясности эти кольца имеют различные диаметры). Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя катушек.

Основным недостатком двигателя  Тесла, который впоследствии сделал его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имели большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающий силы вдоль воздушного запора, что приводило к ухудшению характеристик машины. Таковы были следствия механического переноса в технику переменного тока конструктивных машин постоянного тока.

Конструкция обмотки ротора, как  выяснилось позднее, тоже оказалось  неудачной. Действительно, выполнение обмоток сосредоточенными (а не распределительными по всей окружности ротора) при выступающих полюсах на статоре, приводило к ухудшению пусковых условий двигателя, а то обстоятельство, что обмотки ротора имели сравнительно большое сопротивление, ухудшало рабочие характеристики.

Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из возможных многофазных  систем. Известно, что значительную установки для передачи электроэнергии составляемой затраты на линейные сооружения и, в частности, на линейные провода. В связи с этим казалось очевидным, что чем меньше принятое число фаз, тем меньшим будет число проводов и тем, следовательно, экономичнее устройство электропередачи. Двухфазная система требовала применения четырех проводов, а удвоение числа проводов по сравнению с установками постоянного тока или однофазного переменного токов представлялось нежелательным.

Встретившиеся экономические и  технические трудности задерживали  внедрение двухфазной системы в  практику. Фирма Вестенгауз, где  работал Тесла, построила несколько станций по его системе из которых наибольшим по масштабам была Ниагарская электростанция. 

17 июля 1871 года французский физик Жюль Жамен представил машину Грамма парижской академии наук, в 1873 году Грамм был награждён золотой медалью на выставке в Вене, в 1875 году — медалью общества поощрения развития электротехники; в 1876—1876 г. основалось общество «Societé des machines Gramme» для эксплуатации изобретения Грамма; в 1878 году впервые машины Грамма применены были для освещения Парижа.

Самовозбуждение электромашинных генераторов

Способ возбуждения магнитного поля главных полюсов генераторов, при котором обмотка главных  полюсов получает питание от обмотки  якоря (ротора). (В отличие от самовозбуждения, при независимом возбуждении обмотки главных полюсов питают от постороннего источника тока.) Наиболее часто самовозбуждение используется в генераторах постоянного тока. При пуске генератора с самовозбуждением начальный ток в обмотке возбуждения возникает за счёт ЭДС, наводимой в обмотке якоря остаточным магнитным полем главных полюсов. Для поддержания самовозбуждения необходимо, чтобы начальный ток усиливал это поле. Добавочный магнитный поток увеличивает ЭДС якоря и, как следствие, ток в обмотках главных полюсов. Однако из-за магнитного насыщения магнитопровода одинаковым приращениям увеличивающегося тока возбуждения соответствуют всё меньшие приращения магнитного потока. Процесс самовозбуждения продолжается до тех пор, пока ЭДС якоря превосходит падение напряжения в обмотке возбуждения. При определённой величине магнитного потока наступает электрическое равновесие, и дальнейшее повышение магнитного потока, ЭДС якоря и тока возбуждения прекращается. Самовозбуждение может осуществляться при величине сопротивления обмотки возбуждения, не превышающей известного предельного значения, зависящего от электрических параметров генератора.

Применяют самовозбуждение  с параллельным, последовательным и  смешанным (параллельно-последовательным) включением обмоток главных полюсов  относительно обмотки якоря. Для  создания остаточного магнитного потока в машине с самовозбуждением, по какой-либо причине утратившей остаточное намагничивание главных полюсов, по обмотке возбуждения пропускают ток нужного направления, который получают от постороннего источника.

Условия самовозбуждения.

1. Генератор должен обладать остаточным магнетизмом. В этом случае на зажимах якоря генератора появится напряжение. Появившееся напряжение остаточного магнетизма прикладывается к обмотке генератора, по ней начинает протекать ток, и в обмотке возбуждения создается магнитный поток.

2. Магнитный поток обмотки возбуждения должен быть направлен согласно с потоком остаточного магнетизма, т.е. потоки должны складываться. Два потока, сложившись, приводят к увеличению напряжения на якоре генератора, которое прикладывается к обмотке возбуждения, вызывает увеличения магнитного потока и дальнейшее увеличение напряжения на генераторе.

Возбуждение генератора проходит по характеристике холостого хода.

Если магнитные потоки обмотки возбуждения и остаточного  магнетизма будут направлены встречно, произойдет размагничивание машины и включение ее будет невозможно. Чтобы этого не произошло, на корпусе генератора параллельного возбуждения или смешанного возбуждения отливается стрелка, показывающая в какую сторону должен вращаться якорь, чтобы не произошло размагничивание.

Увеличение напряжения на генераторе с параллельным возбуждением будет происходить, пока характеристика цепи возбуждения Rвiв не пересечется с характеристикой холостого хода. Эти характеристики должны пересекаться на нелинейной части характеристики холостого хода. Угол наклона α зависит от величины сопротивления цепи возбуждения. Если сопротивление Rв цепи возбуждения будет большим, точка пересечения характеристик перейдет в область насыщения, и генератор не будет регулироваться. Если сопротивление будет мало, то характеристика цепи возбуждения может стать касательной к характеристике холостого хода, тогда машина не будет возбуждаться.

Развитие электрических  машин наглядно иллюстрирует характерную закономерность в развитии техники вообще. Эта закономерность проявляется в следующем: если развитие какой-либо отрасли техники тормозится недостаточным уровнем другой отрасли техники или области науки, то развитие последней ускорялся требованиями первой. Так, если отсутствие экономичного генератора тока сдерживало расширение практических применена электричества, то последние стимулировали, ускоряли работу по созданию более совершенной конструкции генератора. В развитии электрического генератора постоянного тока можно разделить на четыре этапа. Первый этап (1831 — 1851 гг.) характеризуется созданием электрических генераторов с возбуждением от постоянных магнитов Такие генераторы получили в то время название магнито- электрических машин. Открытие в 1831 г. явления электромагнитной продукции указало новый способ получения электрического тока который нашел свое практическое воплощение в первом униполярном генераторе — диске Фарадея. Один из первых шагов в истории генератора несет в себе тайну, оставшуюся неразгаданной. Дело в том, что имя изобретателя, сделавшего этот шаг, оставалось неизвестным. Дадим слово Фарадею. «Вчера, по возвращении в город, — писал ученый в редакцию известного лондонскогонаучною журнала 27 июли 1832 г.,— я нашел закрытое письмо, — оно анонимное, и я не имею возможности назвать его автора. Но, «ввиду того, что он описывает опыт, при котором впервые удалось получить химическое разложение магнитоэлектрическим током, я посылаю Нам это письмо для опубликования...»

Письмо было подписано  двумя латинскимн буквами »Р. М,* Так и вошел в историю техники «.-генератор Р. М. ». Эта машина представляла собой синхронный многополюсный генератор, т.е. была генератором переменного тока. Письмо Р. М. привлекло к проблеме генератора внимание многих ученых. Прочел публикацию и сам «Р. М.», в марте 1833 г. он обратился и редакцию журнала с благодарностью Фарадею за публикацию письма и описанием усовершенствовании в машине. Главное нз них — добавочное стальное кольцо (ярмо), замыкавшее магнитную цепь сердечников электромагнитов.

И снопа та же подпись: «Р. М.» На рис. 4.13 представлен усовершенствованный вариант генератора. Фарадей также способствовал опубликованию в журнале письма Сальватора даль Негро (апрель 1832 г.), работавшего в городе Падун (Италия), В этом письме описан генератор с возвратно-поступательным движением блока из четырех постоянных магнитов, полюса которых в холили в соединенные определенной последовательности катушки. Это тоже был генератор переменного тока.

Однако переменный ток  в то временно не мог еше найти  себе потребителя, так как для всех практических применений электричества (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели требовался постоянный ток Знаменитый Ампер требовал, чтоб электрические машины давали настоящий, т.е. постоянны» ток. Поэтому в последующем изобретали направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.

Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюсной машине (в отличие от униполярной машины Фарадея, которая не нуждалась в устройстве для выпрямления тока, так как давала непосредственно постоянный ток) было применено в 1832 г. в генераторе братьев Пиксии. Изобретение представлялось тогда настолько важным, что сообщения о нем были дважды сделаны в Парижской академии наук. О существе предложения Пиксии можно судить по рис. 4.14. При вращении подковообразного постоянного магнита наводилась переменная ЭДС в двух неподвижных катушках со стальными сердечниками. Магнит приводился вовращение посредством рукоятки и конической передачи. Концы последовательно соединенных катушек выводились к зажимам барабанного коммутатора. В первых конструкциях генераторов для получения тока неизменного направления (но резко пульсирующего) применялось так называемое коромысло Ампера, идея которого ясна из рис. 4.6. В начале 30-х годов индуктированный ток был еще непривычной новинкой, открытой Фарадеем. Поэтому Ампер в докладе о генераторе Пиксии счел нужным подчеркнуть, что с помощью тока от этого генератора «были получены: интенсивные искры; довольно сильное сотрясение; онемение и непроизвольное движение пальцев...; сильное расхождение золотых листиков в конденсаторе Вольта; довольно сильное разложение воды, слегка подкисленной серной кислотой для улучшения ее проводимости».