Автор работы: Пользователь скрыл имя, 02 Апреля 2012 в 07:22, лекция
Электрические и магнитные явления были известны человеку издавна. Археологические исследования показали, что древние египтяне делали примитивные источники тока, используемые для гальваники. Электростатические взаимодействия были известны древним шумерам. Появление магнетизма в европейской истории относится к древней Греции. Происхождение слова «магнит» объясняется двояко
Что представляла собой эта первая в мире трехфазная линия? На гидростанции в Лауфене энергия турбины через коническую зубчатую передачу передавалась на вал трехфазного синхронного генератора (230 кВА, 150 об/мин, 95 В). Генератор был изготовлен швейцарским заводом "Эрликон", главный инженер которого Ч. Броун сотрудничал с Доливо-Добровольским в области конструирования многофазных машин. От генератора медные шины вели к распределительному щиту, на котором были установлены амперметры, вольтметры, свинцовые предохранители и реле максимального и минимального тока, воздействовавшие на цепь возбуждения генератора. В Лауфене был установлен трехфазный трансформатор с призматическим магнитопроводом (150 кВА, коэффициент трансформации 154). Трансформатор был погружен в бак, наполненный маслом. Трехпроводная линия была выполнена на деревянных опорах со средним пролетом 60 м. Медный провод диаметром 4 мм крепился на штыревых фарфоро-масляных изоляторах, напряжение в линии составляло 14,6 кВ. На стороне высокого напряжения были установлены плавкие предохранители: в начале линии в разрыв каждого провода был включен участок длиной 2,5 м, состоящий из двух медных проволок диаметром 0,15 мм каждая. Так как связи между гидростанцией и территорией выставки не было, то для отключения линии во Франкфурте посредством простого приспособления устраивалось короткое замыкание, плавкие вставки перегорали, турбина, работая без нагрузки, развивала большую скорость и машинист, заметив это, останавливал ее.
На выставочной площадке во Франкфурте был установлен понижающий трансформатор (коэффициент трансформации 116), с выходным напряжением 127 В, от которого питались 1000 ламп накаливания напряжением 65 В, расположенные на огромном щите. Здесь же был установлен трехфазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт, питавший гидравлический насос мощностью 100 л.с. Кроме того Доливо-Добровольский демонстрировал двигатель мощностью 100 Вт с вентилятором и двигатель мощностью 1,5 кВт, приводивший в движение генератор постоянного тока, который питал лампы накаливания.
Перед пуском линии возникли затруднения. Местные власти (линия передачи пересекала территории четырех германских земель) не верили в безопасность ее работы, люди боялись столбов с табличками, на которых был изображен череп, нужно было добиться разрешения на включение линии. Доливо-Добровольский провел убедительный эксперимент. В присутствии местных властей линии включили на напряжение и на глазах у всех оборвали провод, который с яркой вспышкой упал на железнодорожные рельсы. Доливо-Добровольский подошел и поднял провод голыми руками. Все убедились, что линия не угрожает жизни людей.
25 август 1891 года состоялся официальный пуск линии. Хотя времени на предварительные испытания не было, линия с первого включения работала вполне хорошо. После испытаний, проведенных выставочной комиссией, она дала заключение, что работа линии с переменными токами напряжением 15 кВ, изолированной маслом, фарфором и воздухом, длиной более ста километров, протекала всегда равномерно и безопасно, как и работа с переменными токами напряжением в сто вольт и длиной несколько метров.
Так был решен спор: переменный или постоянный; однофазный или трехфазный? В заключение можно привести вспоминания Доливо-Добровольского, как он хотел продемонстрировать свой двигатель Эдисону (в 1889 г.) . Эдисон замахал руками: "переменный ток - это вздор, не имеющий будущего. Я не хочу не только смотреть, но и знать о двигателе переменного тока". И он не пришел!
Создание и убедительная демонстрация трехфазной системы показали путь выхода их энергетического кризиса, который сложился в 80-х годах 19-го столетия. Производительные силы получили новую техническую базу, способствовавшую углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства. Начался процесс электрификации промышленности и начался он со строительства электростанций и линий электропередач.
После закрытия выставки Лауфенская электростанция перешла в собственность города Хейльбронна, осуществлялось питание городской осветительной сети и заводов города. В 1892 году сдана в эксплуатацию линия Бюлах-Эрликон (Швейцария). У водопада в Бюлахе была построена гидроэлектростанция с тремя трехфазными генераторами по 150 кВт каждый. Электроэнергия передавалась на расстояние 23 км для электроснабжения завода. Наибольшее число электростанций строилось в Германии.
Конечно, распространение трехфазной системы сталкивалось с определенными трудностями объективного и субъективного характера. Уже были построены станции постоянного тока, однофазного и двухфазного переменного токов. В Америке фирма "Вестингауз" настойчиво пропагандировала и строила электростанции и электрические сети по двухфазной системе Тесла. Примером может служить Ниагарская электростанция общей мощностью 40 000 л.с. - крупнейшая в мире. Спрос на электроэнергию в этом районе был очень велик - фабрики по производству алюминия, карбида кальция и т.д. Но со временем Ниагарская гидроэлектростанция была переоборудована в трехфазную.
Теперь, когда вроде бы не существовало препятствий для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния электростанции стали строить не непосредственно в городах, а на месте добычи топлива, сокращались расходы на его перевозку. Электростанции, построенные у источников энергии, предназначались для электроснабжения целого промышленного района, поэтому их называли районными. С появлением районных электростанций выявилась целесообразность объединения их в энергетические системы (уменьшался необходимый резерв мощности для каждой станции, создавались условия для выравнивания графика нагрузки станции). Пока электростанции работали изолированно друг от друга не было необходимости устанавливать стандартные частоты и напряжения. При объединении станций такое согласование необходимо. С разработкой стандарта на напряжения было проще. Мы уже рассматривали как образовалась величина напряжения в осветительной сети 110 В. В трехфазной сети существуют фазные и линейные напряжения. Так как осветительная нагрузка однофазная, то ее напряжение стало стандартным фазным напряжением. Линейное напряжение в корень из трех раз больше -200 В. В России это 127/220 В. Так получилась шкала напряжений с шагом корень из трех.
Сложнее было решить вопрос со стандартом частоты. Диапазон предложений был от 25 до 133 Гц. Доливо-Добровольский предлагал 40 Гц. Тесла - 60Гц (его установки были как раз на эту частоту). Интересно, что именно отказ фирмы Вестингауз от частоты 60Гц послужил причиной для ухода Тесла из этой компании. В Европе приняли решение остановиться на частоте 50 Гц (может быть на среднем значении, чтоб не обидеть Доливо-Добровольского и Теслу?). Скорее всего нет. Доливо-Добровольский не принимал во внимание осветительную нагрузку: при малых частотах уже заметно мерцание света. Повышение частоты пропорционально повышает скорость вращения электродвигателей, а потребители (промышленные установки) требуют меньших скоростей. В Америке же приняли за стандарт частоту 60Гц (Тесла был удовлетворен!).
Россия не отставала от Европы и приняла трехфазную систему. Двигатели Доливо-Добровольского демонстрировались уже на 4-й Петербургской электротехнической выставке в 1892 г. (две трехфазные машины мощностью по 15 кВт). Первым российским предприятием с трехфазным электроснабжением был Новороссийский элеватор. Электрические машины проектировала фирма "Броун-Бовери", изготовление было организовано в собственных мастерских элеватора. В 1893 г. элеватор был электрифицирован. Общая мощность электростанции - 1200 кВт (4 синхронных генератора по 300 кВт каждый).
Крупной районной электростанцией России была станция "Электропередача" в г. Ногинске. На станции были установлены три турбогенератора по 5000 л.с., 6600 В, 50 Гц. Это была тепловая электростанция, работавшая на торфе. Трансформаторная группа повышала напряжение до 70 кВ. Электроэнергия передавалась в Москву на расстояние 70 км, в конце линии (в Измайлове) была построена понижающая подстанция. На территории завода Гужона ("Серп и молот") линия Измайловской подстанции соединялась несколькими кабелями с городской сетью.
Таким было начало электрификации. Из 19-го века (века пара) мир переходил в 20-й век - век электричества.
Мы рассмотрели основные этапы развития электротехники: от первых опытов на потеху знати до использования в качестве одной их основных энергетических сил в мировом хозяйстве. Кроме чисто познавательных целей, история электротехники интересна еще и тем, что очень ярко подчеркивает спиральность развития: устаревший метод на новом этапе развития становится прогрессивным.
Недостаток первых электродвигателей: импульсный характер движения сейчас широко используется в так называемых шаговых электродвигателях, так как позволяет достаточно просто задать необходимую величину перемещения (шагов).
В свое время прогрессивным шагом был отказ от использования постоянных магнитов в электродвигателях. Сейчас электродвигатели постоянного и переменного токов с постоянными магнитами, изготовленными на основе новых технологий (например, из самарий-кобальтовых сплавов), находят самое широкое применение.
Распространение электротехники сдерживалось трудностями (даже невозможностью) ее передачи на большие расстояния с использованием постоянного тока. Проблема была решена изобретением переменного тока вообще и трехфазного тока в частности. "Будущее в передаче электрической энергии за постоянным током" - заявил изобретатель трехфазной системы Доливо-Добровольский в одном из своих последних трудов.
1.9 Краткая история развития промышленной энергетики
В начале 20-х годов 19 столетия Генрих Осипович Графтио часто просматривал старые отчеты, записи, журнальные и газетные статьи с нечеткими фотографическими оттисками, которые он увлеченно читал еще будучи студентом и которые так распаляли его воображение.
1880 год
«Наконец-то! Не далее, как два дня назад, в Санкт-Петербурге была введена в работу первая в России установка наружного электрического освещения. В установке использовались электрические свечи, изобретенные нашим соотечественником г-м Яблочковым!»
1882 год
«Американский изобретатель г-н Эдисон построил в Нью-Йорке первую центральную электростанцию. Благодаря работам г-на Эдисона электрическая энергия превратилась в товар, а электрическая установка – в систему централизованного электроснабжения».
«Известный французский исследователь электричества мсье Марсель Депре осуществил электропередачу постоянным током высокого напряжения на несколько десятков километров!»
1886 год
«Спешим уведомить наших читателей о том, что в Петербурге учреждено "Общество электрического освещения 1886 года". Среди учредителей – "Сименс унд Гальске", "Дойче Банк" и русские банкиры».
1887 год
«Мы рады сообщить, что Царское Село стало первым в Европе городом, который целиком и полностью освещен электричеством. Линия элекропередачи, протянутая от станции до дворца Его императорского величества, имеет протяженность 64 километра!»
1891 год
«Русская наука вновь доказала свою состоятельность. Наш с вами соотечественник г-н Доливо-Добровольский запатентовал изобретение, называемое «трехфазным трансформатором». По словам специалистов, значение, которое изобретение г-на Доливо-Добровольского окажет на нашу с вами жизнь, трудно переоценить. Время покажет, так ли это на самом деле».
Читать потертые, полинявшие вырезки из старых газет, безусловно, приятно. Однако пора возвращаться от светлых воспоминаний и грез былых лет к жесткой реальности сегодняшнего дня. И Графтио, вместе с коллегами-инженерами, берется за работу.
Контрольные вопросы
1. Кто доказал принципиальную возможность преобразования электрической энергии в механическую и обратно?
2. Кто прославил Россию первым промышленным электроприводом?
3. В каком году по Неве ходил бот с пассажирами, движимый электромеханической силой в 3/4 лошади против течения, со скоростью хода 2,5 км/час?
4. Кто первым предложил конструкцию вращающейся части электродвигателя - кольцевой якорь (стальное кольцо, обмотанное проводом)?
Для истории развития энергетики характерны пять основных периодов. Первый период характеризовался разработкой, становлением и развитием электродвигателей постоянного и переменного тока и источников электричества - генераторов – это конец 18 и 19 века (описан в первой главе).
Второй, основной, который стал толчковым, начался в 1920 г., когда VIII Всероссийским съездом Советов был принят план электрификации России (ГОЭЛРО). Этим планом предусматривалось опережающее развитие энергетики, сооружение 30 крупных районных станций, использование местных топлив, развитие централизованного энергоснабжения, рациональное размещение электростанций на территории страны. Задания плана ГОЭЛРО были выполнены уже в 1931 г.
За годы Великой Отечественной войны выработка электроэнергии снизилась почти в два раза, около 60 крупных станций было разрушено. Поэтому основной задачей третьего периода развития энергетики (1940-1950 г.г.) было восстановление разрушенного энергетического хозяйства.
Для четвертого этапа развития энергетики (1951-1965 г.г.) характерна концентрация энергоснабжения за счет создания объединенных энергосистем, строительство мощных тепловых электростанций, сооружение первых атомных станций.
Пятый период (с 1966 г. по настоящее время) характеризуется переходом к качественно новому уровню развития топливно-энергетического комплекса. Внедряется блочная схема компоновки электростанций, причем мощность блоков непрерывно повышается. Пар сверхкритических параметров теперь используется не только на конденсационных электростанциях (КЭС), но и на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Формируется единая энергосистема страны.
До 1975 г. в СССР проводился курс на повышение расхода газа и мазута на нужды энергетики. Это позволило в короткий срок и без значительных капитальных затрат укрепить энергетическую базу народного хозяйства. Позже было решено, что дальнейший рост энергетического потенциала Европейской части страны должен осуществляться за счет строительства гидравлических и атомных станций, а в восточных районах - за счет тепловых станций, работающих на дешевых углях.