Лекции по "Электроэнергетике"

Рост потребностей в  электроэнергии эффективно стимулировал повышение производительности и  экономичности тепловых станций. Следует  отметить решительный поворот от поршневых паровых машин к  паровым турбинам.

В России первые паровые турбины были установлены в 1891 г. в Петербурге на Фонтанке.

В рассматриваемый период гидроэлектростанции строились  редко в связи с трудностями  передачи электроэнергии на большие  расстояния.

 

Выше уже отмечался  наиболее существенный недостаток электроснабжения постоянным током – слишком малая площадь района, которая может обслуживаться центральной электростанцией. Удаленность нагрузки не превышала нескольких сотен метров. Электростанции - капиталистические предприятия - стремились расширить круг потребителей своего товара - электрической энергии. Было найдено несколько путей увеличить радиус распределения энергии.

Первая идея, не получившая распространения, касалась понижения напряжения электрических ламп, подключавшихся в конце линии. Но расчеты показали, что при длине сети более 1.5 км экономически выгодней было построить новую электростанцию.

Другое решение, которое  во многих случаях могло удовлетворить  потребителей, состояло в изменении схемы сети: переход от двухпроводной сети к многопроводной, т.е. фактически повышение напряжения. Одним из таких решений была трехпроводная сеть (1882 г., Дж. Гопкинсон и независимо от него Т. Эдисон): генераторы на станциях соединялись последовательно, и от общей точки шел нейтральный или компенсационный провод. При этом обычные лампы сохранялись и включались между линейным и нейтральным проводами, а двигатели для сохранения симметрии нагрузки включались в линейные провода (на повышенное напряжение - 220 В). При несимметричной нагрузке в нейтральном проводе появлялся ток, но много меньше линейного, что позволяло уменьшить сечение нейтрального провода. Уменьшалось при этом и сечение линейных проводов (по сравнению с сечением проводов в двухпроводной системе). Объяснялось это тем, что при увеличении напряжения вдвое ток при той же мощности вдвое уменьшался, а потери, пропорциональные квадрату тока, снижались вчетверо. Практически это позволяло увеличить радиус электроснабжения до 1200 м и расход меди снижался почти вдвое. Трехпроводная система широко применялась в России и за рубежом до 20 – годов XX века.

Максимальный вариант  многопроводных систем - пятипроводная  сеть постоянного тока (В. Сименс), в  которой применялись четыре последовательно включенных генератора и напряжение увеличивалось вчетверо. Радиус электроснабжения возрастал до 1500 м. Однако сравнительно незначительное увеличение радиуса электроснабжения достигалось в этом случае за счет существенного усложнения сети, повышения напряжения до опасных пределов, усложнения регулирования равномерности нагрузки отдельных ветвей. Поэтому пятипроводная система не получила широкого применения.

Для реализации третьего пути увеличения радиуса электроснабжения необходимо было сооружать аккумуляторные подстанции. Они были в то время обязательным дополнением любой электростанции, так как покрывали пики нагрузки. Эти подстанции сооружались вблизи потребителей. На подобных подстанциях устанавливались аккумуляторные батареи в двухпроводных сетях постоянного тока.

Сети с аккумуляторными  подстанциями получили небольшое распространение.

В последние два десятилетия XIX века было построено много электростанций постоянного тока, и они долгое время давали значительную долю общей выработки электроэнергии. Мощность их редко превышала 500 кВт, агрегаты обычно имели мощность до 100 кВт.

Все возможности увеличения радиуса электроснабжения при постоянном токе довольно быстро были исчерпаны. Многопроводные сети и аккумуляторные подстанции могли удовлетворять потребности малых и средних городов, но совершенно не отвечали нуждам крупного города.

В 80-х г. начинают сооружаться  станции переменного тока, выгодность которых с точки зрения радиуса  электроснабжения была бесспорной.

Первой постоянно действовавшей  электростанцией переменного тока можно считать станцию Гровнерской  галереи (Лондон). На ней, пущенной в эксплуатацию в 1884 г., были установлены два генератора переменного тока Сименса, которые через последовательно включенные трансформаторы Голяра и Гиббса работали на освещение галереи. Недостатки последовательного включения трансформаторов (трудность поддержания постоянства тока) были выявлены быстро, и в 1886 г. эта станция была реконструирована по проекту С.Ц. Ферранти. Генераторы Сименса были заменены машинами Ферранти, каждая мощностью 1000 кВт с напряжением на зажимах 2.5 кВ. Трансформаторы, изготовленные по проекту Ферранти, включались в цепь параллельно и служили для снижения напряжения в непосредственной близости от нагрузки.

Примером крупной гидростанции однофазного тока, питавшей осветительную нагрузку, может служить американская станция, построенная в 1889 г. на водопаде вблизи г. Портленда. Гидравлические двигатели приводили в действие 8 однофазных генераторов общей мощностью 720 кВт. Также на станции были установлены 11 генераторов, предназначенных специально для питания дуговых ламп (по 100 ламп на каждый генератор). Энергия передавалась на расстояние 14 миль.

Характерная особенность  первых электростанций переменного  тока – изолированная работа отдельных машин. Синхронизация генераторов еще не производилась, и от каждой машины шла отдельная цепь к потребителям. Легко понять, насколько неэкономичными были такие сети (расход меди и изоляторов).

В России крупнейшие станции  однофазного тока были сооружены  в конце 80-х начале 90-х годов (1887 г. - Одесса). В том же году началась эксплуатация электростанции в Царском Селе. Протяженность воздушных линий была 64 км. В 1890 г. станция была переведена на однофазный переменный ток напряжением 2 кВ. По свидетельствам современников Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.

Одной из крупнейших в России была и электростанция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н.В. Смирновым. Ее мощность составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существующей в то время станции постоянного тока.

Таким образом, опыт эксплуатации центральных станций и сетей  однофазного тока показал преимущества переменного тока, но вместе с тем, как уже отмечалось, выявил ограниченность его применения. Однофазная система  тормозила развитие электропривода, усложняла его. Так, например, при подключении силовой нагрузки к сети Дептфордской станции приходилось дополнительно помешать на валу каждого синхронного однофазного двигателя еще разгонный коллекторный двигатель переменного тока. Легко понять, что такое усложнение электропривода делало весьма сомнительной возможность его широкого применения.

 

Раздел 3. Переход энергетической техники на качественно новый уровень

 

Лекции 3.8-3.9

 

Возникновение многофазных систем

 

Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX века, когда была решена комплексная энергетическая проблема, соединившая в себе технические основы электропередачи и электропривода. Началась повсеместная электрификация. Это произошло, когда стало возможным строить крупные электростанции в местах, богатых первичными энергоресурсами, объединять их работу в общую сеть и снабжать энергией любые объекты.

Все это стало возможным благодаря разработке многофазных цепей, из которых многолетняя практика сделала выбор в пользу 3-х фазных цепей.

Наиболее интересными  и новыми элементами 3-х фазной системы  явились электродвигатели, действие которых основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.

Принцип действия асинхронного двигателя с вращающимся полем содержится в опытах Араго (1824 г.): при вращении медного диска под (над) магнитной стрелкой она также приходила во вращение. Но это поле создавалось не неподвижным устройством, каким является в современных машинах статор, а вращающимся магнитом. В то время это явление так и не смогли объяснить, назвав его "эффект Араго".

К открытию явления вращающегося магнитного поля в современном его  понимании пришли независимо друг от друга в 1885 г. итальянский ученый Галилео Феррарис и югослав Н.Тесла.

Они показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом, питать двумя переменными токами, отличающимися по фазе на 90º, то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей катушек получает равномерное вращательное движение, не изменяясь по абсолютной величине.

Поэтому естественно, что  исследование многофазных систем началось с двухфазных.

Двигатель Феррариса  развивал мощность 3Вт. Но как получить два тока отличных по фазе на угол 90º  или близкий к нему? Феррарис решал  эту проблему двумя путями:

-    пара катушек включалась в первичную цепь трансформатора с разомкнутой магнитной системой, а другая пара - в его вторичную цепь;

-  в цепь первой  пары катушек включали добавочное  сопротивление, а в цепь второй - добавляли катушки индуктивности.

Таким образом, один путь получения двухфазной системы токов состоял в "расщеплении" обычного однофазного переменного тока. Метод, требовавший дополнительных достаточно сложных устройств, и, кроме того, фазовый угол никогда не составлял 90º - вращающееся поле искажалось.

Но не эти недостатки помешали Феррарису и некоторым  его современникам разработать  конструкцию двухфазного двигателя. В своих исследованиях он предположил, что электродвигатель, так же, как это принято в технике передачи сигналов, должен работать не при максимальном КПД, а при максимальной полезной мощности! Простые расчеты показывают, что этому условию соответствовал двигатель со скольжением 50%. Естественно, что интерес к его работе упал.

По иному пути пошли некоторые  другие изобретатели, и среди них наибольшего успеха добился Н. Тесла. Он полагал, что многофазные токи нужно получать от многофазных источников, а не пользоваться фазосмещающими устройствами. Т. е. он не прибегал к попыткам получить разность фаз 90º в самих двигателях, а пришел к выводу о целесообразности построения такого генератора.

Схематически система  Тесла выглядела следующим образом (рис. 6.4): синхронный генератор был  соединен с асинхронным двигателем. В генераторе между полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушки, в которых генерировались два тока, сдвинутые по фазе на 90º. концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольца имеют различные диаметры). Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя катушек.

Основным недостатком  двигателя Тесла, сделавшим его  неконкурентоспособным, было наличие  выступающих полюсов с сосредоточенными (а не распределенными по всей поверхности ротора) обмотками. Эти двигатели имели большое магнитное сопротивление и неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению пусковых условий двигателя (зависимость пускового момента от начального положения ротора). Таковы были следствия механического переноса в технику переменного тока конструктивных схем машины постоянного тока.

Конструкция обмотки  ротора (как выяснилось потом) тоже была неудачной (две взаимно перпендикулярные обмотки имели большое сопротивление). Это ухудшало рабочие характеристики машины.

Неудачным оказался и  выбор двухфазной системы токов  из всех возможных многофазных систем. Известно, что значительную долю стоимости  установки для передачи электроэнергии составляют затраты на линейные сооружения - в частности на провода - четыре провода (в два раза больше, чем в однофазном токе).

Данные экономические  и технические трудности задерживали  внедрение двухфазной системы в  практику. 

 

Трехфазная  система

 

В то время как Тесла  и его сотрудники пытались усовершенствовать двухфазную систему, в Европе была разработана более совершенная система - трехфазная.

Документы свидетельствуют, что в 1887 - 1889 гг. многофазные системы разрабатывались несколькими учеными и инженерами.

В Америке Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, конструировал двух - и трехфазные генераторы. Не зная о явлении вращающегося магнитного поля, он предполагал, что потребители в его многофазных системах должны включаться как однофазные на каждую пару проводов.

Немецкий инженер Ф. Хазельвандер подошел к трехфазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у  генератора и двигателя постоянного  тока выполняет взаимообратные функции, он решил его устранить. Для этого  те точки обмотки якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пластинам коллектора, соединил соответственно друг с другом. Это удобно сделать у обращенной машины, якоря которых неподвижны, а полюсы вращаются. Стремясь уменьшить при этом число линейных проводов, он нашел минимальный вариант - три провода. Однако он не сумел увидеть всех возможностей этой системы и создать пригодные для практики конструкции машин.

Наибольших успехов  в развитии многофазных систем добился  М.О. Доливо-Добровольский, сумевший придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником трехфазной техники.