Лекции по "Электроэнергетике"

Дальнейшие исследования электромагнитной индукции привели  к установлению законов о направлении  индуктированного тока. Этот закон был сформулирован в 1832г. Эмилием Ленцем и позволил ему сформулировать важнейший для электротехники принцип - обратимость генераторного и двигательного режимов электрических машин.

 

Раздел 2. Основные этапы развития электротехники

 

Лекции 2.3-2.4

 

Изобретение первого конденсатора

 

 

После того, как опыты с электростатическими  генераторами получили широкое применение, совершенно естественной была попытка  накопить и сохранить электрические  заряды. В середине XVIII в. в Голландии, в Лейденском университете ученые под руководством преподавателя физики Питера ван Мушенбрука нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была «лейденская банка» – прообраз электрического конденсатора. Заряжалась она с помощью серного шара фон Герике.

Зная, что стекло не проводит электричество, Мушенбрук (в 1745 г.) взял стеклянную колбу, наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической машины, и, взяв банку в правую руку, попросил своего помощника вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора от серного шара Герике, будут накапливаться в стеклянной банке (рис. 2.3).

После того, как, по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар. Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена).

Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго  сохранять значительное количество электричества.

Постепенно конструкция  лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими  свинцовыми пластинами; позднее внутреннюю и наружную поверхности стали  покрывать оловянной фольгой, и  банка приобрела современный вид. В 70-х гг. 18 века металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком – так появился простейший электрический конденсатор (слово конденсатор означает сгуститель), а не соединяющиеся между собой полоски фольги называются обкладками конденсатора.

 

Первые аккумуляторы электрической энергии

 

Простейшими гальваническими  элементами были элементы с одной жидкостью. К их числу относится вольтов столб и его видоизменения. Но, вследствие поляризации, действие таких батарей быстро ослаблялось, кроме того, они были неудобны в эксплуатации.

В.В. Петров в начале XIX в. создает предпосылки для создания аккумуляторов, проводит важнейшие  эксперименты.

Изучив труды своих  предшественников в области электричества, В. В. Петров пришел к логичному выводу о том, что более полное и всестороннее изучение явлений электрического тока возможно при наличии крупных гальванических батарей, действия которых будут более интенсивными и легче наблюдаемыми.

В то время как распространенные за рубежом гальванические батареи состояли из нескольких десятков или сотен пластин, Петров построил батарею, состоявшую из 4200 медных и цинковых пластин или 2100 медно-цинковых элементов, соединенных последовательно.

Эта батарея располагалась в  большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделения; для изоляции пластин стенки ящика и разделяющих перегородок были покрыты сургучным лаком. Общая длина батареи составляла 12 м - это был уникальный для своего времени источник электрического тока. Как показали современные эксперименты с моделью батареи Петрова, э. д. с. ее составляла около 1 700 В, а максимальная полезная мощность – 60-85 Вт.

Именно благодаря применению источника тока высокого напряжения Петрову в 1802 г. впервые удалось  наблюдать явление электрической дуги. Точно так же Дэви смог наблюдать электрическую дугу только после того, как в 1808 г. он построил большую гальваническую батарею, состоявшую из 2000 элементов.

После открытия в 1829 г. А.С. Веккерелем явления поляризации  им же была создана более совершенная конструкция элемента с 2-мя жидкостями. По мере совершенствования они получили широкое распространение.

Другим направлением в области создания электрохимических  источников тока было построение электрических  аккумуляторов или «вторичных элементов», как они долгое время назывались. Принципиальная возможность аккумулирования электрической энергии была установлена еще в начале XIX в. Но только в 1854 г. немецкий врач В.И. Зинстеден открыл способ аккумулирования. В 1859 г. француз Г. Планте наблюдал (независимо от немецкого ученого) то же явление и на его основе построил свинцовый аккумулятор. В 1880 г. К. Фор конструирует свинцово-кислотный аккумулятор. А.Н. Лодыгин разрабатывает теорию аккумулирования электричества для проектируемого электровертолета.

В 1886 г. М. Депре создает  буферную аккумуляторную батарею.

В 1984 г. были созданы серно-натриевые  аккумуляторы, намного превышающие  по технико-экономическим показателям  свинцово-кислотные.

 

Развитие электрических  машин постоянного тока

 

Первоначально развитие электрических генераторов и  электрических двигателей шло различными путями, что вполне соответствовало  состоянию науки об электричестве  и магнетизме того периода: принцип  обратимости был открыт в 30-х годах, но его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов XIX в. Поэтому вполне правомерно рассматривать отдельно историю создания генератора и двигателя в период до 1870 г.  А так как единственным надежным и изученным источником электроэнергии до середины 19 века был только гальванический элемент, то первыми стали развиваться машины постоянного тока.

 

Основные этапы  развития электродвигателя

 

В развитии электродвигателей  постоянного тока можно выделить три основных этапа, достаточно условных, так как конструкции и принципы действия электродвигателей, характерные для одного этапа, в отдельных случаях появлялись вновь спустя много лет. Вместе с тем, более поздние и более прогрессивные конструкции в их зачаточной форме нередко можно найти в первоначальном периоде развития электродвигателей.

• Начальный период развития электродвигателя (1821-1834 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. В основном преобладают конструкции с качательным движением подвижного элемента, названного якорем.

Одним из исторических примеров развития электродвигателя является «колесо  Барлоу». Оно представляло собой два медных зубчатых колеса, укрепленных на одной оси, которые соприкасались с ванночками, наполненными ртутью, и находились между полюсами постоянных магнитов. При пропускании тока через колеса они начинали быстро вращаться (рис. 4.5).

В качестве примера другой конструкции электродвигателя может служить прибор, описанный в 1833 г. английским ученым У. Риччи. Магнитное поле в этом двигателе создавалось постоянным неподвижным подковообразным магнитом, между полюсами которого на вертикальной оси помещался электромагнит. Взаимодействие полюсов постоянного магнита и электромагнита приводило к вращению электромагнита вокруг оси. Направление тока периодически изменялось коммутатором, который представлял собой желобок с ртутью, образующий кольцо и разделенный перегородками на две части: концы обмотки вращающегося электромагнита касались ртути. Это был прообраз будущего коллектора.

Колесо Барлоу не нашло  практического применения и до сих  пор остается лабораторным демонстрационным прибором. Электродвигатель Риччи вследствие своей примитивной конструкции и незначительной мощности также не мог получить практического применения.

Для первого этапа развития электродвигателя характерным примером, отражающим иное конструктивное направление, может служить прибор американского физика Дж. Генри (рис. 4.6). Под полюсами горизонтально расположенного электромагнита 3, 4, способного совершать качательное движение, вертикально устанавливались постоянные магниты 1,2. Изменение полярности электромагнита осуществлялось за счет перемены направления тока в его обмотке, соединявшейся посредством проводников 11-14 с гальваническими элементами 5 и 6 (к электродам элементов припаяны чашечки с ртутью 7 и 8, 9 и 10).

Электродвигатель Генри  интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае - качательного). В модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75 качений в минуту. Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г., по современным оценкам имел мощность 0,044 Вт и, конечно, не мог использоваться на практике, да и сам изобретатель не придавал ему серьезного значения.

Как на первом этапе, так  и позднее было предложено много конструкций двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить электродвигатель с вращательным движением якоря.

• Второй этап раннего развития электрических двигателей (1834 – 1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря. Вращающий момент на валу у таких двигателей обычно был пульсирующим.

Наиболее характерные  и важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат петербургскому профессору Борису Семеновичу Якоби.

В 1834 г. Б. С. Якоби построил электродвигатель, работающий на принципе притяжения и отталкивания между электрическими магнитами. Двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна (4 пары) располагалась на неподвижной раме, а другая, аналогичная, - на вращающемся диске. Источником питания служила батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электрических магнитов применялся специально разработанный коммутатор, который 8 раз за оборот изменял полярность тока в катушках подвижных электрических магнитов. Мощность подобного двигателя составляла примерно 15 Вт.

Стремление увеличить  мощность привело Якоби в 1838 г. к конструкции двигателя сдвоенного типа. Он имел 24 неподвижных электромагнита (по 12 с каждой стороны), а между ними – вращающийся диск с 12 электромагнитами. Это, однако, не дало существенного увеличения мощности. Требовалось новое конструктивное решение, которое Якоби и нашел через несколько лет.

В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил двигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными магнитами.

Сравнивая двигатели  Якоби и Девенпорта, следует отметить, что принцип их действия одинаков. Девенпорт даже сделал шаг назад, заменив электромагниты Якоби постоянными магнитами, которые в то время имели большую массу и были подвержены размагничиванию. Однако в конструктивном отношении этот двигатель был более компактным благодаря расположению подвижных и неподвижных частей в одной плоскости. Это обстоятельство не могло не привлечь внимания Якоби, стремившегося увеличить мощность своего электродвигателя при сравнительно небольшом увеличении его габаритов.

Испытания указанных  двигателей показали возможность практического применения электрических двигателей, но в то же время обнаружили, что в случае питания их от гальванической батареи механическая энергия получается чрезвычайно дорогой. Проводимые опыты, а также теоретические исследования Якоби привели к очень важному для практики выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические батареи, которые Якоби приходилось использовать в большом количестве.

Рассматриваемые электродвигатели действовали по принципу взаимного  притяжения и отталкивания электрических  магнитов. Они снабжались якорями  в виде стержня с обмоткой (явнополюсной). Этим электродвигателям были свойственны  следующие недостатки: большие габариты при сравнительно малой мощности; большое рассеяние потока и малый КПД. Кроме того, вращающий момент на валу отличался непостоянством, и в связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями якорей действие таких двигателей было пульсирующим. Практическое применение такие двигатели нашли вряд – ли.

Некоторые из двигателей, построенные в 40 - 60 гг. XIX в., действовали по принципу втягивания стального сердечника в соленоид. Получавшееся возвратно-поступательное движение преобразовывалось во вращательное с помощью шатунно-кривошипного механизма.

• Третий этап (после 1860 г.) в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с якорем, выполненным в виде кольца или полого цилиндра с непрерывной обмоткой кольцевого типа. При этом провод при намотке пропускался через внутреннюю полость. Затем стали выполнять цилиндрические сердечники с обмоткой барабанного типа, с размещением провода только на наружных поверхностях сердечника. В обоих случаях линии магнитного поля входили в сердечник якоря перпендикулярно поверхности цилиндра, а не в торец, как при стержневом якоре.