История создания мощных систем электроснабжения

П .  Барлоу  предложил  « колесо   Барлоу». Оно   состояло   из   постоян-ного   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  кача -ний   в минуту. Было  еще   много попыток   создания  двигателей   с   качательным  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   явнопо -люсного   якоря.  Однако  вращательный  момент  на   валу   у   таких двига-телей обычно  был   резко пульсирующим . 

В  1834  г.  Б. С .  Якоби   создал   первый  в  мире  электрический двига-тель   постоянного тока ,  в котором   реализовал   принцип   непосредст -венного вращения  подвижной   части двигателя.  В 1838  г .  этот   двига-тель  (0,5 кВт )  был   испытан   на   Неве  для приведения   в  движение  лодки  с   пассажирами  ( рис. 37),  т .  е .  получил   первое   практическое   примене -ние. Испытания   различных   конструкций   электродвигателей  привели Б. С .  Якоби   и  других   исследователей  к следующим выводам :

–  применение  электродвигателей на -ходится  в прямой  зависимости от   удешев-ления  электрической энергии,  т. е.  от   соз-дания  генератора ,  более  экономичного, чем  гальванические   элементы;

Рис. 37.  Бот Якоби

–  электродвигатели   должны  иметь по

возможности   малые   габариты   и по  воз-можности  большую   мощность  и   больший

коэффициент   полезного действия .

III этап .  Третий  этап   в развитии   элек -тродвигателей (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 .)  ( рис. 38).  Его  двигатель  состоял из   якоря кольцеобразной   формы ,  вращающегося  в  магнитном   поле   электро-магнитов . Подвод  тока   осуществлялся роликами.  Обмотка   электромагнитов включалась   последовательно  с обмоткой  якоря (т .е .  электро-машина  имела   последователь-ное  возбуждение ).  Габариты двигателя  были  невелики ,  он имел  практически постоянный вращающий  момент.  В   двигате-ле   Пачинотти  явнополюсный якорь  был   заменен   неявнопо -люсным .

Барабанный  якорь,  в кото -ром   рабочим   является   провод-ник ,  составляющий  виток,  был   изобретен лишь  в 1872  г .  В .  Симен -сом .  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 . 

Рис. 38.  Электродвигатель  

А.  Пачинотти

Третий  этап   развития   электродвигателей характеризуется   откры -тием  и   промышленным   использованием   принципа  самовозбуждв  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  пере -менного  и   постоянного тока ;  по  принципу  действия   машины  пере -менного тока   делятся на  синхронные  и асинхронные . 

Асинхронные   двигатели  отличаются   простотой конструкции ,  ма-лой   стоимостью,  надежностью   в работе .  Они   являются   самым   рас-пространенным  видом   двигателей . 

Электрогенераторы

Прототип  генератора   электрического   тока ,  основанный  на   прин-ципе  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   непод-вижная щетка,  имеющая скользящий  контакт с  краем   диска. После  этого  были  предложены  различные   конструкции электро-магнитных   генераторов.  Магнито-электрические  машины  были  изго -товлены   многими   изобретателями :  У.  Риччи , И .  Пикси,  Ю.  Кларком   и  др.,  но  все они   были  трудно   применимы для практического  использо -вания. По  заказу   А . М.  Ампера  в 1832  г.  И .  Пикси (1808-1835)  изготовил первый  электрический  генератор  с   коммутатором  для  получения  по-стоянного  тока .  Он  приводился   в движение  вручную . В  1842  г.  Д.С .  Вулрич  изготовил  мощный   генератор постоянного тока ,  соединив   его  ременной  передачей с   паровой машиной .  Такой генератор  использовали   для питания гальванических   ванн . 1842 год   считается   годом   рождения  электроснабжения   пред-приятий . 

В  1856-1866 годах появилась идея   самовозбуждения   электроге-нератора  ( без гальванического элемента ).  Многие  исследователи,  ин-женеры независимо   друг  от  друга,  раньше или   позже   пришли  к  этому : венгр  А .  Йедлик (1800-1895);  немец   Э. В .  Сименс (1816-1892);  англи-чане   Г.  Уайлд (1833-1919),  С .А .  Варли;  американец   М.Г.  Фармер (1820-1893);  датчанин   С .  Хьерт (1802-1870)  и   др. Промышленное   освоение   элек -трогенераторов   началось   после 1870 г .,  когда  француз  З .  Грамм   создал   ге -нератор  с   кольцевым   ротором ( рис. 39),  тороидальной   обмоткой  и   кол -лектором   почти современной   конст-рукции.  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   лис-тов.  Это уменьшило  потери  и реакцию якоря.

Рис. 39.  Электромашина  

З .  Грамма

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   постоян-ном   токе   решало  многие  вопросы   существующей   в то   время   энерге -тики ,  но  передача   энергии на   дальние расстояния   оказалась затрудни -тельной.

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 индукци -онные   катушки   с   ответвлениями – прообраз   трансформатора   или   про -стейший   трансформатор с разомкнутым   сердечником .

Введение  переменного  тока   должно  было  позволить передавать  электроэнергию   с   помощью повышающих   трансформаторов   напря-жения  на   большие   расстояния .  Но  теперь   встал вопрос   о   создании   ге -нераторов  переменного тока . 

Впервые   идею  вращающегося  электромагнитного поля   высказал 

Д.  Араго  в 1821  г .  В  1885  г.  Г.  Феррарис. (1847-1897)   предложил

использовать   двухфазный  ток (систему двух   переменных  токов, сдвинутых   по  фазе   на  90°),  который   дает   возможность   получить  « вра-щающееся магнитное поле »,  и построил  двигатель переменного тока . Н .  Тесла (1856 – 1943) (рис. 40),  удалось  построить систему из  двухфазного генератора ,  трансформатора  и   двигателя.  Она  была  использована   на   Ниагарской гидростанции   в США,  система требовала четыре   провода для передачи   электроэнер-гии .

В  1888  году   русский изобретатель   М. О . Доливо-Добровольский (1862-1919) (рис. 41),  создал   трехфазную  систему токов,  ко -торая  затем получила  признание и   распро -странилась   во   всем   мире  как наиболее  удобная и   экономичная .

Вращающееся  магнитное  поле   было  получено  путем   сдвига   фаз между   токами  одинаковой  амплитуды   на  120° .  М.О .  Доливо-Добровольский  разработал   ротор с   обмот -кой   в виде   беличьей   клетки   и   создал   корот-козамкнутый   асинхронный   двигатель.  Трехфазная   система,  состоящая   из  трехфазного генератора ,  трехфазного дви -гателя  ( рис. 42),  и   трехфазного трансфор-матора ,  требовала для передачи   и   распре -деления электроэнергии   всего три   провода, являясь в то   же  время   симметричной,  урав -новешенной  и   экономичной .  Затраты  ме-талла  были  на  25 %  меньше,  чем   в двух -проводной   линии   однофазной системы .

Трехфазный  синхронный  генератор был   построен   Доливо-Добровольским   в 1890 г .  Впервые   передача   трехфазного  тока   на   расстояние  170 км  бы-ла   продемонстрирована   на   Международной электротехнической   вы-ставке   во   Франкфурте-на -Майне в 1891  г .  во   время   Международного конгресса электротехников. 

Рис. 40.  Н .  Тесла

Рис. 41.  М.О .  Доливо-Добровольский На  базе   электрических генераторов и   электродвигателей стал  конструироваться   индивидуальный  привод  станков,  механизмов  и устройств. Первое  защитное  заземление   электрических машин   предложили русский инженер   Р. Э.  Классон  и   француз М.  Депре.

Генераторы  электрического   тока   предъ-явили   к первичному  двигателю следующие требования :  большое   число оборотов ,  высо-кая равномерность вращения  и   непрерывно возрастающая  мощность.  Паровая  машина

уже   не   отвечала   этим  требованиям ,  Она имела 400-600  об/мин .  Паровую   машину  вы-теснила паровая турбина ,  которая имела большую   скорость   и   более высокий   КПД. Сейчас  мощность  паровых   турбин  достигает 1200 МВт .  Турбина   вместе   с   электрическим генератором  называется  турбогенератором .

 Рис. 42.  Трехфазный  двигатель

 Трансформаторы 

В  1848  г.  французский  механик  Г.  Румкорф   изобрел  индукцион -ную  катушку .  Она явилась прообразом трансформатора . П . Н.  Яблочков,  русский  изобретатель ,  разработал   систему « дроб-ления»  электрической  энергии,  впервые   использовав  индукционную катушку   в  качестве   трансформатора   с   разомкнутым   сердечником   для питания  нескольких   дуговых   ламп.

 По  существу  он  в 1889  г.  создал  первый силовой трансформатор .  В  1882  г.  русский  электротехник  И . Ф. Усагин,  а   в 1884  г .  французский  инженер  Болард  создали трансформатор   напряже -ния ( для повышения   или   понижения   на -пряжения).  Разработка   силовых   транс-форматоров  дала   возможность   передавать  электричество на   дальние расстояния ,  так как с возрастанием   величины  передавае-мого  напряжения  уменьшаются   потери  электрической энергии,  и   появляется  возможность   уменьшить   сечение прово-дов ( рис. 43).

В  1885  году   венгерские   инженеры  М.  Дери  и   О .  Блати  вместе   с   К .  Зиперовским   разработали  трансфор -маторы  с   замкнутым   магнитопроводом .  Появилась  система  распределения электроэнергии ,  основанная   на   параллельном   подключении трансформаторов   к питающей  сети   высокого  напряжения. В   настоящее  время   на   электрических станциях   и   подстанциях применяют   понижающие   и   повышающие ,  двух -  и   трехобмоточные, трехфазные  и однофазные силовые   трансформаторы ( рис.43). Трансформаторы  тока   применяют   в установках   переменного тока  всех   напряжений  для последовательных   катушек   измерительных приборов  и реле  защиты.

  Первичную   обмотку   трансформатора   тока   включают  в  цепь   по-следовательно,  а ко   вторичной   обмотке   также   последовательно при -соединяют   катушки   приборов  и   реле .  Между  первичной   и   вторичной обмотками   трансформатора   тока   нет электрической связи,  поэтому они   надежно   изолируют приборы   и реле  от   напряжения  установки.

Трансформаторы  напряжения  применяют   в установках   перемен-ного   тока   для питания параллельных  катушек   измерительных   прибо -ров и   реле   защиты.  Первичную   обмотку   трансформатора   напряжения

подключают  параллельно  к   сети ,  а   ко   вторичной   обмотке   присоеди -няют параллельно катушки   приборов  и реле . 

Трансформатор   является   одним   из   ключевых  компонентов   со -временной   энергетической   системы .  Он  преобразует  напряжения  в низкие   или   высокие   с   малыми  потерями  энергии.  Является   важным элементом   многих  электроприборов,  механизмов  и   устройств:  заряд-ных   устройств,  радиоприемников ,  телевизоров,  подстанций,  электро-станций и   т .п . 

Размеры   трансформаторов   могут  варьировать  от   горошины   до громадин  весом в 500  тонн.  Уменьшение  габаритов  трансформаторов   достигается за   счет   бо-лее эффективного  отвода   тепла с помощью вентиляторов ,  внешних радиаторов ,  специальных   насосов.  Применяются   системы   испари -тельного   охлаждения,  однако  они пока  слишком дороги .

Процесс  совершенствования  системы   изоляции   и   охлаждения трансформаторов   продолжается :  улучшаются  конструкции   транс-форматоров,  способы   охлаждения,  ведётся поиск возможности   ис -пользования сверхпроводимости обмоток . 

В   настоящее  время   функции   трансформаторов   могут брать на   се -бя   полупроводниковые   приборы .  Однако  трансформаторы  еще   будут выполнять   свою  службу  довольно   длительное   время ,  эффективно  и незаметно поддерживая   функционирование  электроэнергетических систем ,  от  которых   зависит так много в нашей   современной   жизни.

3.5.  Электрические   станции  

Электростанции  – фабрики   по  производству   электрической энер -гии ,  подлежащей  распределению   между   различными  потребителями, появились не   сразу. 

В  1873  г .  под   руководством   бельгийско -французского   изобрета -теля   З. Т.  Грамма (1826-1901)   была  сооружена   первая   электростанция  на   несколько  киловатт   для  питания  системы   освещения   завода ,  так называемая   блок -станция.

В  70-80  гг . XIX  в.  каждый  более  или   менее солидный  потреби-тель  ( завод,  улица ,  дом )  имел  свой   источник   электроэнергии  ( свою электростанцию ).  В   качестве   первичных  двигателей ,  приводивших   в движение  электрогенератор ,  применялись   вначале  поршневые   паро -вые   машины,  иногда   двигатели внутреннего сгорания   или   локомобили.  От  первичного   двигателя к   электрогенератору   вела   ременная   пе -редача .