1. Введение
Скачать 1.21 Mb.
|
ТЕМА 5Переход энергетической техники на качественно новый уровень  5.1. Роль электрического освещения в становлении электроэнергетики До 70-х годов XIX в. энергетическая техника характеризовалась преимущественно примитивной паровой машиной. Паросиловые установки создавались на каждом, даже небольшом, промышленном предприятии. При этом возникал ряд существенных трудностей : большие затраты на сооружение котельной и машинного отделения; громоздкость установок; их опасность в пожарном отношении. Привод многочисленных отдельных исполнительных механизмов нужно было осуществлять с помощью громоздких трансмиссий. Поэтому все более ощущалась необходимость в экономичных двигателях малой мощности. В результате создаются принципиально новые двигатели -внутреннего сгорания и электрические. Но последние были непригодны для промышленного привода, и поэтому основное применение электроэнергия находит для освещения. Электрическое освещение - первое массовое энергетическое применение электрической энергии - сыграло исключительно важную роль в становлении электроэнергетики и превращении электротехники в самостоятельную отрасль техники. Чем было вызвано такое интенсивное развитие электроосвещения? В течение первой половины XIX в. господствующее положение занимало газовое освещение, имевшее существенное преимущество перед лампами с жидким горючим : централизация снабжения установок светильным газом; сравнительная его дешевизна; простота газовых горелок и их обслуживания. Но по мере развития производства, роста городов, строительства крупных производственных зданий, гостиниц, магазинов и прочих помещений оно все менее удовлетворяло требованиям практики, так как было опасно в пожарном отношении, вредно для здоровья, а сила света отдельной горелки была мала. Особенно эти недостатки стали сказываться на крупных предприятиях с большим числом рабочих, занятых на производстве 12-14 часов в сутки, вызывая резкое снижение производительности труда. От указанных недостатков было свободно электрическое освещение. Конструирование источников электрического освещения шло в двух направлениях: использование электрической дуги (дуговые лампы) и явления накаливания проволоки током (лампы накаливания). В ходе разработки дуговых ламп возникла задача регулирования расстояния между электродами. Поэтому вся история дуговых ламп представляет собой по существу разработку конструкций различных регуляторов. Для питания дуговых ламп пользовались гальваническими батареями или электрогенераторами. Таким образом, электроосвещение было одним из важнейших стимулов развития электрических машин и электрохимических источников тока. Лампы накаливания до 70-х годов XIX в. не получили сколько-нибудь заметного применения из-за своего несовершенства. Трудность заключалась в подборе дешевого и долговечного материала для нитей накаливания и методов получения вакуума. Необходимо было так усовершенствовать конструкцию самих источников света, чтобы они были простыми, надежными и доступными для широкого потребления. Успешное решение этой проблемы тесно связано с изобретением в 1876 г. П.Н. Яблочковым "электрической свечи" - дуговой лампы без регулятора [1]. Электроды в этой лампе были расположены параллельно друг другу и разделены изолирующим слоем, в силу чего отпадала необходимость в регуляторе. Электроды выгорали подобно свече, отсюда и название -электрическая свеча, под которым она обошла весь мир. Одна электрическая свеча могла гореть около двух часов. При установке нескольких свечей в одном фонаре, оборудованном переключателем, можно было иметь более длительное бесперебойное освещение. Изобретение электрической свечи способствовало внедрению в практику переменного тока. До этого вся эта техника базировалась на постоянном токе. При этом в дуговых лампах другой конструкции положительный электрод сгорал быстрее отрицательного, поэтому его приходилось делать большего диаметра. Яблочков установил, что для питания свечи лучше применять переменный ток. В этом случае при электродах одинакового диаметра обеспечивается вполне устойчивая дуга. В связи с этим значительно возрос спрос на генераторы переменного тока, которые раньше практически не использовались. Значительному развитию электротехники способствовала также и разработка Яблочковым нескольких весьма эффективных систем "дробления электрической энергии", обеспечивающих возможность включения в цепь, питаемую одним генератором, нескольких дуговых ламп. Два из способов получили практическое применение: секционирование обмоток якоря генератора и применение индукционных катушек (первичные обмотки включались последовательно в цепь, а на вторичные включались одна, две и более свечей). Таким образом, Яблочков впервые использует индукционную катушку в качестве трансформатора с разомкнутым магнитопроводом. Схема интересна еще и тем, что в ней впервые получила свое оформление электрическая сеть с ее основными элементами : первичный двигатель - генератор - линия передачи - трансформатор - приемник. Но значение электрической свечи этим не исчерпывалось. Изобретение дешевого приемника электрической энергии, доступного для широкого потребителя, потребовало решения еще одной важнейшей электротехнической проблемы - централизации производства и распределения электрической энергии. Яблочков первым указал на то, что электроэнергия должна распределяться подобно тому, как доставляется потребителям газ и вода. Дальнейший прогресс электроосвещения был связан с изобретением лампы накаливания, которая оказалась более удобным источником света, имеющим лучшие экономические и световые показатели. В 1870-75 гг. А.Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания. В первых конструкциях в качестве тела накаливания применялся ретортный уголь, помещавшийся в стеклянный баллон. Для увеличения времени горения затем было предложено ставить несколько стерженьков. Эдисон, ознакомившись с лампой Лодыгина, также заинтересовался проблемой электроосвещения. В 1879 г. им была предложена конструкция с угольной нитью и винтовым цоколем. Он же разработал основные виды электроустановочных материалов, необходимых для устройства и монтажа освещения лампами накаливания. В 1893 - 94 гг. Лодыгин запатентовал лампы накаливания с нитями из тугоплавких металлов, в том числе и с вольфрамовой нитью. 5.2. Развитие кабельной и изоляционной техники Различные области практического применения электроэнергии потребовали разработки электроизоляционных материалов. К 70-м годам XIX в. закладываются основы новых отраслей техники -кабельной и электроизоляционной. Начальный период развития кабельной техники тесно связан с работами по минной электротехнике и электромагнитному телеграфу. Первый подводный электрический кабель (Шиллинг 1812 г.) представлял собой тонкую проволоку, покрытую двумя слоями изоляции (шелком и пенькой). Первый слой (шелк) пропитывался специальным смолистым составом. Затем шла пенька и тот же состав. Первые подземные телеграфные кабели изготовляли так же (Шиллинг, Якоби и др.). Пропитка: воск, сало, канифоль. Защитной оболочкой служили стеклянные трубки, соединенные резиновыми муфтами, или стальные гильзы. В отдельных случаях стеклянные трубки закладывались в деревянные желоба I (при подземной прокладке). В начале 40-х годов XIX в. создаются специальные машины для обвивки проводов пряжей; в качестве изоляционных материалов начинают применять резину и гуттаперчу. Существенную роль в улучшении качества изоляции сыграло создание свинцового пресса (1879 г.), с помощью которого изолированный провод покрывался бесшовной свинцовой оболочкой [2]. В 90-х годах все большее применение для силовых кабелей начинает получать многослойная изоляция из бумаги, пропитанной маслом. Развитие электрических машин и аппаратов вызвало необходимость в развитии специальных термостойких электроизоляционных материалов. Для повышения термостойкости создаются пропиточные составы и покрытия. Для изоляции пластин коллектора начинают применять слюду. В начале 90-х годов на основе слюды создаются новые материалы: миканит, микалента, микафолий, нашедшие широкое применение для изоляции электрических машин и приборов. 5.3. Развитие генераторов и двигателей однофазного тока Так как переменный ток долгое время не находил практического применения, то попытки сконструировать соответствующий генератор до конца 70-х годов носили эпизодический характер. Обычно это были машины постоянного тока, у которых отсутствовал коллектор, а было два кольца. Наиболее существенный толчок в области генераторов переменного тока дала электрическая свеча Яблочкова. Уже в 1878 г. Яблочков совместно с заводом Грамма разработал несколько однотипных конструкций генераторов переменного тока для питания 4, 6, 16 и 20 свечей. Серьезные трудности на пути совершенствования генераторов переменного тока возникли из-за нагрева сердечников, которые до 80-х годов не шихтовались. Таким образом, на лицо две главные тенденции, определяющие развитие генераторов переменного тока: для увеличения мощности увеличивать число катушек якоря, а для снижения потерь в сердечнике уменьшать объем стали якоря. Последний период развития генераторов переменного тока начинается в 90-х г. XIX в. после того как началось производство 3-х фазных машин с шихтованными сердечниками и барабанными якорями. Как известно, электрическая машина обратима. С этой точки зрения принципиальных трудностей для построения двигателей переменного тока не было. Уже в 1844 г. Ч. Уитстон построил синхронный двигатель, основанный на взаимодействии постоянных магнитов и электромагнитов переменного тока. Из-за отсутствия начального вращающего момента пуск всех однофазных СД был затруднен - они нуждались в дополнительных разгонных двигателях и не могли получить широкого распространения. Большими возможностями применения в сетях однофазного тока располагали коллекторные двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. При их питании переменным током направление основного магнитного потока изменялось одновременно с изменением направления тока в якоре и, следовательно, вращающий момент имел постоянное направление. М. Дери и О. Блатти впервые предложили применять такие коллекторные однофазные двигатели в 1885 г. Однако широкого распространения они не нашли, так как сильно грелись и имели очень плохую коммутацию. В настоящее время они используются в основном для бытового электропривода. Еще одну попытку построить однофазный двигатель сделал американский изобретатель И. Томсон - репульсионный двигатель (1886 г.). Однако, в связи с плохой коммутацией при скоростях, значительно отличавшихся от синхронной, такие двигатели строились только на малые мощности (до нескольких кВт) и не получили заметного распространения. 5.4. Развитие однофазных трансформаторов В развитии трансформаторов также можно выделить несколько характерных периодов. Первый период (1830-1870 гг.) характеризуется развитием принципов трансформации; созданием индукционных приборов, преобразующих импульсы постоянного тока одного напряжения в импульсы тока другого напряжения. Принцип индуктивной связи двух катушек, укрепленных на стальном сердечнике, был продемонстрирован еще Фарадеем. В конце 40-х г. и позже большое распространение получили индукционные катушки (Яблочков, Румкорф и др.), которые сыграли особенно существенную роль в качестве аппаратов системы зажигания ДВС. Следует отметить, что в современном смысле этого слова подобные устройства нельзя назвать трансформаторами. Второй период (середина 70-х - середина 80-х гг.) характеризуется применением в сетях переменного тока индукционных катушек, которые представляли собой однофазный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом. Первыми такими трансформаторами были индукционные катушки Яблочкова. В дальнейшем подобное применение трансформаторов с разомкнутым сердечником получило развитие в работах И.Ф. Усагина и Э.Д. Гиббса. В 1882 г. во время Московской промышленной выставки лаборант Московского университета И.Ф. Усагин продемонстрировал устройство, показавшее, что предложенный П.Н. Яблочковым способ распределения электрической энергии с помощью индукционных катушек можно целиком применять для одновременного питания любого типа электрических приемников. Усагин воспользовался индукционными катушками с разомкнутым сердечником. В зависимости от потребителя катушки имели разные размеры, но коэффициент трансформации был равен 1. В схеме Усагина первичные обмотки семи катушек включались последовательно в цепь однофазного тока, а во вторичные обмотки включались приемники: электродвигатель; нагревательная спираль; дуговые лампы с регулятором; электрические свечи Яблочкова. Все приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу. Заслуга Усагина и заключается в том, что он убедительно показал универсальность переменного тока и безопасность его использования. Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения энергии явилась "система распределения электричества для производства света и двигательной силы", запатентованная во Франции в 1882 г. Голяром и Гиббсом. Их трансформаторы предназначались не только для "дробления" энергии, но и для преобразования напряжения. В системах дугового освещения, как правило, регулировалась величина тока в цепи последовательно включенных потребителей. Но после изобретения лампы накаливания и других приемников, для которых важно поддерживать постоянную величину напряжения, более целесообразным стало их параллельное включение. Таким образом, при параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутым сердечником становилось технически не оправданным. В течение третьего периода (с середины 80-х г. до начала становления трехфазных систем в 90-е г.) был разработан промышленный тип трансформатора с замкнутой магнитной системой, а также предложено параллельное включение трансформаторов. Первая конструкция трансформатора с замкнутым сердечником была создана в Англии братьями Дж. и Эд. Гопкинсон. Сердечник был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, обмотки высшего и низшего напряжений. Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформатора высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но более всесторонне этот способ был обоснован венгерским электротехником М. Дери, который в 1885г. получил патент. Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания промышленного типа однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885г. венгерскими электротехниками О. Блатти, М. Дери и К. Циперновским, впервые предложившими и сам термин "трансформатор". Важное значение для расширения области применения трансформаторов и улучшения надежности их работы стало введение в конце 80-х г. масляного охлаждения (Д. Свинберн). Первые такие трансформаторы помещались в керамический сосуд, наполненный керосином или маслом. 5.5. Первые экспериментальные и теоретические исследования в области передачи электрической энергии постоянным током Проблема передачи энергии на расстояние возникла задолго до того, как были построены первые электростанции. Но особенно актуальна она стала в связи с возникновением крупных предприятий. Раньше всего возникли способы механической передачи (штанги, тяги, канаты), а затем получили распространение разные способы передачи механической энергии посредством систем приводных ремней и канатов. Подобная (трансмиссионная) передача даже теперь не совсем отмерла. Опыты использования электромагнитного телеграфа неизбежно привели к мысли о возможности передачи по проводам более значительного количества энергии. Здесь уместно отметить, что международные и национальные выставки сыграли исключительно большую роль в пропаганде научно-технических знаний. В России первая выставка отечественной промышленности была открыта в 1829 г. Первая в мире электротехническая выставка была открыта в марте 1880 г. в Петербурге, а первая международная электротехническая выставка -в 1881 г. в Париже. В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой и начинается история электропередачи. На ней французский электротехник И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Между генератором и двигателем он включил барабан с кабелем длиной 1 км (есть много версий, почему он это делал; одна - чтобы уменьшить мощность двигателя). Этим опытом была продемонстрирована реальная возможность передачи электрической энергии на расстоянии. Вместе с тем сам Фонтен не был убежден в экономической целесообразности электропередачи, так как при включении кабеля получил значительное снижение мощности двигателя, т.е. большие потери энергии в кабеле. Из закона Джоуля-Ленца известно, что потери в проводах составляют  .Снижение удельного сопротивления проводов практически неосуществимо (медь имеет предельно малое  ). Таким образом, имелось только два пути снижения  : увеличение сечения проводов или увеличение напряжения.В 70-х годах был исследован первый путь, так как он казался более естественным и легче осуществимым в техническом отношении. В 1874 г. русский военный инженер Ф.А. Пироцкий пришел к выводу о целесообразности производства электрической энергии там, где она может быть дешево получена благодаря наличию топлива или гидравлической энергии, и передаче ее по линии к потребителю. В том же году он приступил к опытам по передаче на артилерийском военном полигоне Волкова поля (около Петербурга). Дальность передачи составила 1 км. Для уменьшения потерь в линии Пироцкий предлагал в качестве проводов использовать железнодорожные рельсы. В 1875 г. он провел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км. Несмотря на нерациональность практического направления избранного Пироцким, его опыты привлекли внимание к возможностям передачи электроэнергии вообще и помогли выявить правильное направление в исследованиях. Предложение же Пироцкого об использовании железнодорожных рельсов позже нашло применение при разработке первых проектов городских электрических железных дорог. Другой путь решения проблемы передачи электрической энергии (повышение напряжения) длительное время осмысливался теоретически. Наиболее обстоятельное исследование этого вопроса выполнили в 1880 г. независимо друг от друга французский инженер М. Депре и профессор физики Петербургского лесного института Д.А. Лачинов. В марте 1880 г. в Парижской академии наук был опубликован доклад Депре «О КПД электродвигателей и об измерении количества энергии в электрической цепи», где он математически доказывал, что КПД установки из электродвигателя и линии передачи не зависит от сопротивления самой линии. Такой вывод самому Депре показался парадоксальным, так как ему не удалось вначале установить, что увеличение сопротивления линии не влияет на эффективность электропередачи только при увеличении напряжения передачи. Эти условия впервые были указаны Лачиновым в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». Лачинов показал, что «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условии увеличения скорости генератора (увеличения Е). Он также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения КПД передачи при увеличении сопротивления линии в п- раз необходимо увеличить скорость вращения генератора в 4п раз. Депре к подобным выводам пришел год спустя. В 1882 г. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах-Мюнхен длиной 57 км [1]. Хотя этот первый опыт и не дал благоприятных результатов (КПД передачи не превосходил 25%), эта линия явилась отправным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи электроэнергии на расстояние. Отметим интересный факт. Теория телеграфных линий была разработана достаточно хорошо, и было известно, что наибольший эффект в работе приемного устройства достигался тогда, когда его сопротивление вместе с сопротивлением соединительных проводов равно внутреннему сопротивлению источника. Но при этом КПД всей установки составляет 50%. Иными словами, режим передачи наибольшей мощности от источника к нагрузке соответствовал КПД лишь 0.5! Но то, что целесообразно для слаботочной техники становится нецелесообразным для сильноточной. В последнем случае важен экономический эффект и КПД следует всемерно повышать даже в ущерб количеству передаваемой мощности. Это обстоятельство долгое время оставалось труднодоступным для понимания и любые даже крупные специалисты теряли перспективу в научных поисках и прекращали работу, так как не могли освободиться от привычных рамок теории слаботочных цепей. В 1885 г. были опять произведены опыты по передаче энергии постоянного тока, но еще в большем масштабе. Были специально построены генераторы дававшие U= 6 кВ. Тем не менее попытки решить проблемы в 80-е г. не принесли желаемых результатов. Для передачи энергии требовалось получать высокие напряжения, а технические возможности того времени не позволяли строить генераторы постоянного тока высокого напряжения - не выдерживала изоляция. Кроме того, энергию постоянного тока высокого напряжения не представлялось возможным легко использовать потребителям: нужно было иметь двигательно-генераторную установку для преобразования высокого напряжения в низкое. Еще один путь использования постоянного тока для электропередачи был намечен в указанной выше работе Лачинова : он предлагал для повышения напряжения соединить последовательно несколько машин. В этом случае каждая отдельная машина могла быть рассчитана на низкое напряжение. Фонтен первым реализовал эту идею в 1886 г. Трудности, связанные с электропередачей на постоянном токе, направили мысли ученых на разработку техники и теории переменного тока. Когда основные элементы техники переменного тока были разработаны (генераторы, трансформаторы), начались попытки осуществить промышленную передачу энергии на переменном токе. В 1883 г. Л. Голяр осуществил передачу мощности 20 л.с. на расстояние 23 км для питания осветительных установок Лондонского метрополитена. Однако во второй половине 80-х годов уже возникла задача включения в сеть электростанций силовой нагрузки. Таким образом, и при передаче электроэнергии однофазным переменным током снова возникло противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче постоянным током. Напряжение однофазного переменного тока можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов практически в любых желаемых пределах, т.е. при передаче энергии затруднений нет. Но однофазные двигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для целей практики характеристики, и сфера применения переменного тока пока ограничивалась исключительно электрическим освещением, что не удовлетворяло требований промышленности. |
Похожие:
 | Введение 2 Введение 5 Заключение 6 Список литературы 8 Введение «Реклама – двигатель торговли» Она апеллирует к метафизическим, трансцендентальным и априорным истокам опыта. Особое место в ее предметном со держании занимают... | | Программа дисциплины опд. Ф. 02. 1 История языка и введение в спецфилологию... Предметом теоретического курса «Введение в спецфилологию» является история германских языков и народов. Его цели: ознакомление студентов... |
| Программа курса «Введение в геохимию нефти и газа» Введение Предмет... Программа «Мы и окружающий мир» разработана в соответствии с психолого-педагогическими основами системы обучения, наце ленной на... | | Методические рекомендации 8 Введение 10 часть первая введение в специальность.... Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, учащихся техникумов и колледжей, изучающих адаптивную физическую культуру,... |
 | Российской федерации Изучение дисциплины базируется на знаниях студентов, полученных в ходе освоения дисциплин «Введение в языкознание», «Основной иностранный... | | Российской федерации Изучение дисциплины базируется на знаниях студентов, полученных в ходе освоения дисциплин «Введение в языкознание», «Основной иностранный... |
| Введение в экономику Совместный бакалавриат вшэ-рэш, 2013-14 учебный год, 1-й курс введение в экономику | | Рабочая программа по дисциплине Введение в специальность Дисциплина «Введение в специальность» является вводным предметом специальности «Организация перевозок и управление на транспорте... |
| Рабочая программа по дисциплине В. В введение в специальность ... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине введение в специальность ... |
| Рабочая программа Кащенко Натальи Сергеевны I квалификационная категория... Е. А. Криксунова, В. В. Пасечника «Биология. Введение в общую биологию и экологию» (Каменский А. А. Биология. Введение в общую биологию... | | Содержание 2 введение 3 заключение 7 библиографический список 10 введение Великобритании. Здесь корни большинства макроэкономических изменений кроются в реформаторской политике кабинета, пришедшего к власти... |
| Памятка для студентов групп мапп-61-62 по изучению дисциплины «Введение в специальность» Дисциплина «Введение в специальность» изучается в 4-ом семестре. В ней будут рассмотрены следующие темы | | Учебно-методический комплекс дисциплины сд. 10 Введение в лингвострановедение... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Содержание Введение Кредит, его сущность и функции Формы и виды кредита... Международная научно – методическая конференция «Декабрьские чтения имени С. Б. Барнгольц» | | Программа дисциплины дпп. Ддс. 02. Введение в германскую филологию... Целью дисциплины «Введение в германскую филологию» является ознакомление студентов с характерными чертами группы германских языков... |
