Лекции по "Электроэнергетике"

Важный вклад в усовершенствование конструкции якоря внес американский изобретатель Хайрем Максим. В 1880 г. он вновь (после Пачинотти) ввел зубчатый якорь, а также внутренние каналы для вентиляции. Это позволило более надежно крепить обмотки и уменьшило воздушный зазор.

Борьба за снижение потерь в теле якоря привела в 1880 г. известного американского изобретателя Т.А. Эдисона  к мысли изготовлять якорь  шихтованным. Он изготавливал якорь из большого числа тонких дисков или колец от 1/32 до 1/64 дюйма толщиною, закрепленных на валу и отделенных друг от друга листами тонкой бумаги. Благодаря этому полезная мощность машины значительно увеличилась. Известно, что примерно такая толщина листов электротехнической стали сохранилась до настоящего времени, однако оклейку листов бумагой со временем заменили лакировкой этих листов.

С 1885 г. началось применение шаблонной обмотки, что значительно улучшило ее качество и снизило стоимость машин. Важным  усовершенствованием  машины постоянного  тока  явилось введение в 1884 г. компенсационной обмотки, а в 1885 г. – дополнительных полюсов, с помощью которых удавалось компенсировать реакцию якоря и улучшить коммутацию.

В  1891  г. немецким профессором Э. Арнольдом была опубликована первая работа, посвященная теории и конструированию обмоток электрических машин.

Так, в течение 70 - 80 - х  годов машина постоянного тока приобретает  все основные черты современной  машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов и были направлены на повышение качества.

В рассматриваемый период было положено начало исследованиям  процессов в электрических машинах.

В 1840 г. Б.С. Якоби было описано явление противо - ЭДС. В том же году Джоулем открыто явление магнитного насыщения.

В 1847 г. Э.Х. Ленц открыл явление, получившее название "реакция якоря", предложил сместить щетки с геометрической нейтрали на физическую.

Первый математический анализ процессов в машине с самовозбуждением был сделан в 60-х годах Д.К. Максвеллом.

Огромную роль в развитии электромашиностроения сыграли  труды А.Г.Столетова по исследованию магнитных свойств "мягкого железа" (1871г.). Столетов доказал, что магнитная восприимчивость железа с ростом напряженности магнитного поля возрастает, проходит через максимум и уменьшается. Поэтому при проектировании электрической машины нужно учитывать сорт железа и выбирать наилучший режим намагничивания.

В 1880 г. после открытия независимо друг от друга немецким физиком Варбургом и итальянским физиком явления гистерезиса начались исследования потерь в стали при перемагничивании.

Большое значение имели  работы английских электротехников Дж. Гопкинсона и Г. Роуланда, сформулировавших в 1873 г. закон магнитной цепи.

Все эти открытия позволили перейти при проектировании электротехнических устройств от эмпирического к строгому математическому подходу. Магнитная система электрических машин становилась более компактной и симметричной. Вслед за двухполюсными машинами в 80 – е годы стали строить четырехполюсные и вообще многополюсные (Доливо – Добровольский).

Для повышения термостойкости изоляции создаются пропиточные  составы и покрытия, а также  композиционные изолирующие материалы. Созданные в конце  19 – начале 20 веков изоляционные материалы обладают не только хорошими электрическими свойствами, но и высокой термо – и влагостойкостью.

 

 

Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень

 

Лекции 3.1-3.2

 

Роль электрического освещения в становлении электроэнергетики

 

Электротехнические устройства не выходили за пределы лабораторий, пока не было достаточно мощного и экономичного источника электрической энергии и массового потребителя. К 1870 г. такой источник был создан. В течение следующих 20 лет происходило зарождение основных электротехнических устройств массового промышленного и бытового назначения.

Электрическое освещение - первое массовое энергетическое применение электрической энергии - сыграло  исключительно важную роль в становлении  электроэнергетики и превращении  электротехники в самостоятельную отрасль техники. Электрическая лампа и по нынешний день осталась самым распространенным электротехническим устройством.

В течение первой половины XIX в. господствующее положение занимало газовое освещение, имевшее существенные преимущества перед лампами с жидким горючим: централизация снабжения установок светильным газом, сравнительная дешевизна горючего, простота газовых горелок и их обслуживания. Но по мере развития производства, роста городов, строительства крупных производственных зданий, гостиниц, магазинов и т.д. оно все менее удовлетворяло требованиям практики, так как было опасно в пожарном отношении, вредно для здоровья, а сила света отдельной горелки была мала.

Особенно недостатки газового освещения стали сказываться на крупных предприятиях с большим числом рабочих, занятых на производстве по 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).

Началом истории электрического освещения можно считать опыты                 В. В. Петрова (1802 г.), в которых была установлена возможность освещения помещений электрической дугой. В том же году Дэви продемонстрировал накал проводника током.

Принципиальными недостатками дугового источника являются: открытое пламя (пожарная опасность), огромная сила света и необходимость регулирования дугового промежутка по мере сгорания углей.

В 1844 г. Жан Бернар Фуко заменил  электроды из древесного угля электродами  из ретортного угля. Это увеличило  продолжительность горения лампы, но ее регулирование оставалось ручным (рис.5.1.). Такие лампы могли получить применение лишь в тех случаях, когда требовалось непродолжительное по времени, но интенсивное освещение.

В ходе разработки дуговых  ламп возникла задача регулирования  расстояния между электродами. Поэтому  вся история дуговых ламп представляет собой по существу разработку конструкций различных регуляторов (см. выше).

В 80 - е годы дуговые лампы были единственным источником света, который применялся для освещения улиц, гаваней, а также больших помещений производственного или общественного назначения, они стали обычными источниками света в прожекторной и светопроекционной технике.

Особое место среди  дуговых источников света занимает «электрическая свеча» Павла Николаевича Яблочкова. Это изобретение не привело к массовому и длительному применению именно этого источника света, но именно оно вызвало бурный рост электротехнической промышленности.

Внешний вид электрической свечи  показан на рис, 5.2, где видно, что  в держателе с токоподводами укреплялись два параллельных угольных стержня, отделенных один от другого слоем каолина (глинистая порода, обладает высокой огнеупорностью). В верхней части лампы была тонкая проводящая перемычка – запал. Когда включали лампу, перемычка сгорала, на ее месте возникала дуга, и угли выгорали, уменьшаясь в размерах.                                                  

Одна электрическая свеча могла гореть около 2 часов; при установке нескольких свечей в специальном фонаре, оборудованном переключателем для включения очередной свечи, можно было обеспечить бесперебойное освещение в течение более длительного времени.

Изобретение электрической свечи способствовало внедрению в практику переменного  тока. Электрическая техника предшествующего периода базировалась исключительно на постоянном токе. Дуговые электрические лампы с регуляторами также питались постоянным током. П. Н. Яблочков установил, что для питания свечи лучше применять переменный ток. В этом случае получалась вполне устойчивая дуга. В связи с тем, что осветительные установки по системе Яблочкова стали подключать к источникам переменного тока, заметно возрос спрос на генераторы переменного тока, которые раньше не находили практического применения.

Таким образом, электроосвещение было одним из важнейших стимулов развития электрических машин и электрохимических источников тока.

Значительному развитию электротехники способствовала также и разработка Яблочковым нескольких весьма эффективных систем «дробления электрической энергии», обеспечивавших возможность включения в цепь, питаемую одним генератором, нескольких дуговых ламп.

Из всех способов «дробления», предложенных Яблочковым, два получили практическое применение: секционирование обмотки якоря генератора (в результате получилось несколько независимых цепей, в которые включались свечи) и применение индукционных катушек (рис. 5.3). Первичные обмотки катушек включались последовательно в цепь, а во вторичную обмотку в зависимости от ее параметров могли подключаться одна, две и более свечей. Если первичная цепь питалась постоянным током, то предусматривалось включение в нее специального прерывателя для наведения ЭДС во вторичных обмотках катушек.

Для питания нескольких дуговых  ламп от одного источника Яблочков использовал индукционные катушки  с ответвлениями – прообраз трансформатора или простейший трансформатор с разомкнутым сердечником.

Схема интересна 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 исчерпывается. Изобретение дешевого приемника электрической энергии, доступного для широкого потребителя, потребовало решения еще одной важнейшей электротехнической проблемы - централизации производства электрической энергии и се распределения. Яблочков первым указал на то, что электрическая энергия должна распределяться подобно тому, как доставляются к потребителям газ и вода.

Дальнейший прогресс электрического освещения был связан с изобретением лампы накаливания, которая оказалась более удобным источником света, имеющим лучшие экономические и световые показатели.

Самая ранняя по времени лампа накаливания  была построена англичанином Деларю в 1809 г. (рис. 5.4). В этой лампе накаливалась платиновая спираль, находящаяся в  стеклянной трубке.

В 1838 г. бельгиец Жобар стал накаливать угольные стержни в разреженном  пространстве. Эта лампа была дешевле, но срок ее службы был незначителен.

До 70-х годов XIX в. лампы накаливания 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.

В 1870 г. Александр Николаевич Лодыгин сконструировал лампу накаливания с тонким угольным стержнем, заключенным в стеклянном баллоне (рис. 5.5). Стремясь увеличить время горения, Лодыгин предложил устанавливать несколько угольных стержней, расположенных так, чтобы при сгорания одного автоматически включался следующий.

Постепенно он усовершенствовал лампы. Если первые лампы работали 30 - 40 мин, то со временем, когда он применил вакуумные колбы, срок службы увеличился до нескольких сотен часов.

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 во всех деталях систему электрического освещения и систему централизованного электроснабжения.

Лампы Эдисона должны были решать две задачи: создавать умеренную освещенность и гореть каждая независимо от других. Эдисон понял, что для этого необходимо иметь нить высокого сопротивления, которая позволит включать лампы параллельно (а не последовательно, как до Эдисона).

В 1879 г. Эдисон запатентовал лампу  с платиновой спиралью высокого сопротивления, а в 1880 г.  – лампу с угольными  нитями. К ним он разработал систему  откачки баллонов и технологию крепления  вводов и угольной нити.

Для возможности массового применения Эдисон разработал большое количество устройств: цоколь и патрон, поворотный выключатель, плавкие предохранители, изолированные провода, крепящиеся на роликах, счетчик электроэнергии и построил в 1882 г. в Нью – Йорке первую центральную электростанцию. Эдисон превратил электроэнергию в товар, продаваемый всем желающим, а электроустановку – в систему централизированного электроснабжения.

Уже в 80-е годы начинается быстрое развитие электрического освещения, массовое производство ламп накаливания, что вызвало дальнейшее развитие электромашиностроительной промышленности, электроприборостроения, электроизоляционной техники и совершенствование способов производства и распределения электрической энергии.

В 1893 - 1894 гг. Лодыгин запатентовал лампы накаливания с нитями из тугоплавких металлов, в том числе и с вольфрамовой нитью.

 

Развитие кабельной  и изоляционной техники

 

Развитие электроэнергетики, изготовление источников электрической  энергии, всевозможных устройств для  ее использования и передачи на большие расстояния, расширение области их практического применения требовало разработки и создания различных электротехнических материалов.