История распределения и передачи электроэнергии на постоянном и переменном токе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

на тему:

История передачи и распределения электроэнергии на переменном и постоянном токе

1. Передача, распределение и потребление электроэнергии

электроэнергия ток постоянный переменный

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливо- и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Места создания электроэнергии являются электрические станции. К основным видам станций относят: ТЭС, ТЭЦ, ГЭС, ГРЭС, АЭС. Эти электростанции используют традиционные источники энергии, существуют также станции, использующие нетрадиционные источники электроэнергии, например геотермальные станции использующий тепло земли и преобразовывающие это тепло в электричество, ветровые станции (ВЭУ) использующие энергию перемещающихся воздушных масс, микро-ГЭС, СЭС использующие солнечную энергии, так же на данный момент начала развитие космическая энергетика, многие страны запада вкладывают в этот проект огромные средства.

1.1 Передача

Передача электроэнергии от электростанции к потребителям -- одна из важнейших задач энергетики. Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока. Необходимость п. э. на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории. Тенденция к концентрации мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии. Размещение мощных электростанций производится с учётом целого ряда факторов, таких, например, как наличие энергоресурсов, их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия, возможность работы в составе единой энергосистемы и т.п. Часто такие электростанции оказываются существенно удалёнными от основных центров потребления электроэнергии. От эффективности П. э. на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.

Одной из основных характеристик электропередачи является её пропускная способность, то есть та наибольшая мощность, которую можно передать по ЛЭП с учётом ограничивающих факторов: предельной мощности по условиям устойчивости, потерь на корону, нагрева проводников и т.д. Мощность, передаваемая по ЛЭП переменного тока, связана с её протяжённостью и напряжениями зависимостью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

где U1 и U2 -- напряжения в начале и в конце ЛЭП,

Zc -- волновое сопротивление ЛЭП,

б -- коэффициент изменения фазы, характеризующий поворот вектора напряжения вдоль линии на единицу её длины (обусловленный волновым характером распространения электромагнитного поля),

l -- протяжённость ЛЭП,

д -- угол между векторами напряжения в начале и в конце линии, характеризующий режим электропередачи и её устойчивость.

Предельная передаваемая мощность достигается при д = 90°, когда sinд = 1. Для воздушных ЛЭП переменного тока можно приближённо считать, что максимальная передаваемая мощность примерно пропорциональна квадрату напряжения, а стоимость сооружения ЛЭП пропорциональна напряжению. Поэтому в развитии электропередач наблюдается тенденция к увеличению напряжения как к главному средству повышения пропускной способности ЛЭП. Предельные значения напряжении ЛЭП, связанные с возможными перенапряжениями, ограничиваются изоляцией ЛЭП и электрической прочностью воздуха. Повышение пропускной способности ЛЭП переменного тока возможно и путём совершенствования конструкции линии, а также посредством включения различных компенсирующих устройств. Так, например, на ЛЭП напряжением 330 кв и выше используется «расщепление» проводов в каждой фазе на несколько электрически связанных между собой проводников; при этом индуктивное сопротивление линии уменьшается, а ёмкостная проводимость увеличивается, что ведёт к снижению Zc и уменьшению а. Одним из способов повышения пропускной способности ЛЭП является сооружение «разомкнутых» линий, у которых на опорах подвешиваются провода двух цепей таким образом, что провода разных фаз оказываются сближенными между собой.

В электропередачах постоянного тока отсутствуют многие факторы, свойственные электропередачам переменного тока и ограничивающие их пропускную способность. Предельная мощность, передаваемая по ЛЭП постоянного тока, имеет большие значения, чем у аналогичных ЛЭП переменного тока:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

где Ев -- напряжение на выходе выпрямителя,

R? -- суммарное активное сопротивление электропередачи, в которое, кроме сопротивления проводов ЛЭП, входят сопротивления выпрямителя и инвертора.

Ограниченность применения электропередач постоянного тока связана главным образом с техническими трудностями создания эффективных недорогих устройств для преобразования переменного тока в постоянный (в начале линии) и постоянного тока в переменный (в конце линии). Электропередачи постоянного тока перспективны для объединения крупных удалённых друг от друга энергосистем. В этом случае отпадает необходимость в обеспечении устойчивости работы этих систем.

Качество электроэнергии определяется надёжной и устойчивой работой электропередачи, что обеспечивается, в частности, применением компенсирующих устройств и систем автоматического регулирования и управления.

Первая в мире электропередача, рассчитанная на длительную эксплуатацию, была построена в Петербурге в 1876 П.Н. Яблочковым для электрического освещения улиц. Д.А. Лачинов и М. Депре в 1880 теоретически обосновали возможность повышения напряжения для увеличения мощности и дальности передачи. Однако широкое использование электрической энергии в промышленности, теснейшим образом связанное с П. э. на расстояние, началось лишь после изобретения М.О. Доливо-Добровольским экономичного и относительно простого способа передачи электрической энергии трёхфазным переменным током. Со времени создания первых электропередач трёхфазного тока их напряжение возрастало в 1,5--2 раза примерно каждые 10--15 лет. Повышение напряжения давало возможность увеличивать расстояния и передаваемые мощности. В 20-х гг. 20 в. электроэнергия передавалась максимально на расстояния порядка 100 км, к 30-м гг. протяжённость ЛЭП увеличилась до 400 км, а к 70-м гг. длина ЛЭП достигла 1000--1200 км. Наряду с развитием электропередач переменного тока совершенствовалась техника П. э. постоянным током. В 1950 в СССР впервые в мире была введена в действие опытная кабельная линия постоянного тока Каширская ГРЭС -- Москва напряжением 200 кв с пропускной способностью 30 Мвт. Накопленный опыт позволил в 1962--65 ввести в эксплуатацию межсистемную электропередачу постоянного тока (с воздушной ЛЭП напряжением 800 кв) Волгоград -- Донбасс пропускной способностью 750 Мвт. К 1974 в разных странах работало уже более 20 электропередач постоянного тока. В СССР в 1975--85 намечается строительство ЛЭП постоянного тока напряжением ±750 кв протяжённостью 2500--3000 км и в дальнейшем -- электропередачи ± 1200 кв.

С 60-х гг. большое внимание уделяется разработке качественно новых электропередач. Таковы, например, «закрытые» электропередачи, выполняемые в виде замкнутых конструкций, заполненных электроизолирующим газом внутри которых располагаются провода высокого напряжения. Перспективны также криогенные (в дальнейшем, возможно, сверхпроводящие) ЛЭП. «Закрытые» и криогенные электропередачи особенно удобны для энергоснабжения потребителей в густонаселённых районах, например на территориях крупных городов. Кроме того, изучается возможность передачи энергии электромагнитными волнами высокой частоты по волноводам.

Передача энергии на большие расстояния является довольно сложная проблема. Примерно, 20% выработанной энергии теряется при передачах. Сколько бы новых электростанций не надо было строить, если бы передача осуществлялась без потерь. Использование тока высокого напряжения помогает как - то решить эту проблему, но потери остаются.

1.2 Распределение

Для передачи и распределения электрической энергии от центров питания электростанций к потребителям служат электрические сети, которые состоят из распределительных устройств (РУ) и воздушных или кабельных линий различных напряжений.

Центром питания (ЦП) называется распределительное устройство генераторного напряжения электростанций или РУ вторичного напряжения понизительной подстанции энергосистемы, к которому присоединены распределительные сети данного района.

Электрические сети могут быть постоянного и переменного тока. К сетям постоянного тока в основном относятся сети электрифицированных железных дорог, метрополитена, трамвая, троллейбуса, а также некоторые электрические сети химических, металлургических и других промышленных предприятий. Электроснабжение всех остальных объектов промышленности, сельского хозяйства, коммунального и бытового назначения ведется трехфазным переменным током частотой 50 Гц.

Электрическая энергия, вырабатываемая турбогенераторами и гидрогенераторами, имеет напряжения 6000 или 10000 В, а иногда 20000 В. Электрическую энергию такого напряжения передавать на большие расстояния экономически нецелесообразно из-за значительных электрических потерь. Поэтому ее повышают до 110, 220 и 500 кВ на повысительных трансформаторных подстанциях, сооружаемых при электростанциях, а затем перед поступлением потребителям понижают до 35, 10 и 6 кВ на понизительных трансформаторных подстанциях.

Упрощенная схема распределения энергии от электростанций до потребителей приведена на рис. 1. Из приведенной схемы видно, что электростанции А, Б, В, Г и Д объединены линиями электропередачи (ЛЭП)напряжением 220 кВ. Передача и распределение электрической энергии осуществляются на напряжениях 220, 110, 35 и 10 кВ. В схеме электроснабжения предусматривается резервирование подстанций на всех уровнях напряжений, что позволяет избежать перебоев в подаче электрической энергии.

Рис 1. Схема энергосистемы: А -- Д -- электростанции, ТП -- трансформаторные подстанции, I--III-- повышающие подстанции, 1--4 -- понижающие подстанции

От РУ понижающих подстанций отходят для передачи электрической энергии потребителям воздушные или кабельные линии. Большинство промышленных предприятий получают энергию от энергетических систем и лишь в редких случаях от собственных заводских электростанций. Электроснабжение и распределение энергии в пределах предприятия от собственных электростанций производится в основном на генераторном напряжении 6 и 10 кВ.

Схема электроснабжения и распределения энергии зависит от расстояния между предприятием и источником питания, потребляемой мощности, территориального размещения нагрузок, требований надежного и бесперебойного питания электроприемников, а также от числа приемных и распределительных пунктов на предприятии.

Наличие больших нагрузок, сосредоточенных на определенных участках промышленных предприятий и в отдельных районах крупных городов, ускоряет внедрение в систему электроснабжения глубоких вводов* высокого напряжения. Благодаря этому значительно сокращаются кабельные распределительные сети, и экономится кабельная продукция. Глубокие вводы сооружают, как правило, воздушными линиями на напряжения 35, 110, 220 и 330 кВ.

* Глубокий ввод -- это канализация высокого напряжения от энергосистемы непосредственно к центру нагрузок.

Электрические сети делятся: на нерезервируемые, когда электроприемники получают электрическую энергию от одного источника питания, и резервируемые, когда электроснабжение ведется от двух или более источников питания. Производство, передача и распределение электрической энергии сопровождаются потерями ее во всех элементах сети; кабельных и воздушных линиях, трансформаторах, высоковольтных аппаратах и др.

Общие потери электрической энергии, включая расходы на собственные нужды, доходят до 10%, из них наибольшие потери приходятся на питающие сети от центров питания до распределительных пунктов.

Для снижения потерь электрической энергии и определения участков и элементов сети с наибольшими потерями производят измерения, расчеты и оценки рационального построения и эксплуатации сети. На основании этих данных принимают меры для снижения потерь электрической энергии, которые в основном сводятся к переводу сети на повышенное напряжение (если это экономически целесообразно), отключению малозагруженных трансформаторов в период минимальных нагрузок.

1.3 Потребление

Основными характеристиками потребителей электрической энергии являются: расчетная нагрузка, режим работы установки, надежность электроснабжения. По расчетной нагрузке и режиму работы потребителя определяются мощности питающих трансформаторов, сечения кабельных и воздушных линий.

По обеспечению надежности электроснабжения электроприемники делятся на три категории. К первой категории относятся электроприемники, нарушение электроснабжения которых влечет за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение режима работы особо важных объектов (доменных и мартеновских печей, некоторых цехов химических предприятий, электрифицированных железных дорог, метро).

Ко второй категории относятся электроприемники, перерыв в электроснабжении которых связан с массовым недоотпуском продукции, простоем рабочих механизмов и промышленного транспорта, нарушением нормальной работы значительного количества городских предприятий (швейные и обувные фабрики) и электротранспорта.

К третьей категории относятся электроприемники, не входящие в первую и вторую категории. Перерыв в электроснабжении электроприемников первой категории может быть допущен лишь на время автоматического ввода аварийного питания, второй категории -- на время, необходимое для включения резервного питания дежурным персоналом или выездной оперативной бригадой, и для приемников третьей категории -- на время, необходимое для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, но не более суток.

В соответствии с указанными требованиями надежности электроснабжения питание электроприемников первой и второй категорий осуществляется от двух независимых источников, а третьей -- от одной питаюшей линии без обязательного резервирования.

Электроснабжение промышленных предприятий и городов производится через РУ и подстанции, максимально приближенные к потребителям.

Распределительным устройством (РУ) называется электроустановка, служащая для приема и распределения электрической энергии и содержащая коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, вспомогательные устройства (компрессорные, аккумуляторные и др.), а также устройства защиты, автоматики и измерительные приборы. Распределительные устройства сооружают открытого исполнения (ОРУ), когда основное оборудование расположено на открытом воздухе, и закрытого (ЗРУ), когда оборудование расположено в здании.

Электроустановка, служащая для преобразования и распределения электрической энергии и состоящая из трансформаторов или других преобразователей энергии, РУ, устройств управления и вспомогательных сооружений, называется подстанцией. В зависимости от преобладания той или иной функции подстанций они называются трансформаторными (ТП) или преобразовательными.

Распределительное устройство, предназначенное для приема и распределения электрической энергии на одном напряжении без преобразования и трансформации и не входящее в состав подстанции, называется распределительным пунктом (РП).

Рис. 2. Двухступенчатая радиальная схема питания: ЦРП -- центральная распределительная подстанция, ТП1, РП2 -- распределительные подстанции, ТП1, ТП2- трансформаторные подстанции

Для распределения электрической энергии при напряжении 6 и 10 кВ на предприятиях и в городах применяют два вида схем: радиальную (рис. 2) и магистральную (рис. 3). Эти схемы имеют много разновидностей, которые определяются главным образом категорией электроприемников, территориальным размещением и мощностью подстанций и пунктов приема энергии. Качество электрической энергии характеризуется постоянством частоты и стабильностью напряжения у потребителей в пределах установленных норм. Частота задается электростанциями для всей энергосистемы в целом.

Рис. 3. Магистральные схемы: а -- одиночная с односторонним питанием, б -- кольцевая; РП -- распределительная подстанция, ТП1 -- ТП5 -- трансформаторные подстанции.

2. История возникновения, передачи и распределения электричества в лицах

Самым крупным открытием в этой области в XVIII веке было обнаружение в 1791 году итальянским анатомом Луиджи Гальвани появления электричества при соприкосновении двух разнородных металлов с телом препарированной лягушки, помещенной в бассейн. Сам Гальвани ошибочно считал, что это явление вызывается наличием особого животного электричества.

Но вскоре другой итальянский ученый, Алессандро Вольта, дал иное объяснение этим опытам. Он экспериментально доказал, что электрические явления, которые наблюдал Гальвани, объясняются только тем, что определенная пара разнородных металлов, разделенная слоем специальной электропроводящей жидкости, служит источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи.

Эта теория, разработанная А. Вольтой в 1794 году, позволила создать первый в мире источник электрического тока в виде так называемого Вольтова столба. Последний представлял набор кружков из двух металлов (меди и цинка), разделенные прокладками из войлока, смоченного в соляном растворе или щелочи. Описание этого прибора, изготовленного в конце 1799 года, дано в письме А. Вольты к президенту Лондонского королевского общества Банксу от 20 марта 1800 года. Надо заметить, что и Гальвани был недалек от истины: как это установили позднее, в любом организме жизненные процессы сопровождаются возникновением электричества, которое с полным основанием может быть названо животным, не имеющим, однако, ничего общего с электричеством, открытым самим Гальвани.

Одним из первых глубоко исследовал свойства электрического тока в 1801 -1802 годах петербургский академик В.В. Петров. Работы этого выдающегося ученого, построившего самую крупную в мире в те годы батарею из 4200 медных и цинковых кружков, установили возможность практического использования электрического тока для нагрева проводников. Кроме того, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами слегка разведенных углей, как в воздухе, так и в других газах и вакууме, получившее название электрической дуги. В.В. Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов и тем самым впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. С этого момента и должно начинать историю электротехники как самостоятельной отрасли техники.

Опыты с электрическим током привлекали внимание многих ученых разных стран. В 1802 году итальянский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. В конце 1819 года это явление было вновь наблюдаемо датским физиком Эрстедом, который в марте 1820 года опубликовал на латинском языке брошюру под заглавием "Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку". В этом сочинении "электрическим конфликтом" был назван электрический ток.

Небольшая, всего в пять страниц, книжка Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках. Сами опыты его были повторены осенью 1820 года швейцарским естествоиспытателем де ля Ривом на съезде естествоиспытателей в Женеве. На этом съезде присутствовал член Парижской Академии наук Араго, который по возвращении показал в заседании академии опыт Эрстеда. Еще до конца 1820 года Араго провел ряд исследований, из которых наиболее важным было открытие в 1824 году явления увлечения медного диска вращающимся вблизи него магнитом. Это явление, названное "магнетизмом вращения", долгое время оставалось лишь эффектным физическим опытом. Но позднее именно оно послужило основой многих практических изобретений и, в частности, электродвигателя переменного тока.

Большое значение имели также открытие Био и Саваром законов действия тока на магнитную стрелку. Особо следует сказать о деятельности замечательного ученого Андре Мари Ампера, положившего начало изучению динамических действий электрического тока и установившему целый ряд законов электродинамики.

Едва лишь Араго продемонстрировал на заседании Парижской Академии наук опыт Эрстеда, как Ампер, повторив его, 18 сентября 1820 года, ровно через неделю, представил в академию сообщение о своих исследованиях. На следующем заседании, 25 сентября, Ампер докончил чтение доклада, в котором он изложил законы взаимодействия двух токов, протекающих по параллельно расположенным проводникам. С этого момента академия еженедельно слушала новые сообщения Ампера о его опытах, завершивших открытие и формулирование основных законов электродинамики.

Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления - электричество и магнетизм - одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория, встреченная современниками Ампера с большим недоверием, была весьма прогрессивной и сыграла огромную роль в правильном понимании открытых позднее явлений.

Через пять лет после первых работ Ампера был построен первый электромагнит и началось глубокое изучение законов электромагнетизма. В 1827 году немецкий ученый Георг Ом открыл один из фундаментальных законов электричества, устанавливающий основные зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой протекает электрический ток; в 1847 году Кирхгоф сформулировал законы развертывания токов в сложных цепях.

Открытия Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея и побудили его заняться всем кругом вопросов о превращении электрической и магнитной энергии в механическую. В 1821 году он нашел еще одно решение поставленной задачи превращения электрической и магнитной энергии в механическую и продемонстрировал свой прибор, в котором он получал явление непрерывного электромагнитного вращения. В тот же день Фарадей записал в свой рабочий дневник обратную задачу: "Превратить магнетизм в электричество". Более десяти лет потребовалось, чтобы решить ее и найти способ получения электрической энергии из магнитной и механической. Лишь в конце 1831 года Фарадей сообщил об открытии им явления, названного затем электромагнитной индукцией и составляющего основу всей современной электроэнергетики.

Исследование Фарадея и работы русского академика Э. X. Ленца, сформулировавшего закон, по которому можно было определить направление электрического тока, возникающего в результате электромагнитной индукции, дали возможность создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Вначале электрогенераторы и электродвигатели развивались независимо друг от друга, как две совершенно разные машины. Первый изобретатель электрического генератора, основанного на принципе электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования доклада Фарадея в Королевском обществе, в котором было изложено открытие электромагнитной индукции, ученый нашел в своем почтовом ящике письмо, подписанное инициалами Р.М. Оно содержало описание первого в мире синхронного генератора и приложенный к нему чертеж. Фарадей, внимательно разобравшись в этом проекте, направил письмо Р.М. и чертеж в тот же журнал, в котором был в свое время помещен его доклад, надеясь, что неизвестный изобретатель, следя за журналом, увидит опубликованным не только свой проект, но и сопровождающее его письмо Фарадея, исключительно высоко оценивающее изобретение Р.М.

Действительно, спустя почти полгода Р.М. прислал в редакцию журнала дополнительные разъяснения и описание предложенной им конструкции электрогенератора, но и на этот раз пожелал остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым под инициалами, и человечество до сих пор, несмотря на тщательные розыски историков электротехники, остается в неведении, кому же оно обязано одним из важнейших изобретений. Машина Р.М. не имела устройства для выпрямления тока и была первым генератором переменного тока. Но этот ток, казалось, не мог быть использован для дугового освещения, электролиза, телеграфа, уже прочно вошедших в жизнь. Необходимо было, по мысли конструкторов того времени, создать машину, в которой можно было бы получать ток постоянным по направлению и величине.

Почти одновременно с Р.М. конструированием генераторов занимались братья Пикси и профессор физики Лондонского университета и член Королевского общества В. Риччи. Созданные ими машины имели специальное устройство для выпрямления переменного тока в постоянный - так называемый коллектор. Дальнейшее развитие конструкций генератора постоянного тока шло необычайно быстрыми темпами. Менее чем за сорок лет динамо-машина приобрела почти полностью форму современного генератора постоянного тока. Правда, обмотка этих динамо-машин была распределена по окружности неравномерно, что ухудшало работу таких генераторов - напряжение в них то возрастало, то снижалось, вызывая неприятные толчки.

В 1870 году Зенобей Грамм предложил особую, так называемую кольцевую обмотку якоря динамо-машины. Равномерное распределение обмотки якоря давало возможность получать совершенно равномерное напряжение в генераторе и такое же вращение двигателя, что значительно улучшило свойства электрических машин. По существу, изобретение это повторяло то, что было уже создано и описано в 1860 году итальянским физиком Пачинноти, но прошло незамеченным и осталось неизвестным 3. Грамму. Машины с кольцевым якорем получили особенно большое распространение после того, как на Венской всемирной выставке в 1873 году была обнаружена обратимость электрических машин Грамма: одна и та же машина при вращении якоря давала электрический ток, при протекании тока через якорь вращалась и могла быть использована в качестве электродвигателя.

С этого времени начинается быстрый рост применения электродвигателей и все расширяющееся потребление электроэнергии, чему немало способствовало изобретение П.Н. Яблочковым способа освещения с помощью так называемой "свечи Яблочкова" - дуговой электролампы с параллельным расположением углей.

Простота и удобство "свечей Яблочкова", заменивших дорогие, сложные и громоздкие дуговые фонари с регуляторами для непрерывного сближения сгорающих углей, вызвали их повсеместное распространение, и вскоре "свет Яблочкова", "русский" или "северный" свет, освещал бульвары Парижа, набережные Темзы, проспекты столицы России и даже древние города Камбоджи. Это было подлинным триумфом русского- изобретателя.

Но для питания этих свечей электроэнергией потребовалось создание особых электрогенераторов, дающих не постоянный, а переменный ток, то есть ток, хотя бы и не часто, но непрерывно меняющий свою величину и направление. Это было необходимо потому, что угли, соединенные с разными полюсами генератора постоянного тока, сгорали неравномерно - анод, подключенный к положительному, сгорал вдвое быстрее катода. Переменный ток попеременно превращал анод в катод и тем самым обеспечивал равномерное сгорание углей. Специально для питания "свечей Яблочкова" и был создан самим П.Н. Яблочковым, а затем усовершенствован французскими инженерами Лонтеном и Граммом генератор переменного тока. Однако о двигателе переменного тока еще не возникало и мысли.

Вместе с тем для раздельного питания отдельных свечей от генератора переменного тока изобретателем был создан особый прибор - индукционная катушка (трансформатор), позволявший изменять напряжение тока в любом ответвлении цепи в соответствии с числом подключенных свечей. Вскоре растущие потребности в электроэнергии и возможности получения ее в больших количествах вступили в противоречие с ограниченными возможностями передачи ее на расстояние. Применявшееся в то время низкое напряжение (100-120 вольт) постоянного тока и передача его по проводам сравнительно небольшого сечения вызывали огромные потери в линиях передачи. С конца 70-х годов прошлого столетия основной проблемой, от успешного решения которой зависело все будущее электротехники, стала проблема передачи электроэнергии на значительные расстояния без больших потерь.

Первое теоретическое обоснование возможности передачи любых количеств электроэнергии на любые расстояния по проводам сравнительно небольшого диаметра без значительных потерь путем повышения напряжения было дано профессором физики Петербургского лесного института Д.А. Лачиновым в июле 1880 года. Вслед за этим французский физик и электротехник Марсель Депре в 1882 году на Мюнхенской электротехнической выставке осуществил передачу электроэнергии в несколько лошадиных сил на расстояние 57 километров с коэффициентом полезного действия в 38 процентов.

В истории передачи электроэнергии на дальние расстояния эта первая передача из Мисбаха в Мюнхен имеет особое значение - на нее обратили внимание Маркс и Энгельс, живо интересовавшиеся опытами М. Депре. Их переписка об этих опытах, как и письмо Энгельса к Э. Бернштейну от 28 февраля 1883 года, содержит замечательное предвидение социальной и технической роли электрификации.

Позднее Депре произвел еще ряд опытов, осуществив передачу электроэнергии на расстояние в сотню километров и доведя мощность передачи до нескольких сот киловатт. Дальнейшее увеличение расстояния требовало значительного повышения напряжения. Депре довел его до 6 тысяч вольт и убедился, что изоляция пластин в коллекторе генераторов и электродвигателей постоянного тока не позволяет достигнуть более высокого напряжения.

Несмотря на все эти трудности, в начале 80-х годов развитие промышленности и концентрация производства все более и более настоятельно требовали создания нового двигателя, более совершенного, чем широко распространенная паровая машина. Уже было ясно, что электростанции выгодно строить вблизи месторождений угля или на реках с большим падением воды, в то время как фабрики возводить поближе к источникам сырья. Это зачастую требовало передачи огромных количеств электроэнергии к объектам ее потребления на значительные расстояния. Такая передача была бы целесообразна лишь при применении напряжения в десятки тысяч вольт. Но получить такое напряжение в генераторах постоянного тока было невозможно. На помощь пришли переменный ток и трансформатор: пользуясь ими, стали производить переменный ток низкого напряжения, затем повышать его до любой требуемой величины, передавать на расстояние высоким напряжением, а на месте потребления снова снижать до требуемого и использовать в токоприемниках. Еще не существовало электродвигателей переменного тока. Л ведь уже в начале 80-х годов электроэнергия потреблялась главным образом для силовых нужд. Электродвигатели постоянного тока для привода самых различных машин применялись все чаще и чаще. Создать электродвигатель, который мог бы работать на переменном токе, стало основной задачей электротехники. В поисках новых путей всегда необходимо оглянуться назад. Не было ли в истории электротехники чего-либо такого, что могло бы подсказать путь к созданию электродвигателя переменного тока? Поиски в прошлом увенчались успехом. Вспомнили: еще в 1824 году Араго демонстрировал опыт, положивший начало множеству плодотворных исследований. Речь идет о демонстрации "магнетизма вращения". Медный (не магнитный) диск увлекался вращающимся магнитом.

В эти годы было предложено много различных способов применения переменного тока. Добросовестный историк электротехники должен будет назвать имена различных физиков и инженеров, пытавшихся в середине 80-х годов создать электродвигатели переменного тока. Он не забудет напомнить об опытах Бейли (1879 г.), Марселя Депре (1883 г), Бредли (1887 г.), о работах Венстрома, Хазельвандера и многих других. Предложения, несомненно, были очень интересны, но ни одно из них не могло удовлетворить промышленность: электродвигатели их были либо громоздки и неэкономичны, либо сложны и ненадежны. Не был еще найден сам принцип постройки простых экономичных и надежных электродвигателей переменного тока.

Именно в этот период и начал, как мы уже знаем, поиски решения этой задачи Никола Тесла. Он шел своим путем, путем размышлений над сущностью опыта Араго, и предложил коренное решение возникшей проблемы, сразу же оказавшееся приемлемым для практических целей. Еще в Будапеште весной 1882 года Тесла ясно представил себе, что если каким-либо образом осуществить питание обмоток магнитных полюсов электродвигателя двумя различными переменными токами, отличающимися друг от друга лишь сдвигом по фазе, то чередование этих токов вызовет переменное образование северного и южного полюсов или вращение магнитного поля. Вращающееся магнитное поле должно увлечь и обмотку ротора машины.

Построив специальный источник двухфазного тока (двухфазный генератор) и такой же двухфазный электродвигатель, Тесла осуществил свою идею. И хотя конструктивно его машины были весьма несовершенны, принцип вращающегося магнитного поля, примененный в первых же моделях Теслы, оказался правильным.

Рассмотрев все возможные случаи сдвига фаз, Тесла остановился на сдвиге в 90°, то есть на двухфазном токе. Это было вполне логично - прежде чем создавать электродвигатели с большим числом фаз, следовало начать с тока двухфазного. Но можно было бы применить и другой сдвиг фаз: на 120 е (трехфазный ток). Не проанализировав теоретически и не осмыслив все возможные случаи, даже не сравнив их между собой (вот в чем большая ошибка Теслы), он все свое внимание сосредоточил на двухфазном токе, создав двухфазные генераторы и электродвигатели и лишь мельком упомянул в своих патентных заявках о многофазных токах и возможности их применения.

Но Тесла не был единственным ученым, вспомнившим об опыте Араго и нашедшим решение важной проблемы. В те же годы исследованиями в области переменных токов занимался итальянский физик Галилео Феррарис, представитель Италии на многих международных конгрессах электриков (1881 и 1882 годы в Париже, 1883 год в Вене и другие). Подготавливая лекции по оптике, он пришел к мысли о возможности постановки опыта, демонстрирующего свойства световых волн. Для этого Феррарис укрепил на тонкой нити медный цилиндр, на который действовали два магнитных поля, сдвинутых под углом в 90°. При включении тока в катушки, попеременно создающие магнитные поля то в одной, то в другой из них, цилиндр под действием этих полей поворачивался и закручивал нить, в результате чего поднимался на некоторую величину вверх. Устройство это прекрасно моделировало явление, известное под названием поляризации света.

Феррарис и не предполагал использовать свою модель для каких-либо электротехнических целей. Это был всего лишь лекционный прибор, остроумие которого заключалось в умелом применении электродинамического явления для демонстраций в области оптики.

Феррарис не ограничился этой моделью. Во второй, более совершенной модели ему удалось достигнуть вращения цилиндра со скоростью до 900 оборотов в минуту. Но за определенными пределами, как бы ни увеличивалась в цепи сила тока, создававшего магнитные поля (другими словами, как бы ни увеличивалась затрачиваемая мощность), достигнуть увеличения числа оборотов не удавалось. Подсчеты показали, что мощность второй модели не превышала 3 ватт.

Несомненно, Феррарис, будучи не только оптиком, но и электриком, не мог не понимать значения произведенных им опытов. Однако ему, по собственному его признанию, и в голову не приходило применить этот принцип к созданию электродвигателя переменного тока. Самое большое, что он предполагал, это использовать его для измерения силы тока, и даже начал конструировать такой прибор.

18 марта 1888 года в Туринской Академии наук Феррарис сделал доклад "Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов". В нем он рассказал о своих опытах и пытался доказать, что получение в таком приборе коэффициента полезного действия свыше 50 процентов невозможно. Феррарис был искренне убежден, что, доказав нецелесообразность использования переменных магнитных полей для практических целей, он оказывает науке большую услугу. Доклад Феррариса опередил сообщение Николы Теслы в Американском институте электроинженеров. Но заявка, поданная для получения патента еще в октябре 1887 года, свидетельствует о несомненном приоритете Теслы перед Феррарисом. Что же касается публикации, то статья Феррариса, доступная для чтения всем электрикам мира, была опубликована лишь в июне 1888 года, то есть после широко известного доклада Теслы.

На утверждение Феррариса, что работы по изучению вращающегося магнитного поля начаты им в 1885 году, Тесла имел все основания возразить, что он занимался этой проблемой еще в Граце, решение ее нашел в 1882 году, а в 1884 году в Страсбурге демонстрировал действующую модель своего двигателя Но, конечно, дело не только в приоритете. Несомненно, оба ученых сделали одно и то же открытие независимо друг от друга: Феррарис не мог знать о патентной заявке Теслы, так же как и последний не мог знать о работах итальянского физика.

Гораздо важнее то, что Г. Феррарис, открыв явление вращающегося магнитного поля и построив свою модель мощностью в 3 ватта, и не думал об их практическом использовании. Более того: если бы ошибочный вывод Феррариса о нецелесообразности применения переменных многофазных токов был принят, то человечество еще несколько лет было бы направлено по ложному пути и лишено возможности широкого использования электроэнергии в самых различных отраслях производства и быта. Заслуга Николы Теслы и заключается в том, что, несмотря на множество препятствий и скептическое отношение к переменному току, он практически доказал целесообразность применения многофазного тока. Созданные им первые двигатели двухфазного тока, хотя и имели ряд недостатков, привлекли внимание электротехников всего мира и возбудили интерес к его предложениям.

Однако статья Галилео Феррариса в журнале "Атти ди Турино" сыграла огромную роль в развитии электротехники. Ее перепечатал один крупный английский журнал, и номер с этой статьей попал в руки другого ученого, теперь заслуженно признанного создателем современной электротехники трехфазного тока.

В один из июльских дней 1888 года статью Феррариса в английском журнале с увлечением читал молодой еще, всего лишь за четыре года до этого окончивший Дармштадтское Высшее техническое училище, русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский.

Михаил Осипович родился в России, в Гатчине - одном из живописных пригородов Петербурга, в семье чиновника. Десяти лет он вместе с родителями переехал в Одессу, где его отец, выйдя в отставку, начал издавать прогрессивную газету "Правда". К участию в этой газете он привлек многих передовых деятелей русской и мировой литературы, и вскоре газета эта за непозволительный образ мыслей была закрыта.

В этот период в семье Доливо-Добровольских сильно развилось критическое отношение к царскому строю, и юноша Добровольский отличался от своих сверстников если не революционными, то, во всяком случае, передовыми взглядами.

В 1880 году Михаил Осипович окончил Одесское реальное училище и осенью того же года поступил на химический факультет Рижского политехнического института. Но недолго пришлось ему быть студентом этого учебного заведения: весной 1881 года, после убийства царя Александра II, многих революционно настроенных студентов русских университетов и других высших учебных заведений уволили без права продолжать учение в России. В число их попал и Михаил Осипович.

В конце 1881 года Доливо-Добровольский поступил на химический факультет Дармштадтского высшего технического училища, но сразу же больше чем химией увлекся новым тогда предметом - электротехникой. В Дармштадте курс электротехники читал профессор Китлер, прекрасный педагог, имевший богатый практический опыт, сумевший не только увлечь М.О. Доливо-Добровольского, но и дать ему порядочный запас знаний.

Отлично окончивший курс Дармштадтского высшего технического училища, Доливо-Добровольский был приглашен в Германскую эдисоновскую компанию и в 1884 году начал работу на одном из ее заводов. Глубокий и вдумчивый инженер, он хорошо представлял себе все недостатки постоянного тока и не раз размышлял о возможности создания электродвигателей переменного тока.

Михаил Осипович немало думал над этой задачей, не раз пытался превратить электродвигатель постоянного тока Грамма в машину переменного тока.

Статья Феррариса произвела на М.О. Доливо-Добровольского исключительное впечатление, и еще во время чтения он представил себе принцип действия электродвигателя, основанного на использовании явления вращающегося магнитного поля. Ошибка Феррариса в расчете коэффициента полезного действия была найдена также мгновенно, и для Михаила Осиповича не оставалось сомнений в возможности быстрого решения проблемы применения переменного тока. Но уже с самого начала М.О. Доливо-Добровольский оцепил все преимущества трехфазного тока перед двухфазным, примененным Теслой и Феррарисом, и начал конструировать электродвигатели трехфазного переменного тока. Так появился опасный соперник двухфазного тока, скоро показавший ряд неоспоримых преимуществ перед своим близнецом.

Используемая литература

1. Энергетика России 1920-2020 гг. том 1. План ГОЭЛРО.

2. Очерки по истории электротехники. О.Н. Веселовский, Я.А. Шнейберг. Москва Изд. МЭИ 1993.

Интернет источники:

3. http://esis-kgeu.ru/piree

4. http://lib.rosenergoservis.ru/ocherki-po-istorii-elektrotehniki.html?start=27

5. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/119511/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B0%D1%87%D0%B0

6.http://forca.ru/knigi/oborudovanie/montazh-i-ekpluataciya-kabelei.html

7.http://radione.ru/elektrichestvo/70-2011-07-20-04-02-54

Размещено на Allbest.ru