Развој на асинхрониот мотор од Тесла до денес (1) | Милан Чундев и Слободан Мирчевски | МАКО СИГРЕ 2007 A1-03R – јавен домен

 КУСА СОДРЖИНА
1 ВОВЕД
2 УСЛОВИ ПРИ ОТКРИТИЕТО НА АМ
3 ТЕСЛИНОТО ОТКРИТИЕ НА АСИНХРОНИОТ МОТОР
4 АКТУЕЛНИ СОСТОЈБИ ВО УПОТРЕБАТА НА АСИНХРОН МОТОР
4.1 Проектирање на асинхрон мотор
4.2 Примена на енергетска електроника
4.3 Системи на управување
5 ЗАКЛУЧОК
6 ЛИТЕРАТУРА

КУСА СОДРЖИНА

Асинхрониот мотор влегува во 10 – те најзначајни пронајдоци на човештвото и оправдано се наречува работен коњ во индустријата. Ако генијалниот пронаоѓач на тркалото останал анонимен, пронаоѓачот на тркалото во индустријата засекогаш останува Никола Тесла. Обично се вели дека Тесла направил сe` за асинхрониот мотор; го развил од идеја до производ и обезбедил услови за негово напојување со развојот на наизменичниот систем за пренос на електрична енергија.

Дали е баш така? Дали Тесла навистина не оставил ништо други да дополнат во неговото откритие? Што е променето од тогаш до денес?

Развојот на асинхрониот мотор најдобро се карактеризира со масата (kg/kW). Првите асинхрони мотори имале огромна маса (cca 100 kg/KS). Денес се постигнати вредности cca 7 kg/kW. Како е можно толку големо намалување на масата? Одговорот е комплексен. Проектирањето денес се прави со употреба на софистицирани компјутерски програми во кои составен дел е оптимирањето. Во производството на електрични машини се повеке се обрнува внимание на енергетската ефикасност. Напредокот на магнетните, електричните и изолационите материјали е голем и евидентен. Начините на ладење постојано се подобруваат. Времето на изработка во сериското производство се намалува за повеќе од 100 пати. Затоа асинхрониот мотор е најефтиниот вид мотор воопшто. Денес тој е прилагоден за напојување со променлива фреквенција, што ја зголемува неговата применливост во погоните со променлива брзина. Истовремено се зголемува и неговата управливост, благодарејќи на употребата на 3/2 трансформациите, развојот на дигиталната техника и векторските системи. Денес асинхрониот мотор со своите доминантни динамички својства сигурно го потиснува еднонасочниот мотор од погоните со променлива брзина.

Трудот е посветен на 150 – годишнината од раѓањето на Никола Тесла (1856 – 2006).

Клучни зборови: Асинхрон мотор, Развој, Проектирање, Енергетска електроника, Управување.

ABSTRACT

The induction motor is one of the 10 – the most significant inventions of mankind. It is commonly referred to as a „working horse“ in the industry. If the genius inventor of the wheel remains unknown, the inventor of the wheel in the industry will always be Nikola Tesla. It is said that Tesla did everything for the induction motor; he developed it from an idea to a product and solved the problem of its supplying with the development of his alternate system for transfer of electric energy.

Is it so? Did Tesla leave no room for improvement on his invention? What is changed today?

Induction motor development is best characterized with its mass [kg/kW]. The first induction motors had an enormous mass, cca 100 [kg/HP]. Today theirs mass is cca 7 [kg/kW]. How can we explain this reduction of mass? The answer is complex. Now the motors are designed with the help of sophisticated computer programs based on optimizing. The production of induction motor today is influenced of energy efficiency aspects. The progress of magnetic, electric and isolation materials is great and evident. The ways of cooling are continuously improving. Duration of induction motor serial production is reduced more of 100 times. Therefore induction motor is the cheapest motor in general. Now induction motor is adapted for supplying with variable frequency and its usage in adjustable speed drives is increasing. Also using 3/2 transformations, development of digital technique (Digital Signal Processors-DSP) and vector systems are rapidly improving induction motor control. So induction motor with its dominant dynamic characteristics today surely press back DC motor from adjustable speed drives. The paper is dedicated to 150 anniversary of Nikola Tesla birth (1856 – 2006).

Keywords: Induction motor, Development, Design, Power Electronics, Control.

1 ВОВЕД

За процена на важноста на некое откритие незаобиколни критериуми се неговата трајност (минливост) и раширеност во употребата. Асинхрониот мотор е во употреба од 1888 година, неговата примена се уште расте и не се гледа крајот на тој процес. Причината е едноставна. Со асинхрониот мотор на наједноставен начин, при најдобри услови (искористување, управување, влијание врз околината) од електрична енергија се добива механичка работа, неопходна за опстанок и напредок на човештвото. Денес во развиените земји во погоните со асинхрони мотори се троши повеќе од 40% од произведената електрична енергија. Позната изрека е дека „асинхроните мотори се работни коњи во индустријата“. Без користењето на асинхрониот мотор индустријата би престанала да работи, електричниот транспорт (возови, лифтови, елеватори и сл.) би запрел, фабриките би замреле, продолжувањето на животот би станало неизвесно. Овој пронајдок е развиен од идеја до конечен производ, со обезбедување поддршка (електрично напојување) за негова работа, што е исклучително редок случај во пронаоѓаштвото. Никола Тесла го разработил исто така системот за производство и пренос на електрична енергија, неопходни за функционирањето на асинхрониот мотор. Негова заслуга е што наизменичниот систем за пренос на електрична енергија во САД (и други земји) е со фреквенција 60 Hz.

2 УСЛОВИ ПРИ ОТКРИТИЕТО НА АМ

Времето во кое се родил и школувал Никола Тесла може да се каже дека е време на електротехниката. M. Faraday во 1821 произведува електромагнетска ротација, а во 1831 го открива законот за електромагнетска индукција, што му создава репутација на најголем експериментатор во електротехниката и основач на електромашинството.

Во 1838 година Б. С. Јакоби во Петроград го конструира првиот мотор за еднонасочна струја, кој се напојувал од галванска батерија [3], [5], [6]. Со тој електромотор задвижил чамец со 14 особи на реката Нева, што се смета за почеток на електромоторните погони.

На велесаемот во Виена 1873 Z. T. Gramme изложил генератор 25 V, 400 A, со колектор со многу ламели, за разлика од дотогашните колектори со 2 (две) ламели, од кои се добивала само пулсирачка еднонасочна струја. F. Hefner – Alteneck во 1878 со откривањето на цилиндричната арматура (наместо прстенеста) го подобрил искористувањето на намотката. Со оваа изведба се заокружува еднонасочната машина на денешниот изглед.

Во 1873 J. C. Maxwell ја напишал „Treatise on Electricity and Magnetism“ (Расправа за електрицитетот и магнетизмот), епохално дело со кое се поттикнати многу откритија. Индустријата ја прифатила градбата на еднонасочните машини иако постоеле многу недостатоци. Проблемот на комутацијата не бил решен и четкиците на колекторот често создавале кружен оган. Машините биле гломазни и тешки. Конструктивното решение на проблемот на загубите во железо уште не било правилно забележано. Фабриките за производството на електрични машини (на пр. Siemens) работеле со загуби.

Какви биле состојбите во подрачјето на наизменични струи (полиња)? Според [5] и [8] првите сознанија за делувањето на вртливите магнетски полиња ги стекнал D. Arago во 1824, кој забележал дека се врти магнетска игла обесена над бакарна плоча која исто така се врти. Ch. Babbage и J. F. W. Herschel во 1825 направиле спротивен експеримент од D. Arago, вртејќи магнет кој предизвикувал ротација на диск [5]. Ова бил прв чекор кон асинхрониот мотор, неповторен во следните 50 години. Gaulard и Gibbs, кои работеле за George Westinghouse, произвеле трансформатор за наизменична струја. Во 1884 година, во Будимпешта во фирмата „Ganz“ Blathy и Zipernowsky исто така направиле наизменичен трансформатор [2]. G. Ferraris и M. von Doliwo-Dobrowolsky паралелно и независно од Никола Тесла работеле на асинхрониот мотор [3], [5], [6], [8], [9], но доцнеле резултатите и имале различни мислења за неговата практична примена. M. von Doliwo-Dobrowolsky, инженер од фирмата AEG, имал регистриран германски патент бр. 51083 за трифазен асинхрон мотор со кусоврзан ротор од 8 март 1889. Борбата за авторството на вртливото магнетно поле и асинхрониот мотор била напорна и долга, со пресврти во мислењата и доминантно влијание на научните кругови од САД, Германија, Велика Британија и Италија. Сепак, денес целиот свет признава дека единствен пронаоѓач на величенствениот полифазен електричен систем во сите негови поединости е Никола Тесла.

3 ТЕСЛИНОТО ОТКРИТИЕ НА АСИНХРОНИОТ МОТОР

Првата идеа за електромотор без комутатор и четкици Никола Тесла ја добил на студиите на Високата техничка школа во Грац (1875-1878) при експериментите со Gramme – ова динамо машина.

Откритието на асинхрониот мотор се случило во Будимпешта 1882, каде во јануар 1881 Никола Тесла се вработува во Унгарската управа на поштите. На откритието му претходела негова голема нервна пречувствителност. Заради тоа често на зајдисонце шетал низ градскиот парк со својот пријател Antal Szigety. При едно такво шетање мислата му блеснала како молња и во миг ја открил вистината. Веднаш со стапот во песокот ги нацртал дијаграмите кои 6 години подоцна ги претставил во американското здружение на електроинженери (AIEE).

За откритието на асинхрониот мотор посебни, усни пренесувања се дадени во [3]. На светската изложба во Чикаго 1893 Никола Тесла на проф. Сакулка му објаснил дека импулсот за конечно решавање на асинхрониот мотор го добил преку дефект на трансформатор врз кој се наоѓала метална топка. Овој случај преку проф. Осан од Техничкиот факултет во Љубљана му е пренесен на проф. А. Доленц од Електротехничкиот факултет во Загреб. При вклучување на трансформаторот, Тесла забележал дека топката се врти. Утврдил дека има куса врска помеѓу навивки на секундарната страна. Поради големо заситување во железото, јаловата компонента на примарната струја била доста голема, па затоа аголот помеѓу примарната струја и струјата во кусоврзаниот секундар бил релативно голем (векторски дијаграм на слика 1). Значи, помеѓу примарната струја и секундарната струја во кусоврзаните навои постоело фазно поместување, а истовремено постоело и просторно поместување. Затоа во растурното поле (каде што се наоѓала металната топка) се создало вртливо поле, доволно силно да ја задвижи металната топка. Тесла го забележил тоа и така го открил принципот на работа на асинхрониот мотор. Нејасно е зошто Тесла не пишувал за овој настан. Со помош на метално ротирачко јајце денес се демонстрира вртливото магнетно поле во музеите посветени на Никола Тесла.

Слика 1 - Трансформаторот со топка во пресек и неговиот векторски дијаграм
Слика 1) Трансформаторот со топка во пресек и неговиот векторски дијаграм

Никола Тесла заминува за Париз во есента 1882 и се вработува во Edison – овата телефонска компанија, каде што веднаш му е кажано дека не смее да троши време на неговиот мотор. Најмногу работел на инсталирање електрични централи за еднонасочна струја, а посебно се специјализирал за регулаторите на струјата на динамата. Подолго време во врска со оваа работа престојувал во Страсбург (1883-1884), каде по чудна случајност престојувале и други луѓе кои подоцна станале славни. Таму, со помош на Antal Szigety (кој му бил постојан соработник), со материјали што ги донел од Париз, го направил првиот мотор без комутатор и четкици. Летото 1883 го завршил експериментот, кога со задоволство ја видел ротацијата предизвикана од наизменични струи со различни фази, без лизгачки контакти или комутатор, токму како што тоа го смислил во Будимпештапред една година [1]. Во пролета 1884 се враќа во Париз, ги запознава луѓето од Edison – овата фирма со неговиот мотор и го демонстрира пред нив. Тие му препорачуваат да оди кај Edison во Америка.

Никола Тесла пристигнува во Њујорк на 6 јуни 1884 година. Веднаш се вработил кај Edison, станал негов највреден асистент, но не издржал ниту година дена со него. Биле различен тип на луѓе и пронаоѓачи и застапувале различни правци во електротехниката – Edison еднонасочната струја, Никола Тесла наизменичната струја.

Во април 1887 со помош (500000 долари) на директорот на компанијата „Western Union“ A. K. Brown, голем поборник за наизменичната струја, почнува да работи „Tesla Electric Company“. Само за една година Тесла создал 40 патенти од полифазните системи – мотори, генератори, пренос и распределба на електрична енергија. Изработил 2 мотори како прототипови, кои на барање на финансиерот ги испратил на испитување во Заводот за патенти. Моторите ги испитувал професорот W. Anthony (1835-1908) од Cornell Универзитетот, споредувајќи ги со еднонасочни мотори. Бил многу импресиониран од нивните карактеристики, особено од аспект на степенот на искористување, и му сугерирал на Тесла да одржи предавање во Американскиот институт на електроинженери (AIEE), каде и самиот членувал. Предавањето „A New System of Alternate Current Motors and Transformers“ („Нов систем мотори и трансформатори за наизменична струја“) е одржано на 16 мај 1888 година со теориски дел за наизменичните струи, приказ на неговите патенти за производство, пренос и дистрибуција на наизменична електрична енергија, како и демонстрација на примената на асинхрониот мотор.

Слика 2 - Првиот Теслин асинхрон мотор, демонстриран 1888 во AIEE
Слика 2) Првиот Теслин асинхрон мотор, демонстриран 1888 во AIEE

Веднаш потоа (мај 1888) George Westinghouse (1846-1914) му понудил да ги откупи сите негови патенти за полифазниот систем. Тесла ги продал патентите на компанијата „Westinghouse Electric and Manufacturing Company“ за 25 000 долари/патент (вкупно 1 милион долари). Освен тоа, имал обврска за 1 година во фабриката во Питсбург да го започне производството на асинхрони мотори. Во текот на усвојувањето на сериското производство на асинхрони мотори, кое траело до крајот на летото 1889, Тесла решавал многу практични проблеми, од кои најтежок бил прилагодувањето на 133 Hz, фреквенција која претходно ја усвоиле стручњаците на Westinghouse и не сакале да ја напуштат поради стандардните димензии на апаратите. Освен тоа, морал да произведе мотор кој монофазно ќе работи на оваа фреквенција [1]. Ги согледал и проблемите на изолацијата и ладењето и подоцна дал патенти и на тие полиња. Најголема промоција на Теслиниот полифазен систем била светската изложба во Чикаго 1893 година. Од првата идеа во Грац до практичната примена на асинхроните мотори после пуштањето на централата на Нијагара 1896 година поминале 20 години.

Кон вториот дел

Извор: МАКО СИГРЕ

Be Sociable, Share!

Напишете коментар

Вашата адреса за е-пошта нема да биде објавена. Задолжителните полиња се означени со *

*