История открытий в электроэнергетике

Н.Н.Бенардос и Н.Г.Славянов использовали открытие В.В.Петрова по плавлению и свариванию металлов в электрической дуге. Один из первых русских профессоров электротехники Михаил Андреевич Шателен писал:  «Первая половина XIX в. была особенно богата результатами изучения электрического тока: была открыта электрическая дуга (В.В. Петров), были открыты термоэлектрические явления (Т. Зеебек, Ж. Пельтье); найден закон тепловых действий тока (закон Джоуля-Ленца), были определены законы химического действия тока (законы М. Фарадея), были установлены законы Г.Ома и Г. Кирхгофа, внесшие большую ясность в понимание явлений тока; были обнаружены свойства тока намагничивать железо и действовать на магниты; были найдены законы взаимодействия токов между собой и тока с магнитами; были открыты законы электромагнитной индукции».

Со временем вольтов появились другие источники электричества: гальванические, термоэлементы, динамо-машины, электрогенераторы.

Кроме постоянного тока появился однофазный переменный ток, получавшийся от электромагнитных генераторов, а позже – и трех-фазный ток (М.О. Доливо-Добровольский).

По мере развития электроэнергетики, внедрения ее в промышленность, транспорт, быт возникла потребность накопления электроэнергии. В.В. Петров в начале XIX в. создает предпосылки для создания аккумуляторов, проводит эксперименты.

Г. Планте создает свинцовый аккумулятор в 1859 г. К. Фор конструирует свинцово-кислотный аккумулятор в 1880 г. А.Н. Лодыгин разрабатывает теорию аккумулирования электричества для проектируемого электровертолета.

В 1886 г. М. Депре создает буферную аккумуляторную батарею.

В 1984 г. были созданы серно-натриевые аккумуляторы, намного превышающие по технико-экономическим показателям свинцовокислотные.

Приведем некоторые числовые данные для материалов, способных аккумулировать электрическую энергию, из расчета на 1 кг веса:

Pb 16 Вт·ч на 1 кг веса

Воздушно – Zn 160 Вт·ч

Li – Ni   200 Вт·ч

S – Na300 Вт·ч

Li – Cl   500 Вт·ч

Бензиновый двигатель 2400 Вт·ч.

Аккумулирование электрической энергии необходимо для работы автономного транспорта – электромобилей, электровертолетов, подводных лодок; для накопления энергии в периоды её низкого потребления и выдачи её во время пиковых нагрузок и в других случаях.

Чтобы научить силу электрического тока стать творить чудеса, нужны были генераторы и электродвигатели. Над этим думали многие изобретатели, в том числе и русские.

 

Электродвигатели, электрогенераторы, трансформаторы

 

Открытия и исследования Д. Араго, Г. Эрстеда, А. Ампера, Г. Ома, М. Фарадея и других изобретателей и ученых послужили толчком для изобретательской фантазии инженеров, которые стали называться электриками. Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электрических машин.

В технике основными устройствами, использующими явление электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока, электродвигатели и трансформаторы. Рассмотрим их основное современное устройство и назначение, чтобы затем проследить исторические вехи разработки этих устройств и указать их авторов.

Генератор. Состоит из статора и ротора. Массивный неподвижный статор представляет собой полый стальной цилиндр, на внутренние стенки которого уложено большое число витков металлического провода, покрытого изоляцией и ведущего электричество во внешнюю электрическую цепь к потребителю.

Ротор представляет собой цилиндр с пазами для проводов, являющийся большим подвижным электромагнитом, установленным внутри статора.

Под действием паровой турбины, гидротурбины, паровой машины или другого двигателя ротор начинает вращаться, а в проводах статора, благодаря электромагнитной индукции, возникает электрический ток.

Электродвигатель. В электродвигателях происходит другое явление: электрический ток, протекая через провода статора, заставляет ротор вращаться. С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать ленте трансмиссии, станку, эскалатору метро и другим механизмам.

Трансформатор. Состоит из магнитного сердечника и двух или более катушек, которые имеют разное число витков. Если подвести переменный электрический ток к катушке с большим числом витков – ток большего напряжения, то со стороны катушки с меньшим числом витков можно снять больший ток, но меньшего напряжения.

Создание электрических генераторов, электродвигателей, трансформаторов требовало изучения свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории.

Первыми в этом направлении были работы профессора Московского Университета Александра Григорьевича Столетова (1839-1896). В 80-х гг. им была обнаружена петля гистерезиса и доменная структура у ферромагнитных материалов.

Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей. В 1895 г. Пьер Кюри обнаружил существование у ферромагнетиков критической температуры, выше которой происходит исчезновение доменной структуры и потеря ферромагнетизма – точки Кюри.

Применение электричества для связи, освещения, двигательной силы потребовало создания электроизмерительных приборов, Системы единиц измерения.

К 80-м гг. появились гальванометры, амперметры, вольтметры, магазины сопротивления, а начало созданию электроизмерительных приборов положили М.В. Ломоносов, Г.В. Рихман, Б. Франклин еще в XVIII в.

В 1881 г. в Париже собрался первый Международный конгресс электриков. Было принято постановление о разработке единой системы единиц. В группу разработчиков входили: Г. Гельмгольц, Г. Кирхгоф, У. Томсон, Р. Клаузиус, А.Г. Столетов и др.

 

 

 

Электродвигатели

 

История создания двигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин.

Впервые двигатель назвал машиной римский зодчий Марк Полион (1 в. до н. э.).

Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электродвигателей. Принцип действия электродвигателей основан на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.

История электродвигателя – сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений. Проследим этапы развития электродвигателей.

I этап. Начальный период развития электродвигателя (1821-1834гг.). Он тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 г. М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита, или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея показал принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Многие исследователи предлагали различные конструкции электродвигателей.

Первые электродвигатели напоминали по устройству паровые машины: двигатель Дж. Генри (1832 г.) и двигатель У. Пейджема (1864 г.) имели коромысла, кривошип, шатун, а также золотники (переключатели тока в соленоидах, заменявших собой цилиндр).

П. Барлоу предложил «колесо Барлоу». Оно состояло из постоянного магнита и зубчатых колес, скользящий контакт осуществлялся с помощью ртути, а питалось колесо от гальванического элемента.

Дж. Генри предложил в 1832 г. модель двигателя с возвратно-поступательным движением: подвижный электромагнит поочередно притягивался к постоянным магнитам и отталкивался от них, замыкая и размыкая батареи гальванических элементов. Он совершал 75 качаний в минуту.

Было еще много попыток создания двигателей с касательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить двигатель с вращательным движением якоря.

II этап. Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) характеризуется конструкциями с вращательным движением явнополюсного якоря. Однако вращательный момент на валу у таких двигателей обычно был резко пульсирующим.

В 1834 г. Б.С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 г. этот двигатель (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами (рис. 37), т. е. получил первое практическое применение.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б.С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

- применение электродвигателей  находится в прямой зависимости  от удешевления электрической  энергии, т.е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические  элементы;

- электродвигатели должны  иметь по возможности малые  габариты и по возможности  большую мощность и больший  коэффициент полезного действия.

III этап. Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым  неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.). Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов.

Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря (т.е. электромашина имела последовательное возбуждение). Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе Пачинотти явно полюсный якорь был заменен неявно полюсным.

Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. В. Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки (1882 г.). Барабанный якорь машины постоянного тока стал таким, каким мы его можем видеть в настоящее время.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии – электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался.

По роду тока электродвигатели стали делиться на машины переменного и постоянного тока; по принципу действия машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, малой стоимостью, надежностью в работе. Они являются самым распространенным видом двигателей.

 

Электрогенераторы

 

Прототип генератора электрического тока, основанный на принципе электромагнитной индукции, был сконструирован Фарадеем в 1831 г. Он состоял из медного диска, вращающегося вручную между полюсами постоянного магнита. При этом в диске индуцировалась электродвижущая сила (ЭДС); полюсами служили ось диска и неподвижная щетка, имеющая скользящий контакт с краем диска.

1842 год считается годом  рождения электроснабжения предприятий.

В 1856-1866 годах появилась идея самовозбуждения электрогенератора (без гальванического элемента). Многие исследователи, инженеры независимо друг от друга, раньше или позже пришли к этому: венгр А. Йедлик (1800-1895); немец Э.В. Сименс (1816-1892); англичане Г. Уайлд (1833-1919), С.А. Варли; американец М.Г. Фармер (1820-1893); датчанин С. Хьерт (1802-1870) и др.

Промышленное освоение электрогенераторов началось после 1870 г., когда француз З. Грамм создал генератор с кольцевым ротором, тороидальной обмоткой и коллектором почти современной конструкции. А. Пачинотти (1841-1912) на 10 лет раньше построил подобный электродвигатель.

В 1880 г. американец Т. Эдисон  предложил делать магнитопровод якоря электрогенератора наборным из изолированных стальных листов. Это уменьшило потери и реакцию якоря.

В 1884 г. была предложена компенсационная обмотка, а в 1885 г. дополнительные полюса для уменьшения реакции якоря и улучшения коммутации.

Создание электрогенераторов и электродвигателей на постоянном токе решало многие вопросы существующей в то время энергетики, но передача энергии на дальние расстояния оказалась затруднительной.

В 1876 г. П.Н.Яблочков создал дуговые лампы, которые гораздо эффективнее работали на переменном токе. Для питания нескольких дуговых ламп от одного источника Яблочков использовал индукционные катушки с ответвлениями – прообраз трансформатора или простейший трансформатор с разомкнутым сердечником.

Введение переменного тока должно было позволить передавать электроэнергию с помощью повышающих трансформаторов напряжения на большие расстояния. Но теперь встал вопрос о создании генераторов переменного тока.