Основной составной частью ЭП (электрический привод) является электромеханический преобразователь (ЭД - электрический двигатель).
К середине 30-х гг. XIX в. результаты разработок опытных образцов и проводимых лабораторных экспериментов явились объективными предпосылками для создания практически пригодного ЭД.
Основательное изучение большинства ранее разработанных и изготовленных электромагнитных приборов и устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую, позволило в 1834 г. Инспектору гавани в Пиллау (г. Балтийск Калининградской области), немцу по национальности, Б. С. Якоби (M. H. Jacobi) (1801–1874) (рис. 1.1) обосновать преимущества преобразователя (ЭД) с электромагнитным вращением и обозначить контуры будущей машины, которую он первоначально называл магнитным аппаратом.
Борис Семёнович Якоби - Moritz Hermann von Jacobi
В отличие от большинства ученых и изобретателей своего времени, Якоби не рассматривал обнаруженные электромагнитные свойства только как возможность создания лишь лабораторных приборов. Он был убежден в том, что обнаруженные электромагнитные свойства указывают на возможность создания нового двигателя (магнитного аппарата), способного заменить паровую машину.
Необходимое взаимодействие между электромагнитами подвижной и неподвижной частей машины могло быть осуществлено путем изменения в определенной последовательности направления тока в их обмотках. С целью выполнения этого условия Якоби разработал оригинальную конструкцию устройства автоматического переключения направления тока в обмотках электромагнитов подвижной (вращающейся) части (коммутатора).
Весной 1834 г. Б. С. Якоби завершил основные работы по разработке компонентов модели ЭД и создал опытный образец, действующего на принципе взаимодействия подвижных и неподвижных электромагнитов.
Двигатель (рис. 1.2), действующий на принципе взаимодействия подвижных и неподвижных электромагнитов, имел две группы П-образных электромагнитов по восемь стержней «мягкого железа» в одной группе. Четыре электромагнита 1 были установлены неподвижно, а другие четыре электромагнита 2 были закреплены на вращающемся диске 3. Между торцевыми концами стержней подвижных и неподвижных электромагнитов имелся минимальный зазор.
Длина каждого стержня составляла 7 дюймов, а толщина – 1 дюйм (1 дюйм =25,4•10-3 м). Все 16 стержней были обмотаны 320 футами медной проволоки толщиной в «одну с четвертью линии», изолированной шелком. Обмотки неподвижных и подвижных электромагнитов соединялись последовательно. Питание обмоток магнитов электрическим током 1 и 2 осуществлялось от батареи гальванических элементов 4.
С целью изменения полярности напряжения в группе обмоток 1, необходимого для работы двигателя, использовался коммутатор 5.
Для приведения двигателя в действие ось вначале проворачивали вручную до установления друг против друга противоположных стержней с одноименными полюсами. В результате взаимодействия полюсов диск начинал вращаться. После каждой встречи одноименных полюсов коммутатор менял направление тока в обмотках стержней диска. Со сменой направления тока менялась полярность стержней, взаимодействие полюсов становилось непрерывным, и диск продолжал вращаться равномерно.
Якоби отмечал, что успешная работа машины была обусловлена удачной конструкцией жиротропа, осуществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот, т.е. восемь раз в 1/2 или 3/4 секунды, если раствор батареи состоит из слабо подкисленной воды, при которой едва заметно выделение газа. Частота вращения диска составляла от 80 до 120 об/мин. Вращающаяся часть двигателя составляла массу около 50 фунтов, развивая скорость 6 фунтов в секунду.
Первый ЭД развивал мощность около 15 Вт, поднимая груз до 12 фунтов со скоростью 1 фут в 1 с (около 0,3 м/с). Полезная работа, измерялась прибором, аналогичным тормозу Прони.
Двигатель Якоби послужил исходным средством для разработки общей теории электромагнитных машин.
Вскоре, идя по пути усовершенствования конструкции двигателя, в первую очередь с целью увеличения мощности, Б. Якоби создал сдвоенный горизонтальный электрический двигатель - рис. 1.3.
В ЭД были семьдесят два взаимодействующих полюса электромагнитов вместо шестнадцати полюсов в первом горизонтальном двигателе Якоби.
Якорь 1 сдвоенного ЭД (вращающаяся часть) имел 12 стержневых электромагнитов 2, которые были установлены на деревянной шестиконечной звезде, насаженной на вал 3. По обеим сторонам якоря 1 на неподвижных щитах (двенадцатиконечных) 4 были укреплены 24 электромагнита 5, имеющих U-образную форму. Неподвижные электромагниты 5 были установлены со сдвигом друг относительно друга на 30°. При такой конструкции подшипники ЭД по сравнению с первым горизонтальным двигателем, имеющим сдвиг на 45°, больше разгружались от аксиального усилия, возникающего при взаимодействии магнитов.
Мощность сдвоенного ЭД составляла (120...150) Вт.
В начале 1837 г. американский изобретатель Т. Дэвенпорт (T. Davenport) (1802-1851) (рис. 1.4) создал конструкцию ЭД с непосредственным вращением якоря и получил патент на «Применение электромагнетизма для приведения в движение машин».
Двигатель Т. Дэвенпорта был подобен двигателю Б. Якоби, но вертикального исполнения - рис. 1.5.
Принцип действия этого ЭД был основан на взаимодействии между подвижными электромагнитами и неподвижными постоянными магнитами.
Двигатель имел четыре электромагнита 1, 2, 3, 4, расположенных крестообразно в одной горизонтальной плоскости. Эти электромагниты были укреплены на деревянном диске 5, который вместе с вертикальным валом 6 вращался, опираясь на подпятник 7, помещенный на подставке 8. На неподвижном деревянном кольце 9 были установлены два постоянных магнита 10, 11, согнутых каждый в виде полудуги окружности. Магниты 10, 11 соприкасались одноименными полюсами, образуя замкнутое кольцо. На подставке 8 были установлены медные пластины 12, 13, каждая из которых представляла собой половину кольца диска. К этим пластинам подсоединялись провода от гальванической батареи 14. Концы двух электромагнитов (их обмоток) 1 и 3 имели пружинящие контакты 15 и 16, а обмоток электромагнитов 2 и 4 - пружинящие контакты 17 и 18.
Под действием магнитных сил при взаимодействии электромагнитов 2 и 4 с постоянными магнитами 10 и 11 создавался вращающий момент и вал 6 поворачивался на 90°. После поворота ток в обмотке электромагнитов 2 и 4 изменял свое направление на противоположное.
Позднее Т. Дэвенпорт усовершенствовал созданный им ЭД, заменив неподвижные постоянные магниты неподвижными электромагнитами.
В этом случае соединительные с батареей провода были расположены таким образом, что тот же самый ток, который заряжал электромагниты 1, 2, 3 и 4 вращающегося колеса 5, заряжал и неподвижные магниты, расположенные вокруг колеса 5; таким образом, машина нуждалась только в одной батарее.
Необходимо отметить преимущество, заключающееся в том, что неподвижные гальванические магниты, заменяющие постоянные стальные магниты 10, 11, имели вдвое меньший вес.
Двигатели вертикального исполнения Дэвенпорта были компактнее ЭД, созданных Якоби, благодаря расположению в одной плоскости подвижных и неподвижных магнитов.
При создании более мощного ЭД такое взаимное расположение элементов давало возможность многократного их повторения.
С учетом преимуществ конструкций двигателей Т. Дэвенпорта Б. С. Якоби в 1838 г. создал сдвоенный ЭД с вертикальными валами.
Принцип действия его был аналогичен принципу действия ЭД, созданных Якоби в 1834 г. Однако конструктивно двигатель претерпел большие изменения. Рисунков, чертежей или описания данного ЭД Б. Якоби обнаружить не удалось.
На рис. 1.6 показан двигатель Б. Якоби 1838 г., воспроизведенный московским инженером С. А. Гусевым.
В деревянной станине, образованной одной средней стойкой 1 и двумя боковыми стойками 2, были установлены 40 ЭД, подразделенных на две группы. Каждая группа из 20 двигателей была установлена на общем вертикальном валу 3 и имела общий коммутатор 4. Высота каждого вала составляла около 1200 мм. Основание имело размеры 700х770 мм. Неподвижная часть каждого двигателя представляла собой кольцо, составленное из двух электромагнитов 5 и 6, изогнутых по дуге окружности и скрепленных между собой скобами 7 и 8. Каждый из электромагнитов 5 и 6 занимал по длине четверть окружности кольца. Подвижная часть каждого из ЭД была составлена из четырех электромагнитов 9, укрепленных на втулке 10.
Изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов 9 осуществлялось коммутаторами 4. На каждом из двух вертикальных валов 3 была установлена коническая шестерня 11, сцепленная с конической шестерней 13, укрепленной на горизонтальном валу 12. Такая конструкция двигателя давала возможность быстрой смены любого из неподвижных или подвижных электромагнитов в случае повреждения изоляции обмотки.
Общая мощность вертикального двигателя Якоби достигала 3/4 л.с. (около 552 Вт).
По мнению российского ученого и изобретателя В. Кайданова, машина Якоби не имела никакого преимущества перед дэвенпортовой. Она даже имела недостаток, который успел устранить Дэвенпорт: когда машина находилась в мертвых точках, т.е. когда полюса подвижных электромагнитов находились под полюсами неподвижных, тогда действие магнетизма в машине Якоби не стремилось продолжать обращение машины. В первом ЭД Якоби в эти моменты притяжение магнитов производило вредное действие: ось подвижного круга сильно нажимала своим концом и оттого увеличивала трение. Между тем в машине Дэвенпорта этого недостатка не было, т.к. концы ровно притягивались полюсами и поэтому не происходило никакого давления на ось. Это неудобство заставило Якоби оставить свое прежнее устройство, а в больших машинах, которые он устроил в Петербурге, он принял устройство Дэвенпорта. Но в другом отношении машина Якоби имела преимущества перед дэвенпортовой: коммутатор Якоби был гораздо совершеннее.
Таким образом, в этот исторический период были созданы основные и необходимые предпосылки для возникновения и развития ЭП (электрический привод), в том числе судового.
Осенью 1838 г. на Неве начало плавать первое в мире судно с гребным ЭП Якоби.
В современном понимании первый ЭП представлял собой систему «гальваническая батарея - двигатель постоянного тока» для привода гребных колес шлюпки. По этому поводу в газете того времени «Северная пчела» было отмечено, что России принадлежит слава первого применения теории к практике.
Необходимо отметить, что многие открытия и достижения электротехники, включая ЭП, опробовались и внедрялись на флоте, как правило, на военном, поскольку на верфях дореволюционной России торгового судостроения практически не было.
В 1856 г. инженер Ж. Е. Деринг построил электрическую лодку, двигатель которой отличался оригинальным устройством: вращение его вызывалось магнитами, расположенными подобно гальванометрическим стрелкам, между проволочными оборотами, по которым проходил батарейный ток.
В 1860 г. итальянский физик и изобретатель А. Пачинотти (Pacinotti) (1841-1912) (рис. 1.7) впервые создал двигатель постоянного тока с кольцевым якорем - рис. 1.8.
Обточенное железное кольцо 1 (рис. 1.8) имело по окружности 18 равных зубцов и поддерживалось четырьмя латунными спицами 3, которые скрепляли его с осью 4 машины. Между соседними зубцами были установлены небольшие треугольные призмы 5, образующие пазы, в которые была уложена медная изолированная шелком проволока таким образом, что было получено между зубцами колеса 1 такое же количество изолированных спиралей 6. Переходя от одной зубчатки к намотке следующей был оставлен свободный конец медной проволоки. Все проволоки были перенесены на ось 7 и припаяны к концу одной катушки 6 и началу следующей. Каждая катушка была прикреплена к коммутатору 8, также укрепленному на оси 7.
Коммутатор состоял из небольшого цилиндра из бука с двумя рядами углублений по цилиндрической поверхности, в которые были вставлены 18 латунных пластинок 9 (восемь сверху и восемь снизу). Первые чередовались со вторыми, немного выступая на поверхности, будучи отделены деревом друг от друга. К каждой из пластинок 9 были припаяны соответствующие концы проволоки, соединенной с концами двух катушек 6. Таким образом, все катушки 6 соединялись между собой. При подключении к полюсам батареи двух из них посредством двух металлических колесиков 10 и 11 ток, раздваиваясь, протекает по спирали 6 по двум сторонам до точек, откуда отходят концы, соединенные с пластинками 9 коммутатора 8. На железе кольца 1 появляются магнитные полюсы. Прямая линия, которая соединяет полюсы, может быть названа магнитной осью, которая при изменении точек присоединения к гальванической батарее может принимать любое положение, поперечное железному кольцу 1 якоря (поперечного электромагнита). Два магнита, расположенных с двух сторон, могут рассматриваться как два изогнутых электромагнита с одинаковыми полюсами.
На эти полюсы действовали полюсы неподвижного электромагнита и заставляли вращаться якорь 1.
Неподвижный электромагнит состоял из двух железных цилиндров 12, соединенных вместе поперечной железной полосой 13, к которой один был привинчен, а другой закреплен находящимся внизу винтом 14, позволяющим ему перемещаться вдоль паза 15, чтобы иметь возможность приближать или удалять полюсы от зубцов колеса 1.
Ток гальванической батареи из зажима 16 протекал через колесико 11 по всем катушкам 6, катушкам 17 и 18 ко второму зажиму 19. К двум сердечникам 12 неподвижного электромагнита были добавлены два полюсных наконечника 20 из мягкого железа, каждый из которых охватывал более 1/3 зубчатого колеса 1.
По результатам испытаний А. Пачинотти сделал вывод о возможности обратимости данной электрической машины (ЭМ). По его мнению, ценность этой модели могла возрасти еще и от того, что можно было с легкостью свести электромагнитную машину к магнитоэлектрической. Однако конструктивное механическое исполнение ЭД Пачинотти было неудовлетворительным. Несмотря на это, с изобретением ЭМ с кольцевыми якорями началась новая эпоха их развития.
В начале 1878 г. на Балтийском флоте была учреждена должность флагманского минного офицера по электрическому освещению, на которую был назначен лейтенант Е. П. Тверитинов (1850-1920) - рис. 1.9. Тверитинова принято считать основоположником судовой электротехники.
В 1880 г. лейтенант Мещерский и прапорщик Алексеев составили первый проект автоматического рулевого устройства с возможностью ручного управления (проект «приложения гальванизма к управлению рулем»). Авторы так обозначили цель проекта:
- сосредоточить непосредственное управление рулем в одних самых опытных руках на корабле (командир, штурман);
- ускорить и облегчить действие рулем;
- представить средство для извлечения возможной пользы из качеств корабля, служащих поворотливости, и для уничтожения невыгод от пороков (рыскливости, вертлявости), вредящих точному плаванию корабля по заданному курсу;
- отстранить ошибки неопытности рулевых в умении держать судно на курсе, в особенности при плаваниях в узкостях, где эти ошибки ведут к авариям.
Однако до технической реализации этот проект доведен не был.
В 1881 г. в Англии была создана и испытана первая практически пригодная лодка «Electricity» с гребным ЭП, на борту которой могли свободно разместиться 12 человек. При пробной поездке лодка двигалась против ветра и течения со средней скоростью 14,4 км/ч.
В том же 1881 г. на Международной (Всемирной) электротехнической выставке в Париже демонстрировался гребной ЭП с «подвесным электромотором» французского изобретателя Г. Труве - рис. 1.10. Гребной ЭД постоянного тока размещался на баллере руля лодки и приводил во вращение трехлопастной гребной винт посредством простейшей цепной передачи. Лодка сделала несколько поездок по Сене, развивая скорость до 5,4 км/ч против течения и около 9,0 км/ч по течению.
В 1884-85 гг. русский ученый- электротехник М. О. Доливо-Добровольский (1862-1919) (рис. 1.11) разработал пусковую схему для ЭД постоянного тока, что дало возможность внедрения ЭП с двигателями постоянного тока, в том числе и на флоте.
Первым отечественным судном, на котором ориентировочно в 1885 г. впервые применили силовые ЭП для простейших механизмов (корабельных вентиляторов), был крейсер «Адмирал Нахимов». Первые судовые ЭП были маломощными и не требовали сложных СУ. Вскоре ЭП судовых вентиляторов получили широкое распространение.
В 1885 г. известный итальянский физик и электротехник Г. Феррарис (G. Ferraris) (1847-1897) (рис. 1.12) открыл явление вращающегося магнитного поля. В своей работе «Электродинамическое вращение, полученное посредством переменных токов», вышедшей в 1888 г., он опубликовал открытие явления вращающегося магнитного поля, полученного при помощи двух катушек, расположенных взаимно перпендикулярно, к которым подключалось сдвинутое по фазе на 90° переменное напряжение. На основании исследований Г. Феррарис разработал и создал опытный образец двухфазного индукционного ЭД - рис. 1.13.
Медный цилиндрический ротор 1 ЭД укреплялся на горизонтальной оси и помещался внутри двух катушек 2 и 3, которые подключались к переменному напряжению. Для сдвига переменного тока в катушках 2 и 3 по фазе на 90° в цепь одной из катушек включалось большое активное сопротивление, а в цепь другой - катушка, имеющая большое индуктивное сопротивление. Ротор этого двигателя имел длину 18,0 см, диаметр 8,9 см и вес около 2,5 кг.
С целью усиления магнитного потока Феррарис предложил второй вариант двухфазного индукционного двигателя (рис. 1.14), где 1 - пазы; 2 - металлическое кольцо; 3 - ротор; 4 - ось (вал).
Предполагая, что ЭД должен работать при максимальной мощности, он сделал ошибочный вывод о том, что двухфазные индукционные двигатели принципиально не могут иметь значение КПД более 50%.
В 1887 г. сербский изобретатель Н. Тесла (N. Tesla) (1856-1943) (рис. 1.15), независимо от Феррариса, самостоятельно открыл явление вращающегося магнитного поля и сконструировал несколько вариантов многофазных (двух- и трехфазных) индукционных ЭД.
На рис. 1.16 представлен вариант двухфазного асинхронного ЭД Тесла.
Индуктор 1 состоял из четырех стержней. Каждый сердечник 2 имел свою полюсную катушку, причем противоположные катушки были включены в одну фазу двойного переменного тока. Якорь ЭД состоял из двух групп катушек (обмоток) 4, которые имели проволочную обмотку. Каждая обмотка была замкнута на себя.
Принцип действия двухфазного индукционного двигателя Н. Тесла был также основан на взаимодействии вращающихся полей. При подключении пар полюсных катушек индуктора I-I и II-II к переменному напряжению по ним протекали токи, сдвинутые по фазе на 90°. В этом случае появлялось вращающееся магнитное поле индуктора (статора). В короткозамкнутых катушках 4 ротора 3 индуктировались переменные электродвижущие силы (ЭДС) и возникали токи, под действием которых создавалось вращающееся магнитное поле ротора. При взаимодействии вращающихся магнитных полей индуктора (статора) и ротора создавался вращающий момент.
У варианта трехфазного индукционного двигателя (рис. 1.17) на индукторе 1 были расположены шесть сердечников 2, снабженных катушками. Диаметрально расположенные катушки были последовательно соединены и включены в одну из трех фаз тока (переменного), сдвинутых по фазе на 60° электрических.
В качестве ротора 3 служил железный диск или цилиндр, на котором были уложены три замкнутые на себя катушки 4, расположенные под углом 90° одна относительно другой.
Принцип действия трехфазного индукционного ЭД Тесла также был основан на взаимодействии вращающихся полей.
Двигатели Тесла не нашли широкого применения даже после того, как была применена позаимствованная у Доливо- Добровольского распределенная обмотка.
В 1888 г. Н. Тесла сделал вывод, что в двухфазной системе переменных токов для питания ЭД можно обойтись тремя проводами, а в трехфазной - четырьмя, сделав общим один провод для различных фаз. В этом случае ток в четвертом проводе будет в два раза больше, чем в первых трех.
Тесла дал строгое научное обоснование явления вращающегося магнитного поля, получил патенты на изобретение многофазных электрических машин, в том числе и с короткозамкнутым ротором (патент Англии № 6481, 1888 г.), а также на системы передачи электроэнергии посредством многофазного электрического тока.
В том же 1888 г. Г. Феррарис, независимо от Н. Тесла, дал строгое научное описание существа явления вращающегося магнитного поля и опубликовал статью об открытии им явления вращающегося магнитного поля.
Таким образом, Г. Феррарис и Н. Тесла доказали, что при питании двух катушек, расположенных перпендикулярно (сдвинутых в пространстве на угол 90°), двумя равными синусоидальными переменными токами, сдвинутыми по фазе на 90°, вектор суммарной магнитной индукции приобретает равномерное вращательное движение, т.е. внутри катушек (обмоток) создается круговое вращающееся поле.
Относительно статьи Г. Феррариса М. О. Доливо-Добровольский отмечал: «Феррарис упомянул, что принцип вращающегося поля может быть применен для ЭД, но сразу же аннулировал свои выводы посредством расчета, согласно которому такие двигатели смогут иметь высший теоретический КПД 50 % (практически же не более 40%). Его ошибка заключалась в том, что он искал ,,максимальную мощность“, которая получалась как раз при 50% скольжения. Это был такой же метод расчета, который при исчислении максимальной мощности батареи приводит к равенству внешнего и внутреннего сопротивления».
Немедленно после публикаций Феррариса Доливо-Добровольский мысленно представил ЭД многофазного тока с ничтожным скольжением. Ему был совершенно понятен высокий КПД, несмотря на авторитет и математические выкладки Феррариса.
Первый трехфазный АД Доливо-Добровольского с короткозамкнутым ротором в виде «беличьей клетки», на конструкцию которого он сделал патентную заявку, был изготовлен в начале 1889 г. - рис. 1.18...1.20. Этот двигатель построил завод немецкой Всеобщей компании электричества АЭГ (AEG) в Берлине.
Статор двигателя (рис. 1.19) был изготовлен с обращенными внутрь зубцами, в которых была уложена кольцевая обмотка (Грамма). Ротор двигателя (рис. 1.20) имел закрытые пазы, расположенные близко к периферии. В пазах ротора были уложены медные стержни, закороченные с обоих торцов кольцами. Воздушный зазор между статором и ротором составлял около 1 мм.
Доливо-Добровольский отмечал, что уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представления того времени действие. ЭД, якорь которого имел диаметр около 74 мм и длину также около 74 мм и не обладал никакими особенными присоединениями к сети, мгновенно стал вращаться на полное число оборотов и был совершенно бесшумен. Попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась. Если принять во внимание малые размеры моторчика, то это представлялось чудом. Вращающий момент при пуске был заметно больше, чем при двух фазах. При хорошей нагрузке от 1/10 до 1/8 л.с. значение полного КПД ЭД составляло около 80%. Двигатели постоянного тока того времени имели КПД по крайней мере на 10% меньше.
Мощность первого ЭД трехфазного переменного тока Доливо-Добровольского составляла около 100 Вт.
Необходимо отметить, что до этого ЭД известные двигатели переменного тока при включении в сеть нужно было разгонять внешними силами до определенной скорости.
Вскоре Доливо-Добровольским был создан трехфазный АД (асинхронный двигатель) с короткозамкнутым шихтованным ротором мощностью 5 л.с. (около 3,7 кВт). При запуске двигателя были обнаружены броски тока и повышенный шум, а при перегрузке на 50% двигатель останавливался и начинал гудеть. По результатам испытаний короткозамкнутый ротор ЭД был заменен фазным ротором, а для пуска и регулирования его скорости использовался реостат, включенный в цепь ротора посредством контактных колец.
В начале 1890 г. с целью уменьшения магнитного рассеяния обмотки статора был построен трехфазный асинхронный ЭД с обмоткой статора типа барабанного якоря мощностью до 3 л.с. (около 2,2 кВт) – рис. 1.21.
Индуктирующая часть 1, к которой подводился трехфазный ток из сети, была выполнена вращающейся и помещена внутри ЭД. К ней ток из электрической сети подводился при помощи трех колец и щеток.
Вторичная неподвижная обмотка 2 была выполнена в виде стержней и уложена в полузакрытые пазы. Воздушный зазор между вращающейся и неподвижной частями составлял 1 мм. Испытания показали хорошие результаты, как в отношении перегрузочной способности, так и по коэффициенту мощности (cosφ). Хотя вторичная часть была выполнена фазовой, однако пуск ЭД можно было осуществлять без включения добавочных сопротивлений.
В том же 1890 г. французские электрики М. Ютен и М. Леблан сконструировали двухфазный ЭД переменного тока, у которого разность фаз создавалась при помощи конденсатора – «конденсаторный двигатель» (патент № 3968, Швейцария, 1891 г.).
Для выставки во Франкфурте-на-Майне немецкой фирмой AEG был изготовлен трехфазный асинхронный ЭД М. О. Доливо-Добровольского мощностью 100 л.с. (около 73,6 кВт) – рис. 1.22.
Этот ЭД 1891 г., как и двигатель образца 1890 г., имел барабанный якорь, помещенный внутри ЭД. На его валу были установлены шесть контактных колец, что давало возможность включения обмотки в схему «звезда» или «треугольник». Вторичная обмотка была выполнена по типу волновой обмотки и уложена на неподвижной части. В трех точках этой обмотки были сделаны ответвления к трехфазному жидкостному реостату. Двигатель имел четыре пары полюсов и был изготовлен на трехфазные переменные напряжения 100 и 170 В частотой 40 Гц. Скорость вращающегося магнитного поля составляла 600 об/мин (около 62,8 рад/с).
На выставке во Франкфурте-на-Майне трехфазный АД М. О. Доливо-Добровольского приводил в действие водяной насос мощностью около 100 л.с. Вода посредством насоса подавалась для питания десятиметрового декоративного водопада. По сути, это был ЭП водяного насоса с двигателем трехфазного переменного тока.
Трехфазные двигатели Доливо-Добровольского имели достаточно высокие энергетические показатели. На рис. 1.23 приведен график зависимости КПД (η) от нагрузки, а на рис. 1.24 – коэффициента мощности (cosφ) от нагрузки трехфазного ЭД М. О. Доливо-Добровольского, представленные автором в докладе на Первом Всероссийском электротехническом съезде.
Отечественный ученый-электротехник и изобретатель В. Н. Чиколев (1845–1898) (рис. 1.25) опубликовал заметку о том, что с 1891 г. на Охтенских пороховых заводах действует электрическая шлюпка, развивая на валу около 21/4 л. с. Эта лодка была сконструирована В. Н. Чиколевым и носила название электроход. Впоследствии судовые гребные ЭП выделились в отдельно развивающееся направление судового ЭО(электрическое оборудование) –электродвижение судов.
Ориентировочно в этом же 1891 г. Русский электротехник В. Ф. Нейман разработал проекты применения ЭП для большинства корабельных механизмов, которые получили одобрение в Морском техническом комитете (МТК).
На первом в русском флоте классическом броненосце «Двенадцать Апостолов» в 1892 г. был успешно испытан первый рулевой ЭП. Комиссия, производившая испытания, рекомендовала заменить паровой рулевой привод электрическим на кораблях с электротехникой. Положительные результаты испытаний явились значительным и во многом определяющим шагом для дальнейшего развития рулевых ЭП.
Также 1892 г. был изготовлен трехфазный асинхронный ЭД М. О. Доливо-Добровольского мощностью 50 л.с. (около 36,8 кВт) на напряжение 110 В с барабанной распределенной обмоткой на статоре и короткозамкнутым ротором. В этом же году для уменьшения пусковых токов он предложил использовать автотрансформатор, имеющий переменный коэффициент трансформации.
Стремление усовершенствовать конструкцию трехфазного ЭД привело Доливо-Добровольского к созданию в 1893 г. ротора с двухрядной «беличьей клеткой».
В этом же 1893 г. Делендер (Даландер) предложил ступенчатое регулирование скорости трехфазных АД за счет изменения числа пар полюсов.
90-е гг. XIX в. характерны развитием ЭП корабельных артиллерийских установок.
В 1893 г. на крейсере «Адмирал Нахимов» впервые в русском флоте были установлены ЭП орудийных стволов в барбетных установках. Для крейсера «Рюрик» в этом же году были изготовлены беседочные элеваторы и тележки с беседками для подъема боеприпасов.
На броненосцах «Адмирал Сенявин» и «Сисой Великий» в 1893 г. Были установлены ЭП лебедок грузоподъемностью 5 и 8 т.
В 1894 г. электротехник «Балтийского завода» А. В. Шубин разработал ЭП системы Г–Д.
Эталоном для доработок и усовершенствований технических решений стал броненосец «Двенадцать Апостолов». На этом корабле впервые вместо постоянного напряжения (50…70) В было применено постоянное напряжение 100 В. К потребителям судовой электрической энергии относились в том числе ЭП вентиляторов, лебедок для подачи боеприпасов к орудиям и др.
В эти годы М. О. Доливо-Добровольским были построены векторные диаграммы электрических цепей переменного тока, введено понятие активной и реактивной (безваттной) мощности.
Большое значение для развития теории ЭМ трехфазного переменного тока имеют круговые диаграммы, которые в современном виде позволяют наглядно представлять важнейшие зависимости между величинами, характеризующими работу машин. Теоретически существование круговой диаграммы для АД обосновал в 1894 г. А. Гейланд.
К судовым механизмам, переводимым в то время на ЭП, стали относиться шпили, лебедки для подъема мин и др.
По данным, приведенным П. Л. Сиверсом (1910–1980) (рис. 1.26), в 1897 г. на транспорте «Европа» была установлена первая грузовая лебедка для подъема мин заграждения отечественного производства.
В 1897 г. были разработаны и введены обмотки с переключением числа пар полюсов.
Стремление адаптации ЭП для различных судовых механизмов, в частности рулевых устройств, приводило к необходимости разработки новых схемных решений и их технической реализации.
К началу 1898 г. А. В. Шубин разработал проект рулевого ЭП системы Г–Д для броненосца «Пересвет».
Обобщив имеющуюся информацию по электрифицированным корабельным механизмам, МТК в мае 1898 г. принял официальное решение устанавливать электрическое управление рулем на всех строящихся броненосцах отечественного флота.
С 1898 г. на крейсере «Диана» и других кораблях стали устанавливаться ЭП якорных устройств.
Большое внимание в это время было уделено электрификации судовых водоотливных средств. Например, в середине 1898 г. на броненосце «Екатерина II» взамен паровых приводов водоотливных средств и вентиляторов были применены ЭП. ЭП водоотливных насосов (турбин) были установлены и на крейсерах типа «Диана» – рис. 1.27.
К 1899 г. А. В. Шубин довел до технической реализации проект системы Г–Д для управления рулем. Все электрические машины в схеме (генератор, возбудитель и рулевой ЭД) имели независимое возбуждение. Весной 1899 г. управляющий Морским министерством П. П. Тыртов (1836–1903) распорядился установить рулевые ЭП «Балтийского завода» (системы Шубина) на крейсерах «Громобой» и «Паллада».
В 1899–1900 гг. профессор Осанна построил более точную круговую диаграмму, учитывающую все потери в машине.
Таким образом, исследования и изобретения к началу XX в. явились последней вехой на пути, приведшему трехфазные асинхронные ЭД к их современному конструктивному оформлению.
Литература
Основы теории и эксплуатации судовых электроприводов. А. Ф. Бурков (2021)
