История развития энергетики

Известен и другой символический метод, в котором любое аналитически выраженное воздействие заменяется его операторным изображением. Его предложил английский физик Оливер Хевисайд для решения задач о переходных процессах. Операционное исчисление основано на преобразовании Лапласа.

Началась подготовка научных и инженерных кадров электротехников. В России инженеров по электротехнике готовило Главное инженерное училище военного ведомства. В 1884 году электротехническая специальность появилась в Петербургском технологическом институте, а в 1891 году на базе Телеграфного училища открыт Петербургский электротехнический институт. В Петербургском политехническом институте (открыт в 1902 г.) читал курс "Теория электрических и магнитных явлений Владимир Федорович Миткевич, а в Московском высшем техническом училище курсы "Теория переменных токов" и "Электрические измерения" читал Карл Адольфович Круг. Они являются основателями петербургской и московской электротехнических школ.

1.4.2 Развитие промышленной электротехники

К 1870 году был создан достаточно мощный и экономичный источник электрической энергии. Началось массовое промышленное и бытовое применение сильноточных электротехнических устройств.

Первым таким потребителем явилась система электрического освещения: использовались дуговые лампы (дуга Петрова). Усовершенствования дуговых ламп в основном касались регуляторов дугового промежутка, который необходимо поддерживать постоянным по мере выгорания угольных электродов. Использовались электромагниты с подвижным сердечником (уменьшение силы тока по мере сгорания электродов уменьшало силу притяжения сердечника и подвижный электрод приближался к неподвижному). Владимир Николаевич Чиколев (1879 г) применил дифференциальный регулятор с электродвигателем, имеющим две обмотки возбуждения. Одна обмотка включалась последовательно с дугой, другая параллельно. Магнитные силы обмоток были направлены встречно: при сгорании углей ослаблялось действие последовательной обмотки, якорь двигателя вращался в одну сторону, и угли сближались; при чрезмерном сближении углей усиливалось действие последовательной обмотки , якорь двигателя получал противоположное вращение, разводя угли. Крупносерийный выпуск дуговых ламп с дифференциальным регулятором был налажен на заводах Сименса (лампа Сименса). Дуговые лампы применялись для освещения улиц, морских гаваней, на маяках - там, где нужен мощный источник света.

Дуговую лампу усовершенствовал Павел Николаевич Яблочков - он расположил электроды не встречно, а параллельно - расстояние между электродами не изменялось,  дуга устойчиво горела без регулятора. Сам Яблочков был плохим предпринимателем, поэтому он переехал в Париж и познакомил со своим изобретением владельца завода по производству точных приборов Бреге (в Париже Яблочков и получил патент на электрическую свечу). С помощью Бреге Яблочков осуществил освещение крупных парижских магазинов, ипподрома, улиц, моста Ватерлоо в Лондоне, Гаврской гавани (его система освещения получила название "русский свет"). Вернувшись в Петербург Яблочков пытался наладить работу по освещению на родине, но он был плохим коммерсантом потерпел неудачу.

Дальнейший прогресс электрического освещения связан с лампой накаливания. Она была изобретена уже давно (стеклянный баллон с платиновой спиралью - лампа Деларю - 1809 г.). Далее менялись металлы, применялись угольные нити  и т.д. В 1870 г. промышленный образец лампы накаливания был запатентован русским отставным офицером Александром Николаевичем Лодыгиным. Кстати, именно он предложил использовать вольфрам для изготовления нити накаливания. Но самое широкое применение получили лампы Эдисона. Он поставил перед собой две задачи: лампа должна давать умеренную освещенность (пригодную для освещения помещений), каждая лампа должна гореть независимо от других. Независимость горения ламп обеспечивалась их параллельным включением, для этого лампа должна иметь высокое сопротивление - спираль изготавливалась из металла с высоким сопротивлением. Эдисон разработал все детали электрического светильника (цоколь у стеклянного баллона, патрон, поворотный выключатель, предохранитель, провода на роликах, счетчик электроэнергии). Наконец, он построил в Нью - Йорке первую центральную электростанцию. Эдисон превратил электричество в товар.

В то же время становилось ясно, что система электроснабжения на постоянном токе имеет очень ограниченный радиус действия. Электростанция Эдисона обеспечивала напряжение в осветительной сети величиной в 110 В. Дело в том, что в одну линию включались две дуговые лампы. Экспериментально было установлено оптимальное напряжение горения дуги - 45 В. В момент зажигания дуги ток практически короткого замыкания в линии ограничивался балластным резистором, на котором в нормальном режиме работы падало напряжение в 20 В. Так получилось общее напряжение  110 В - первый стандарт электрического напряжения (хотя причина давно забыта). Это напряжение применялось и для ламп накаливания. В этом расчете не было учтено падение напряжения в соединительных проводах, которое увеличивается с увеличением длины проводов. Поэтому радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров (для изготовления проводов использовалась дорогая медь, поэтому увеличивать их сечение было невыгодно). Нельзя было и увеличить напряжение: это означало бы включение в одну линию большего числа ламп - тогда, например, жильцы нескольких домов должны бы были включать и выключать освещение одновременно.

Массовое применение электрического освещения вызвало дальнейшее развитие электромашиностроения, электроприборостроения, электроизоляционной техники, наконец, способов производства и распределения электрической энергии. Но уже наметился и кризис: постоянный ток сдерживал широкое распространение электрического освещения, ограничивая  радиус действия электрической системы. Центральная электростанция Эдисона в Нью-Йорке снабжала электроэнергией район площадью 2,5 км2. Получается, что в городе электростанции должны строиться через каждые 1,5 км! 

Яблочков, работая над своей дуговой лампой, установил, что наилучшие результаты дает питание лампы переменным током: он давал равномерное сгорание электродов, а на постоянном токе быстрее выгорал положительный электрод. Производство генераторов переменного тока возросло в десятки раз. Но по-прежнему действие электрического освещения ограничивалось сотнями метров.  Для питания от одного источника нескольких ламп Яблочков применил индукционные катушки (трансформаторы). Первичные обмотки соединялись последовательно, а во вторичные включались лампы. Таким образом появилась возможность подключать к одной линии теоретически любого числа ламп, пропорционально увеличивая напряжение в линии. Существенно увеличивалось расстояние междй электрической станцией и потребителями. Впервые была оформлена электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель - генератор - линия передачи - трансформатор - приемник.

Повышенный спрос на генераторы переменного тока заставил совершенствовать их конструкцию. Изобретение трансформатора явилось сильнейшим аргументом в пользу переменного тока. Собственно индукционная катушка (две независимые обмотки с сердечником) была известна давно (ее использовал еще Фарадей), но применялась для получения искрового разряда во вторичной цепи  при прерывании тока в первичной. Наиболее известна катушка Румкорфа: ее применяли в минной электротехнике, затем в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Яблочков понял роль индукционной катушки как средства разделения цепей переменного тока. Дальнейший шаг сделали Голяр и Гиббс во Франции. Они изменили число витков в обмотках, то есть преобразовали напряжение по величине.

Индукционные катушки изготавливали с разомкнутым сердечником. Трансформатор с замкнутым сердечником был разработан в 1885 г. венгерскими электротехниками М. Дери, О. Блати, К. Циперновским (последний предложил и сам термин "трансформатор").

Вначале практически никто не верил, что электроэнергию можно передавать на большие расстояния - все понимали: чем больше длина кабеля, тем больше потери в нем. В. Сименс, посетив Ниагарский водопад правильно оценил его энергетические возможности, но утверждал, что для передачи энергии на расстояние в 50 км потребуется проводник диаметром 75 мм ("только для изготовления проводов придется загнать целый медный рудник"). Потери в линии зависят от напряжения, сечения провода и удельного сопротивления материала провода. Уменьшение удельного сопротивления практически неосуществимо и сейчас (медь имеет предельно малое удельное сопротивление).

Первая линия электропередачи длиной 57 км Мисбах - Мюнхен для демонстрации на Мюнхенской выставке была построена французским физиком и электротехником Марселем Депре. Это была линия передачи постоянного тока с напряжением 2000 В, которое создавалось генератором мощностью в 3 лошадиных силы (2,2 кВт). Хотя КПД передачи составил всего 25%, практически была доказана возможность передачи электроэнергии на значительные расстояния. Одновременно было доказано, что передача электрической энергии с такими потерями не имеет перспектив. Электротехники находились в плену представлений теории телеграфной техники (слабых токов). Из этой теории следовало, что наилучший прием сигнала осуществляется, если сопротивление приемника равно сопротивлению источника энергии вместе с сопротивлением линии (согласованный режим). КПД при этом 50% (теоретический). Но то, что целесообразно для слабых токов, нецелесообразно для больших.

Кроме того, не решалась задача распределения энергии между потребителями, которые имели низкое рабочее напряжение. С изобретением трансформатора появилась возможность достаточно просто получать необходимую величину напряжения. Это было доказано строительством линии электропередачи переменного тока на расстояние 23 км при напряжении в ней 2000 В для освещения Лондонского метрополитена. Трансформатор обеспечивал повышение напряжения для уменьшения потерь в линии передачи и понижение его до рабочего напряжения электродвигателя ( на постоянном токе это невозможно). Можно сказать, что проблема передачи электроэнергии была решена.

Началось строительство электростанций переменного тока. Первые такие промышленные электростанции появились в Лондоне. Для освещения лондонского Сити была построена электростанция в лондонском предместье - Дептфорде (чем дальше от центра, тем дешевле земля). Паровые машины вращали генераторы мощностью по 1000 л. с., которые вырабатывали однофазный переменный ток напряжением 10 кВ. Электроэнергия передавалась в район Сити по подземным кабелям на трансформаторные подстанции, напряжение понижалось до 2,4 кВ, а уже в домах понижалось до 110 В. В США была построена гидроэлектростанция, использующая энергию Портлендского водопада. Электроэнергия (720 кВт) передавалась на расстояние 14 миль (26 км) в город Портленд.

В России первая центральная электростанция переменного тока была построена в Одессе (1887 г.). Электроэнергия мощностью 160 кВт при напряжении 2 кВ частотой 50 Гц передавалась на расстояние 2,5 км для освещения Одесского театра. В то же время была построена Царскосельская электростанция, с протяженностью линии 64 км, причем была использована воздушная линия (в Европе городские власти запрещали строительство воздушных линий, считая, что они портят внешний вид города). Царское село стало первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.

Следует отметить, что на первых электростанциях переменного тока установленные генераторы работали независимо друг от друга: от каждой машин шла отдельная линия к потребителям. Для объединенной работы нужно было синхронизировать напряжения генераторов по величине, по фазе, по частоте. Эта задача в то время еще не была разрешена.

Применение трансформаторов и генераторов переменного тока решило проблему освещения; стало ясно, что передача электроэнергии на большие расстояния возможна только с помощью переменного тока, но совершать механическую работу могли только электродвигатели постоянного тока, поэтому промышленные предприятия по прежнему имели свои собственные электростанции постоянного тока. Не сдавал своих позиций и паровой двигатель. 

1.5 Однофазные двигатели переменного тока

Итак, генераторы  однофазного переменного тока были созданы раньше генераторов постоянного тока и развивались вполне успешно. Была доказана обратимость электрических машин (Пачинотти, Якоби, Ленц). Почему же не развивались однофазные электродвигатели? Они существовали, но имели очень серьезный недостаток. Рассмотрим упрощенную схему электродвигателя переменного тока - рисунок 1.3. На рисунке показана часть машины переменного тока с внешними полюсами - электромагнитами, питаемыми постоянным током, либо постоянными магнитами. На подвижной части машины - роторе расположена обмотка, подключенная к сети переменного тока.

Рисунок 1.3 - Принцип работы однофазного электродвигателя

Пусть один из полюсов ротора находится в положении а и протекающий по обмотке ротора ток создает на нем южный магнитный полюс. Тогда полюс ротора будет отталкиваться от южного полюса статора и притягиваться к северному - то есть ротор поворачивается по часовой стрелке. Когда полюс ротора займет положение б, ток в его обмотке становится равным нулю, а затем меняет свое направление. В положении в полюс ротора перемагнитится, будет соответствовать северному магнитному полюсу, то есть будет отталкиваться от северного полюса статора и притягиваться к южному.

Следовательно, вращение ротора будет происходить только в том случае, если скорость вращения - строго определенная величина. Она должна быть такой, чтобы время, необходимое для прохождения каждым полюсом ротора расстояния между двумя соседними одноименными полюсами статора, точно равнялось периоду переменного тока. Как говорят, ротор должен вращаться синхронно с изменением переменного тока (термин ввел Ч. Штейнмец). Прежде чем синхронный двигатель начнет работать, его ротор необходимо раскрутить до требуемой скорости. Для запуска таких двигателей использовались паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания (система Ферранти), естественно, что такие электроприводы не получили широкого распространения.

Более продуктивной оказалась идея питания однофазным переменным током коллекторного электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. В этом случае направление основного магнитного потока изменяется одновременно с изменением направления тока в якоре, поэтому вращающий момент имеет постоянное направление. Изменение направления тока в якоре приводит к сильному искрению на коллекторе, поэтому такие двигатели не нашли широкого применения. В настоящее время они используются в бытовом электроприводе (электродрели, стиральные машины), на электрифицированных железных дорогах однофазного тока.