История развития энергетики

Второй этап становления электрических машин -  (1830 - 1860) г.г. - усовершенствование конструкции двигателя с вращательным движением. Требовалось усовершенствовать коллектор (открытые сосуды с ртутью не годятся для использования в промышленности). Для повышения мощности электродвигателей стали использовать электромагниты, как в неподвижной, так и во вращающейся частях электродвигателя. Наиболее существенных результатов на этом этапе добился петербургский профессор Борис Семенович Якоби. Мориц Герман Якоби, уроженец Потсдама, откликнулся на приглашение Петербургской академии наук (было время, когда ученые стремились в Россию, а не наоборот!), переехал в Россию, принял русское подданство и имя и прославил Россию первым промышленным электроприводом.

В своем электродвигателе Якоби использовал уже известный принцип притяжения  и отталкивания полюсов магнитов. Якоби усовершенствовал коллектор Риччи (кольцо разделялось на 8 частей, состоящих поочередно из проводника и изолятора). Таких колец было 4, смещенных относительно друг друга на 450. По окружности кольца скользил рычаг (прообраз щетки), второй конец рычага был погружен в сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи. Проводящие сектора колец соединялись с электромагнитами, установленными на вращающемся диске. Второй комплект электромагнитов располагался на неподвижной раме. И вращающихся и неподвижных магнитов было по восемь. Неподвижные магниты соединялись последовательно, ток в их обмотках не менял направления. При протекании тока через электромагниты, установленные на подвижном диске, они притягивались (отталкивались) к неподвижным электромагнитам. Диск поворачивался и  ток в его электромагнитах с помощью коммутатора менял направление. Электромагниты перемагничивались, притягивались к следующим неподвижным магнитам - диск снова поворачивался на одну восьмую оборота. Использование электромагнитов позволило увеличить   мощность  двигателя до 15 Вт. Для дальнейшего увеличения мощности Якоби объединил 40 таких электродвигателей, которые получали питание от 320 гальванических элементов. В 1838 году по Неве ходил бот с 12 пассажирами, "движимый электромеханической силой в 3/4 лошади противу течения при сильном противном ветре...", скорость хода достигала 2,5 км/час. Якоби создал первый электропривод, нашедший практическое применение. "Что бы ни было впоследствии, важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава первого применения теории к практике" писали петербургские газеты. 

Подобные двигатели были очень громоздкими, действовали по принципу притяжения и отталкивания электромагнитов, поэтому вращающий момент носил пульсирующий характер (в двигателе Якоби силовой импульс повторялся 8 раз за один оборот, то есть за 3/4 или 1/2 секунды - 120 оборотов в минуту).  Имеются сведения  о более мощном электродвигателе французского механика П. Г. Формана, демонстрировавшемся в 1867 году на Всемирной выставке в Париже: мощность - 1 л. с. (735,5 Вт), масса 47 пудов (769 кг), КПД - 22%. Конечно, такие электродвигатели не могли конкурировать с тепловыми!

На третьем этапе развития электродвигателей постоянного тока усилия были направлены на устранение принципиального недостатка конструкций со стержневыми магнитами - пульсации магнитных полей, импульсного характера движения. Нужны были непрерывные обмотки, которые обеспечивают электромеханическое преобразование энергии без изменения энергии магнитного поля. Первым такую конструкцию вращающейся части электродвигателя -  кольцевой якорь (стальное кольцо, обмотанное проводом) предложил в 1860 г. студент Пизанского университета итальянец Антонио Пачинотти. На зубчатый кольцевой якорь (зубцы уменьшают магнитное сопротивление и облегчают крепление обмотки) наматывались катушки, концы которых подсоединялись к пластинам коллектора. Подвод тока к коллектору осуществлялся роликами. На неподвижной части - статоре располагались обмотки электромагнитов, стержни, на которые наматывались эти обмотки,  снабжались широкими полюсными наконечниками. Обмотки статора соединялись последовательно с обмоткой якоря (это двигатель с последовательным возбуждением). Здесь сделан основной шаг к созданию двигателя современного типа: явнополюсный якорь заменен неявнополюсным. Полюсные наконечники статора охватывают большое число зубцов якоря и витков его обмотки, то есть магнитное поле непрерывно взаимодействует с обмоткой якоря. Большое число последовательно соединенных якорных обмоток обеспечивает непрерывный ток в якоре, непрерывное действие движущего момента. Этот двигатель хранится в музее Пизанского университета. Странно, но на публикацию Пачинотти о своей работе не обратили должного внимания. Идея кольцевого якоря была возрождена через 10 лет З.Т. Граммом в конструкции электромашинного генератора.

1.2 Развитие источников электричества - генераторов

Антонио Пачинотти указывал и на то обстоятельство, что если в его машине электромагнитное возбуждающее поле создавать постоянными магнитами и принудительно вращать якорь, то ее можно превратить в генератор. Принцип обратимости электрических машин впервые сформулировал русский физик и электротехник Эмилий Христианович Ленц.

Как уже отмечалось, первые электрические генераторы были генераторами переменного тока, но в практических применениях электротехники (минная электротехника, электрохимия, телеграфия, зарождающееся электрическое освещение) использовался постоянный ток. Соединение генератора переменного тока с "выпрямителем" - барабанным коммутатором -  впервые осуществили братья Пиксии. В указанных генераторах на вращающейся части - якоре - располагались постоянные магниты. Более целесообразным оказалось сделать магниты неподвижными, а вращать обмотки. При этом проще было выполнить и коммутатор, вращающаяся часть которого закреплялась на валу вместе с якорем. Первый такой магнитоэлектрический генератор построил Якоби в 1842 г., занимаясь усовершенствованием методов электрического взрыва мин. Конструкция Якоби совершенствовалась другими учеными и в 1856 году в Париже была организована электропромышленная компания "Альянс", начавшая серийный выпуск генераторов для питания дуговых ламп на маяках. Этот генератор так и назывался -  Альянс. На чугунной станине по окружности располагались постоянные магниты (40 и более)  радиально по отношению к вращающемуся паровой машиной  валу. На валу устанавливались диски с большим числом катушек и коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга. Токосъем осуществлялся с помощью роликов. Меняя соединения обмоток якоря можно было вырабатывать большой ток низкого напряжения (гальванопластика), либо малый ток высокого напряжения. По сути это тот же принцип собирания одной большой машины из нескольких малых ( принцип Якоби).

Создание генератора в 10 л.с. нагляднее показало недостатки магнитоэлектрических машин. Старение с течением времени, вибрация во время работы, размагничивающее действие магнитного поля, создаваемого током якоря, приводили к быстрому размагничиванию постоянных магнитов, мощность машины уменьшалась. Якорь выполнялся в виде сплошного стержня, который сильно нагревался, разрушалась изоляция обмоток. В дальнейшем от постоянных магнитов отказались, заменив их на электромагниты, питающиеся от независимого источника тока.

1.3 Ферромагнетизм

Замена постоянных магнитов, создающих магнитное поле в электрической машине, на электромагниты возможна при использовании так называемых ферромагнетиков.

Ферромагнетиками называют вещества, способные к сильному намагничиванию. Магнитная проницаемость большинства ферромагнетиков при обычных температурах измеряется сотнями и тысячами единиц. Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между индукцией (В) и напряженностью поля (m0Н) . Эта зависимость была установлена в классических работах русского физика Александра Григорьевича Столетова на примере мягкого (отоженного) железа. (рис.1.2) Эта зависимость определяет намагничение материала (магнитный момент единицы объема)  I = B - 0H. Как и индукция намагничение сначала быстро возрастает, но затем рост замедляется и наступает магнитное насыщение (намагничение перестает зависеть от напряженности поля). Соответственно, магнитная проницаемость материала (магнетика) возрастает с увеличением напряженности поля до максимальной величины, а затем асимптотически уменьшается, стремясь к единице.

Рисунок 1.2 - характеристики ферромагнетиков

Эти особенности намагничивания ферромагнетиков показывают эффективность их использования для получения сильных магнитных полей. Именно с этой целью они и используются в электрических машинах: магнитное поле создается обмоткой возбуждения (ток возбуждения протекает по обмотке, намотанной на железный сердечник). Такая система, по сравнению с постоянными магнитами, не подвергается старению, не теряет своих свойств при вибрации, позволяет принять меры против размагничивания токами якоря.

Ферромагнетики являются анизотропными - вид кривой намагничения зависит от направления поля относительно кристаллов вещества. В результате при уменьшении внешнего магнитного поля после намагничивания уменьшение индукции отличается от ее изменения при увеличении поля. В магнетике сохраняется остаточная индукция. Это явление получило название магнитного гистерезиса, а петлеобразная зависимость индукции от напряженности - петлей гистерезиса. Магнитный гистерезис и полезен и вреден. При намагничении магнетика совершается определенная работа (ему сообщается энергия), при размагничивании эта энергия возвращается. Если магнетик обладает гистерезисом, то энергии возвращается меньше (остаточная энергия пропорциональна площади петли гистерезиса). Эта энергия затрачивается на совершение  работы против коэрцитивных сил и, в конечном счете, превращается в тепло. При цикличном перемагничивании ферромагнетики нагреваются, что необходимо учитывать при их использовании.

Остаточное  намагничение можно также использовать для создания магнитного поля в электрической машине без применения для этой цели внешнего источника тока: попробовать питать обмотку возбуждения током, вырабатываемым самой машиной. Это возможно, так как остаточное намагничивание создаст в обмотке якоря, при его вращении, небольшую ЭДС (полная аналогия с работой машины при использовании постоянных магнитов). Нужно только так подсоединить обмотку возбуждения к якорю, чтобы эта ЭДС создавала ток, увеличивающий намагничение ферромагнетика. Идея самовозбуждения можно сказать витала в воздухе, об ее открытии только в Лондонском Королевском обществе в 1867 г. независимо друг от друга и с разницей в пару часов (на одном заседании) объявили немец Вильгельм Сименс  (он зачитал письмо своего брата Вернера Сименса) и англичанин Чарльз Уитстон. Впоследствии оказалось, что и они не были первыми. Патент на самовозбуждение был выдан английским инженерам Варлей за два месяца до этого заседания. Потом оказалось, что за полгода до братьев Варлей о самовозбуждении была публикация в журнале "ENGINEER". И это еще не все! Научные общества разных стран утверждают о приоритете своих соотечественников, называя 1838 г. и ранее.

Но приоритет приоритетом, а первые машины, использующие принцип самовозбуждения, начал выпускать Вернер Сименс - глава известной уже фирмы. Сименс назвал принцип самовозбуждения динамоэлектрическим, а сам генератор с самовозбуждением динамомашиной.

Революционным шагом в машиностроении, положившем начало промышленной электротехнике, было объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря. Такой генератор осуществил в фирме "Альянс Зеноб Т. Грамм. Практически от повторил конструкцию Пачинотти, но обмотка на якоре Грамма была непрерывной замкнутой сама на себя. От равноудаленных точек этой обмотки шли отпайки к коллекторным пластинам. Так как принцип обратимости был уже хорошо известен, то машина Грамма использовалась как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Она получила очень широкое распространение.

Грамм создал машину постоянного тока современного типа. В дальнейшем шли усовершенствования именно этой конструкции. В 1873 году кольцевой якорь заменили барабанным (в кольцевом "внутренняя" половина витков обмотки не работает) - главный инженер фирмы "Сименс" Фридрих Гефнер-Альтенек. Американец Хайрем Максим (все знают пулемет его системы) вновь (после Пачинотти) ввел зубчатый якорь. Эдисон Томас Альва получил патент на шихтованный  якорь: сплошной сердечник он заменил составленным из большого числа тонких дисков, разделенных между собой листами тонкой бумаги. Такая конструкция  уменьшала потери в якоре при перемагничивании.

1.4 Начальный период развития теоретической и промышленной электротехники

1.4.1 Развитие теоретической электротехники

В связи с возникшим интересом к цепям переменного тока начала интенсивно развиваться теория электрических цепей. Немецкий физик Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц, английский физик Джеймс Клерк Максвелл, немецкий математик Карл Готфрид Нейман устанавливают математические связи между мгновенными значениями тока и напряжения, получают дифференциальную форму уравнений цепей. Английский физик Уильям Томсон (за научные заслуги получил титул лорда Кельвина) применяет гармонический анализ Фурье для несинусоидального тока. Анализ выявляет вредную роль высших гармоник, доказана необходимость принятия специальных мер для получения в генераторах ЭДС синусоидальной формы. В 1887 г. Гизберт Капп (профессор Бирмингемского университета) вывел формулу трансформаторной ЭДС       , которую теперь знает любой электрик. В 1889 году профессор Гринвичского морского училища Томас Блекселей предложил изображать синусоидальную величину в виде вектора. Метод векторных диаграмм позволил наглядно представить процессы в цепях гармонического тока, он позволил распространить закон Ома на цепи, содержащие резисторы, индуктивности, емкости, находящиеся под воздействием гармонических напряжений.

Русский ученый Михаил Осипович Доливо-Добровольский доказал, что магнитный поток в магнитопроводе катушки, включенной в цепь переменного тока определяется напряжением (частота и число витков заданы) и не зависит от магнитного сопротивления. При изменении магнитного сопротивления меняется только намагничивающий ток. Если магнитный поток меняется синусоидально, то ЭДС (и напряжение) тоже синусоидальны, причем ЭДС и магнитный поток различаются по фазе на 900. Доливо-Добровольский ввел понятия активной и реактивной составляющих тока. В электромеханическом преобразовании энергии участвует только активный ток, поэтому Доливо-Добровольский назвал их ваттный и безваттный токи.

Метод векторных диаграмм позволил исследовать поведение электрической цепи при изменении одного из параметров. Так появились линейные и круговые диаграммы (метод геометрических мест). Особенно продуктивным он оказался для иеории электрических машин.

Логическим завершением общей теории цепей переменного тока явилась идея поместить векторную диаграмму на комплексную плоскость. Тригонометрические операции над векторными изображениями синусоидальных функций времени заменялись алгебраическими операциями над комплексными числами. Большая заслуга в широком применении комплексного ("символического метода") принадлежит известному американскому электротехнику Чарльсу Протеусу Штейнмецу. В 1901 году он выпустил фундаментальный труд "Теоретические основы электротехники", создав базовую дисциплину электротехники.