Доливо-добровольский. Реферат. Скобелина Алина ЭиЭ-113. Михаил Осипович ДоливоДобровольский и его изобретение

Название	Михаил Осипович ДоливоДобровольский и его изобретение
Анкор	Доливо-добровольский
Дата	05.06.2022
Размер	1.3 Mb.
Формат файла
Имя файла	Реферат. Скобелина Алина ЭиЭ-113.docx
Тип	Реферат #569903

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский государственный аграрный университет»

Инженерный факультет

Кафедра Электрооборудования и электротехнологий

РЕФЕРАТ

на тему: Михаил Осипович Доливо-Добровольский и его изобретение

Работу выполнил

студент ______ курса

очного отделения

Скобелина Алина

Олеговна

Куратор

Екатеринбург-2021

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...2

1. Биография…………………………………………………...…………………..3

1.1. Детство и юность изобретателя …………...................…...……….…………3

1.2. Работа с асинхронным двигателем ………………………………………….3

1.3. Делитель напряжения………………………………………………………...4

1.4. Трехфазные генераторы и трансформаторы………………………………..5

1.5. Другие изобретения…………………………………………………………..5

1.6. Конец деятельности…………………………………………………………..6

2. Трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором и пусковым реостатом…………………………………………………………………………..7

2.1. Определение…………………………………………………………………..7

2.2. Устройство………………………………………………………...………….7

2.3. Принцип работы……………………………………………………………...8

2.4. Схема подключения………………………………………………………….9

2.5. Достоинства и недостатки………………………………………………….10

Заключение……………………………………………………………………….13

Список литературы………………………………………………………………14

Приложение………………………………………………………………………15

Введение

Целью: данной работы является ознакомиться с одним из великих ученых в области электротехнологий. Узнать историю создания и строение его первого трёхфазного генератора переменного тока с вращающемся магнитным полем.

Задачи:

Познакомится с учёным Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским
Узнать о его вкладе в электротехнологии и как его изобретения повлияли на развитие электромашиностроение.

1. Биография

1.1. Детство и юность изобретателя

Михаил Осипович Доливо-Добровольский (Приложение 1) родился 2 января 1862 года в Гатчине, став первым ребенком в многодетной семье. Его дед по отцовской линии переехал в Петербург из Польши еще в конце XVIII века и служил тайным советником. Когда мальчику было 11 лет, семья переехала в Одессу, где прошли детские и юношеские годы талантливого инженера. Здесь он на отлично окончил реальное училище, а затем поступил в Рижский университет. Но получить диплом ему было не суждено – за участие в одной из студенческих акций протеста Михаил был безжалостно отчислен без права поступить в новое учебное заведение на территории России.

Это вынудило молодого человека начать поиски места учебы за рубежом и при помощи дяди будущий изобретатель прибыл в немецкий город Дармштадт, где поступил на машиностроительный факультет местного Высшего Технического училища. Параллельно с этим Доливо-Добровольский с головой окунулся в изучение электротехники, а по окончании Альма-матер остался здесь для работы ассистентом в электротехнической лаборатории.

В этот период изобретатель начинает писать статьи, которые публикуются в специализированном издании «Электричество». Его смелые взгляды не остались незамеченными и широко обсуждались общественностью. В частности, он предлагал решительно бороться с дилетантизмом и требовал введения научного подхода в процесс технических разработок. Спустя некоторое время Михаил Осипович начал работать на одном из передовых электротехнических предприятий Эрликон из Швейцарии, а затем влился в ряды Всеобщей компании электричества (Германия), где проработал много лет.

Находясь долгие годы за рубежом, Михаил Осипович не порывал связь с Россией и при любой возможности приезжал на родину. Здесь он тесно контактировал с российскими коллегами, принимая участие в электротехнических съездах и других профессиональных форумах. После основания политехнического института в Петербурге, его планировали назначить деканом электромеханического факультета. Но из-за семейных проблем и занятости на работе приступить к обязанностям руководителя факультета он так и не смог.

1.2. Работа с асинхронным двигателем

Первые разработки Михаила Осиповича были связаны с устройствами постоянного тока. Изучая проблему в деталях, он не забывал знакомиться с новейшими теоретическими изысканиями авторитетных физиков. В частности, были глубоко изучены работы итальянского ученого Галилео Феррасиса, посвященные вращающемуся магнитному полю. Согласно его представлениям, КПД асинхронного двухфазного двигателя не превышает 50%, поэтому у такой техники нет будущего. Подобные выводы объяснялись рядом теоретических просчетов, которые впоследствии устранил русский электротехник.

Михаил Осипович сумел доказать, что для эффективной работы асинхронного двигателя понадобится вращающееся магнитное поле, которое можно создать, используя трехфазную модель (Приложение 2) симметричного типа при условии сдвига фаз на 120 электрических градусов. Авторская конструкция была испытана в 1889 году и наглядно показала свое преимущество перед двухфазными аналогами Тесла и Феррариса. Как писал Доливо-Добровольский, уже в момент первого запуска удалось зафиксировать необычное для тех времен явление, когда попытки затормозить работу устройства с помощью конца вала не увенчались успехом. При этом сам моторчик имел очень скромные размеры.

В отличие от синхронных, асинхронные силовые установки начинают вращаться самостоятельно при поступлении тока. Для питания они используют три провода, соединяющихся с обмотками статора.

Однако успешные испытания не изменили мнения скептиков. Одна из главных величин мировой электротехники Томас Эдисон даже отказался взглянуть на это изобретение, в очередной раз заявив, что у переменного тока не может быть будущего. Несмотря на это автор сумел доработать устройство, которое в конструктивном плане принципиально не менялось до наших дней.

1.3. Делитель напряжения

Важное значение в электротехнике получил разработанный Михаилом Осиповичем механизм деления напряжения постоянного тока с использованием «трехпроводной» системы распределения, в основе которой лежала индукционная катушка. Новое решение стало откликом на проблему, мешавшую распространению постоянного тока. Она была связана с невозможностью использования высокого напряжения при наличии ламп накаливания в сетях постоянного тока. Лампы производились для предельного напряжения не более 220 В и в сетях было недопустимо превышать эти значения.

Благодаря «трехпроводной системе», этот недостаток отчасти нивелировался. Она предоставляла возможность удваивать напряжение одновременно у зажимов питающего устройства и в сети посредством использования еще одного «уравнительного» провода малого сечения, с помощью которого соединялись зажимы ламп.

1.4. Трехфазные генераторы и трансформаторы

Доливо-Добровольский проводил огромную исследовательскую работу, связанную с функционированием генераторов переменного тока с двумя статичными обмотками и вращающейся металлической конструкцией. В этом устройстве вращательные движения совершает цилиндр, который соединен с двумя железными крестами. В процессе их вращения изменялся магнитный поток, проходящий через обмотки якоря, отчего возникала электродвижущая сила. Изобретатель и сам проектировал аналогичные приборы, но со временем точно предсказал, что их вытеснят устройства с вращающимися электромагнитами.

Одним из главных направлений деятельности изобретателя стало первое практическое использование трехфазного тока с целью передачи электричества. Явление обратимости (двигатель/генератор) магнитоэлектрических устройств находилось в центре внимания многих ученых. Но приведение в состояние механической работы одной машины постоянного тока с помощью тока другой впервые продемонстрировал французский инженер Фонтен в 1873 году на выставке в Вене. Однако широкого применения этот эксперимент не получил, так как сам автор был убежден, что способ годится лишь для передачи энергии малой мощности на короткие расстояния. Позднее над этой проблемой бились лучшие умы своего времени, но оптимальное решение удалось найти Доливо-Добровольскому.

Он предложил использовать для передачи трехфазный переменный ток, причем эта система обладает неоспоримым преимуществом перед двухфазным за счет применения только трех, а не четырех проводов. Подобная закономерность связана с особенностями трехфазного тока, где в любой момент сумма сил токов, которые движутся по трем проводам равна нулю. Подобный показатель имеют электродвижущие силы, вырабатываемые в фазах обмотки генератора. Это и позволяет использовать всего 3 провода.

При этом трехфазная система русского изобретателя получила всеобщее признание. Доливо-Добровольский приложил немало сил для пропаганды необходимости использования трехфазного переменного тока и в итоге смог переубедить многих скептиков.

1.5. Другие изобретения

Доливо-Добровольский всерьез интересовался проблемой электротехнических измерений. Двигаясь в этом направлении, ему удалось создать особую разновидность электромагнитных вольтметров и амперметров, которые использовались для измерений постоянного и переменного тока. Впоследствии их начала производить фирма из Германии «Всеобщая компания электричества», где работал сам изобретатель.

В более поздних версиях электроизмерительных устройств, автор стал применять правило вращающегося магнитного поля переменного тока. Именно так сконструированы фазометры, ваттметры и частотомеры. Они характеризовались простотой использования, высокой надежностью и затем активно использовались в качестве приборов для распределительных щитов на электростанциях. В наши дни универсальная идея Доливо-Добровольского находит применение во множестве электроприборов.

Во время работы над электрическими генераторами Михаил Осипович понял важность значения точных расчетов величин потерь от гистерезиса и паразитных токов. Чтобы получить нужные данные без траты лишнего времени, он создал несложный прибор, которому для измерения было необходимо лишь небольшое количество материала (речь идет о стали, использовавшейся для сердечников машин). Он позволял узнать величину потерь с помощью обычного ваттметра и амперметра. Так был разработан прототип устройств, активно использующихся в измерительной практике как приборы Эпштейна.

1.6. Конец деятельности

С 1903 по 1907 год он посвятил себя научной работе в Лозанне, где в 1906 году он получил швейцарское гражданство всей семьёй. В 1908 году он вернулся в Германию, чтобы занять должность директора на Берлинском заводе электрооборудования группы AEG. Однако через год он уволился, сохранив за собой должность технического советника этой группы, и посвятил себя научной работе. За этот период он опубликовал несколько десятков статей на страницах "Elektrotechnische Zeitschrift". Весной 15 марта 1919 года 57-летний Доливо-Добровольский вернулся в университет в Дармштадте. К сожалению, после гриппа его здоровье, особенно его сердце, ухудшилось. Доливо-Добровольский провёл последние дни своей жизни в университетской клинике в Гейдельберге, где его сын Дмитрий был врачом. Он умер 15 ноября 1919 года и был похоронен в Дармштадте.

Работая в течение многих лет в Германии на заводах AEG, Доливо-Добровольский непрерывно ощущал на себе недоброжелательность многочисленных немецких коллег и стремление фирмы извлечь как можно больше прибылей из его неустанных трудов, не давая ему ничего взамен. Доливо-Добровольский обладал довольно скромным заработком и, умирая, не оставил семье средств к существованию.

2. Трёхфазный асинхронный двигатель с фазным ротором и пусковым реостатом.

2.1. Определение

Простым языком асинхронная машина – это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор которой вращается асинхронно, т.е. со скоростью, отличной от скорости поля.

Предложена русским изобретателем М.О. Доливо – Добровольским в 1888 г. 95% приводов производственных механизмов имеют в своем составе асинхронный двигатель (подъемно – транспортные системы; устройства электропривода станков; медицинское оборудование и бытовые приборы).

Устройство и принцип работы асинхронного двигателя с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором в целом похожи, основные отличия лежат в конструкции этого самого ротора, схеме подключения и принципе запуска.

2.2. Устройство

Основные элементы асинхронной машины — это статор и ротор. Статор – это неподвижный элемент электрической машины, который состоит из сердечника с обмоткой. В статор помещается вращающийся ротор — вал, на котором расположен сердечник с короткозамкнутой (у АД с КЗ-ротором) или изолированной обмоткой (у АД с фазным ротором).

Так как магнитный поток в асинхронном двигателе переменный, сердечник статора изготавливается шихтованными, то есть он состоит из набора тонких пластин, которые изолируются друг от друга окалиной и покрываются лаком. Это нужно для снижения вихревых токов и потерь (Приложение 3).

В сердечнике есть пазы, в которые укладывается трёхфазная обмотка. А сам сердечник запрессовывается в литую станину – корпус двигателя.

Обмотка статора – состоит из катушек, намотанных медным проводником и расположенных в статоре так, что их геометрические оси сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов, как и фазы в трёхфазной системе питания. Обмотки статора соединяются по схеме звезды или треугольника (Приложение 4).

На фазном роторе размещены три изолированные обмотки, соединённые по схеме звезды. Сердечник ротора также, как и статора набирается из штампованных листов электротехнической стали. Свободные концы обмоток выведены к контактным кольцам. Для съёма тока с колец используются щётки, закреплённые на щёткодержателях (Приложение 5).

2.3. Принцип работы

Принцип действия асинхронного двигателя с фазным ротором такой же, как и у двигателя с короткозамкнутым ротором— вращающееся магнитное поле статора пересекая проводники обмотки ротора индуктирует в них ЭДС. Если обмотка ротора замкнута, то ЭДС порождает электрический ток. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем статора возникает электромагнитный момент и ротор начинает вращаться.

Частота вращения магнитного поля или синхронная частота

рассчитывается по формуле:

, где

– частота питающей сети, а

– число пар полюсов обмотки статора. У двигателя с одной парой полюсов она равна 3000 об/мин.

Частота вращения ротора

немного ниже, и её можно посчитать по формуле:

, где

– синхронная частота,

– скольжение.

Скольжение

– это величина, которая выражает разницу между частотой вращения вала и частотой вращения магнитного поля статора у асинхронного двигателя, рассчитывается по формуле:

Величина скольжения у разных двигателей отличается, зачастую указывается на шильдике и обычно лежит в пределах 2-8%.

Итак, частота вращения ротора любого АД определяется скольжением, частотой питающей сети и числом пар полюсов в обмотке статора.

Начнём с конца — изменить число полюсов в обмотке односкоростного двигателя в процессе работы не получится — для этого есть многоскоростные двигатели, у которых изначально обмотка рассчитана на переключения.

Для изменения частоты тока используют частотные преобразователи. Раньше они не были слишком распространены из-за высокой стоимости, но в последнее время используются всё чаще и всё в большем количестве задач.

Изменять скольжение для регулировки частоты вращения АД можно:

Изменением питающего напряжения, подводимого к обмотке статора.
Нарушением симметрии питающего напряжения.
Изменением активного сопротивления обмотки ротора.

Величину питающего напряжения обычно изменяют с помощью регулировочных автотрансформаторов или включают реакторы в разрыв линейных проводов (последовательно с обмоткой статора), такой способ используется с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.

Изменение скольжения за счёт изменения активного сопротивления обмотки ротора возможно только на асинхронных двигателях с фазным ротором, как отмечалось выше, к кольцам ротора подключаются, через щётки, резисторы или реостат. При движении бегунка реостата изменяется его сопротивление, так как реостат подключён к обмотке ротора, то при этом изменяется активное сопротивление в цепи ротора (Приложение 6).

При увеличении активного сопротивления обмотки ротора увеличивается скольжение, соответствующее заданному нагрузочному моменту. Говоря простым языком – при одной и той же нагрузке на двигатель, при увеличении скольжения будут уменьшаться обороты ротора. По той же причине при увеличении активного сопротивления ротора увеличивается и пусковой момент (Приложение 7).

Зависимость скольжения от сопротивления определяется по формуле:

.

2.4. Схема подключения

Разбирать схему включения асинхронного двигателя с фазным ротором будем на примере схемы плавного пуска (Приложение 8).

Схему условно можно разделить на 2 цепи – силовую и управления. Силовая цепь состоит из автоматического выключателя QF, контактора КМ1, теплового реле КК, включённого в разрыв питающего двигатель кабеля и самого двигателя. Контактор КМ1 подаёт напряжение на обмотку статора. Контакторы КМ2, КМ3 и КМ4 шунтируют (выводят из цепи) резисторы, соединённые с обмоткой ротора. Резисторы, кстати, соединяются тоже по схеме звезды (Приложение 9).

Цепь управления состоит из катушки контактора двигателя КМ1, подключённой по стандартной схеме с самоподхватом через нормально замкнутый контакт теплового реле КК. И цепи управления контакторами резисторов КМ2, КМ3 и КМ4, реле времени КТ1, КТ2 и КТ3. При срабатывании теплового реле, контакт КК разомкнётся и отключит контактор КМ1 и все цепи обесточатся – и двигатель, и цепь управления (Приложение 10).

При включении автомата QF напряжение через нормально замкнутую кнопку SB2 (СТОП) поступает на нормально разомкнутую кнопку SB1 (ПУСК). При нажатии на кнопку SB1 напряжение подаётся на контактор катушку контактора КМ1, в результате чего нормально разомкнутые контакты КМ1.1, КМ1.2.

КМ1.1 запитает цепь из реле времени КТ1, КТ2, КТ3 и контакторов управляющих резисторами в цепи ротора КМ2, КМ3, КМ4.

КМ1.2 замкнётся и будет удерживать контактор КМ1 во включённом состоянии – это называют самоподхватом, когда контактор удерживается во включенном состоянии за счет того, что катушка питается через контакт этого же самого контактора.

Начнётся «процесс» запуска двигателя. В первый момент времени, когда вал ещё не вращается к нему подключены все сопротивления, ток ротора, наводимый вращающимся магнитным полем, будет протекать через всю цепочку, а его значение будет минимальным.

Реле времени КТ1, КТ2 и КТ3 настроены на определённую задержку времени, через которую они будут включаться. Время задержки настраиваться для каждого конкретного случая, в зависимости от режима запуска и работы двигателя, нагрузки на его валу. Поэтому опустим конкретные цифры, просто примем, что эти реле включаются одно за другим.

По истечении времени задержки КТ1 включится и включит контактор КМ2, тем самым выведет из цепи первую цепочку сопротивлений. Активное сопротивление ротора уменьшится, уменьшиться и его скольжение, а значит обороты станут больше при том же моменте.

Двигатель продолжит разворачиваться и по истечении времени задержки КТ2 сработает, включит КМ3 и выведет из цепи ротора следующую цепочку резисторов, сопротивление ротора уменьшится ещё больше, вал начнёт вращаться ещё быстрее и так далее... Такой процесс будет повторяться столько раз, сколько ступеней резисторов подключено к ротору.

Так и происходит плавный пуск асинхронного двигателя с фазным ротором, таким образом, повышается пусковой момент и снижается пусковой ток. Но из-за того, что двигатель работает, по сути своей, как трансформатор – то ток, протекающий через резисторы ротора, преобразуется в тепло. То есть КПД двигателя в таких режимах низкая.

Аналогичным способом происходит и регулировка частоты вращения АД с фазным ротором, только цепочки резисторов подключаются/отключаются не автоматически, а вручную. Например, на грузоподъёмных кранах для этого используют командоконтроллеры.

Командоконтроллер — это коммутационный аппарат с множеством контактов, которые переключаются с помощью рычага с несколькими фиксированными положениями, как у рычага автоматической коробки передач автомобиля. При переводе рычага в каждое из положений соединяются разные группы контактов и замыкают соответствующие определённым режимам работы (скоростям) двигателя цепи (Приложение 11).

На современных кранах используются миниатюрные и более комфортные для крановщика джойстики, кроме габаритов их конструкция ничем особо не отличается, за исключением того, что один аппарат может управлять перемещением тележки крана в разных направлениях (продольное и поперечное) (Приложение 12).

Резисторы для двигателя с фазным ротором выполняются в виде спиралей, свитых из металлических лент или проволоки (фехралевой, константановой) и закреплённых на шасси (Приложение 13).

Пример схемы управления двигателем грузоподъёмного механизма вы видите ниже. Здесь в средней части схемы пунктирными линиями изображены положения контактной группы командоконтроллера. В остальном схема почти аналогична рассмотренной в статье, а основные отличия в том, что вместо реле времени установлен командоконтроллер, а двигатель подключен по реверсивной схеме (Приложение 14).

2.5. Достоинства и недостатки

Достоинства и недостатки асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором по сравнению с машинами других типов:

Достоинства:

Простота изготовления.
Относительная дешевизна.
Высокая надёжность в эксплуатации.
Невысокие эксплуатационные затраты.
Возможность включения в сеть без каких-либо преобразователей (для нагрузок, не нуждающихся в регулировке скорости).

Все вышеперечисленные достоинства являются следствием отсутствия механических коммутаторов в цепи ротора и привели к тому, что большинство электродвигателей, используемых в промышленности — это асинхронные машины с КЗ ротором.

Недостатки асинхронного двигателя обусловлены жесткой характеристикой:

Небольшой пусковой момент.
Значительный пусковой ток (может достигать 6 номиналов и более).
Отсутствие возможности регулирования скорости при подключении непосредственно к сети и ограничение максимальной скорости частотой сети (для АДКЗ, питаемых непосредственно от трёхфазной сети 50 Гц — 3000 об/мин). Примерно в 2010 году американская фирма DeWalt запатентовала и выпустила ряд двигателей асинхронного типа с регулировкой частоты вращения.
Сильная зависимость (квадратичная) электромагнитного момента от напряжения питающей сети (при изменении напряжения в 2 раза вращающий момент изменяется в 4 раза; у ДПТ вращающий момент зависит от напряжения питания якоря в первой степени, что более благоприятно).
Низкий коэффициент мощности.

Самый совершенный подход к устранению вышеуказанных недостатков — питание двигателя от статического частотного преобразователя.

Заключение

В 1888 Михаил Осипович построил первый трёхфазный генератор переменного тока с вращающимся магнитным полем мощностью 2,2 квт, предложил асинхронный двигатель трёхфазного переменного тока с ротором из литого железа с насаженным полым медным цилиндром. Вскоре конструкция асинхронного электродвигателя была значительно улучшена применением ротора типа "беличья клетка" (1889).

Разработал все элементы трёхфазных цепей переменного тока: трансформаторы трёхфазного тока (1890), пусковые реостаты, измерительные приборы (фазометр, 1894), схемы включения генераторов и двигателей.

В 1891 на Всемирной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне демонстрировал первую в мире трёхфазную систему передачи электроэнергии на расстояние около 170 км. Предложил широко применяющийся метод гашения электрической дуги в выключающих аппаратах (1910-1914).

Создал приборы для устранения в телефонах помех от электрических сетей сильных токов (1892), изобрёл способ деления напряжения постоянного тока на применении неподвижной катушки индуктивности (1893).

Так появилась наша современная энергетическая схема, в которой есть первичный двигатель, черпающий энергию от природы, генератор электроэнергии и вторичный двигатель. Так было положено начало электрификации, которую Владимир Ильич Ленин назвал основой техники будущего. И вот уже более 120 лет большая часть электроэнергии вырабатывается и распределяется трёхфазными системами, разработанными нашим соотечественником Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским.

Это был невероятный вклад в развитие электрики, столько проделанной работы и всё не зря, ведь большинство оборудования в наше время сформировано именно на его идеях, открытиях и изобретениях.

Список литературы

Люди русской науки: Очерки о выдающихся деятелях естествознания и техники / Под ред. С.И. Вавилова. — М., Л.: Гос. изд-во техн. - теоретической литературы. — 1948.
Статья на «Яндекс Дзен». Что такое асинхронный двигатель с фазным ротором и где он используется. Команда «ЭТМ для профессионалов». 23.02.21. (https://zen.yandex.ru/media/etm_company/chto-takoe-asinhronnyi-dvigatel-s-faznym-rotorom-i-gde-on-ispolzuetsia-60321bdf2dc5795636e7bd38)
Онлайн журнал «Электрознаток». Михаил Осипович Доливо-Добровольский — изобретатель трёхфазного асинхронного двигателя. (https://elektroznatok.ru/info/people/mihail-dolivo-dobrovolskij)
Леонтьев Г. А., Зенина Е. Г. Исследование асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором. — Волгоград.: Волгоградский гос. тех. ун-т., 2000.
Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Издание 6-е, исправленное. Москва, Издательство «Энергия», 1977. Тираж 40 000 экз. УДК 62-83:621,313.2
Доливо-Добровольский М.О. Избранные труды. (О трёхфазном токе). — М.—Л.: Государственное энергетическое издательство, 1948.