Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2010
| Вид материала | Курс лекций |
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 877kb.
- Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 1206.2kb.
- Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 2337.25kb.
- Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика», 1246.47kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса по специальности 140104 промышленная теплоэнергетика, 69.12kb.
- Рабочая программа для студентов IV курса специальности 100700 промышленная теплоэнергетика, 243.31kb.
- Рабочая программа для студентов Vкурса специальности 290800. Промышленная теплоэнергетика, 63.46kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине «экономика» Для студентов специальностей:, 1055.87kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 329.37kb.
- Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 356.38kb.
ТЕМА 5
Переход энергетической техники на качественно новый уровень
5.1. Роль электрического освещения в становлении электроэнергетики
До 70-х годов XIX в. энергетическая техника характеризовалась преимущественно примитивной паровой машиной. Паросиловые установки создавались на каждом, даже небольшом, промышленном предприятии. При этом возникал ряд существенных трудностей : большие затраты на сооружение котельной и машинного отделения; громоздкость установок; их опасность в пожарном отношении. Привод многочисленных отдельных исполнительных механизмов нужно было осуществлять с помощью громоздких трансмиссий. Поэтому все более ощущалась необходимость в экономичных двигателях малой мощности. В результате создаются принципиально новые двигатели -внутреннего сгорания и электрические. Но последние были непригодны для промышленного привода, и поэтому основное применение электроэнергия находит для освещения.
Электрическое освещение - первое массовое энергетическое применение электрической энергии - сыграло исключительно важную роль в становлении электроэнергетики и превращении электротехники в самостоятельную отрасль техники.
Чем было вызвано такое интенсивное развитие электроосвещения?
В течение первой половины XIX в. господствующее положение занимало газовое освещение, имевшее существенное преимущество перед лампами с жидким горючим : централизация снабжения установок светильным газом; сравнительная его дешевизна; простота газовых горелок и их обслуживания.
Но по мере развития производства, роста городов, строительства крупных производственных зданий, гостиниц, магазинов и прочих помещений оно все менее удовлетворяло требованиям практики, так как было опасно в пожарном отношении, вредно для здоровья, а сила света отдельной горелки была мала.
Особенно эти недостатки стали сказываться на крупных предприятиях с большим числом рабочих, занятых на производстве 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).
В ходе разработки дуговых ламп возникла задача регулирования расстояния между электродами. Поэтому вся история дуговых ламп представляет собой по существу разработку конструкций различных регуляторов.
Для питания дуговых ламп пользовались гальваническими батареями или электрогенераторами. Таким образом, электроосвещение было одним из важнейших стимулов развития электрических машин и электрохимических источников тока.
Лампы накаливания до 70-х годов XIX в. 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.
Успешное решение этой проблемы тесно связано с изобретением в 1876 г. П.Н. Яблочковым "электрической свечи" - дуговой лампы без регулятора [1]. Электроды в этой лампе были расположены параллельно друг другу и разделены изолирующим слоем, в силу чего отпадала необходимость в регуляторе. Электроды выгорали подобно свече, отсюда и название -электрическая свеча, под которым она обошла весь мир. Одна электрическая свеча могла гореть около двух часов. При установке нескольких свечей в одном фонаре, оборудованном переключателем, можно было иметь более длительное бесперебойное освещение.
Изобретение электрической свечи способствовало внедрению в практику переменного тока. До этого вся эта техника базировалась на постоянном токе. При этом в дуговых лампах другой конструкции положительный электрод сгорал быстрее отрицательного, поэтому его приходилось делать большего диаметра.
Яблочков установил, что для питания свечи лучше применять переменный ток. В этом случае при электродах одинакового диаметра обеспечивается вполне устойчивая дуга. В связи с этим значительно возрос спрос на генераторы переменного тока, которые раньше практически не использовались.
Значительному развитию электротехники способствовала также и разработка Яблочковым нескольких весьма эффективных систем "дробления электрической энергии", обеспечивающих возможность включения в цепь, питаемую одним генератором, нескольких дуговых ламп.
Два из способов получили практическое применение: секционирование обмоток якоря генератора и применение индукционных катушек (первичные обмотки включались последовательно в цепь, а на вторичные включались одна, две и более свечей). Таким образом, Яблочков впервые использует индукционную катушку в качестве трансформатора с разомкнутым магнитопроводом. Схема интересна еще 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 исчерпывалось. Изобретение дешевого приемника электрической энергии, доступного для широкого потребителя, потребовало решения еще одной важнейшей электротехнической проблемы - централизации производства и распределения электрической энергии. Яблочков первым указал на то, что электроэнергия должна распределяться подобно тому, как доставляется потребителям газ и вода.
Дальнейший прогресс электроосвещения был связан с изобретением лампы накаливания, которая оказалась более удобным источником света, имеющим лучшие экономические и световые показатели.
В 1870-75 гг. А.Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания. В первых конструкциях в качестве тела накаливания применялся ретортный уголь, помещавшийся в стеклянный баллон. Для увеличения времени горения затем было предложено ставить несколько стерженьков.
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 основные виды электроустановочных материалов, необходимых для устройства и монтажа освещения лампами накаливания.
В 1893 - 94 гг. Лодыгин запатентовал лампы накаливания с нитями из тугоплавких металлов, в том числе и с вольфрамовой нитью.
5.2. Развитие кабельной и изоляционной техники
Различные области практического применения электроэнергии потребовали разработки электроизоляционных материалов.
К 70-м годам XIX в. закладываются основы новых отраслей техники -кабельной и электроизоляционной.
Начальный период развития кабельной техники тесно связан с работами по минной электротехнике и электромагнитному телеграфу.
Первый подводный электрический кабель (Шиллинг 1812 г.) представлял собой тонкую проволоку, покрытую двумя слоями изоляции (шелком и пенькой). Первый слой (шелк) пропитывался специальным смолистым составом. Затем шла пенька и тот же состав.
Первые подземные телеграфные кабели изготовляли так же (Шиллинг, Якоби и др.). Пропитка: воск, сало, канифоль. Защитной оболочкой служили стеклянные трубки, соединенные резиновыми муфтами, или стальные гильзы. В отдельных случаях стеклянные трубки закладывались в деревянные желоба I (при подземной прокладке).
В начале 40-х годов XIX в. создаются специальные машины для обвивки проводов пряжей; в качестве изоляционных материалов начинают применять резину и гуттаперчу. Существенную роль в улучшении качества изоляции сыграло создание свинцового пресса (1879 г.), с помощью которого изолированный провод покрывался бесшовной свинцовой оболочкой [2].
В 90-х годах все большее применение для силовых кабелей начинает получать многослойная изоляция из бумаги, пропитанной маслом.
Развитие электрических машин и аппаратов вызвало необходимость в развитии специальных термостойких электроизоляционных материалов. Для повышения термостойкости создаются пропиточные составы и покрытия. Для изоляции пластин коллектора начинают применять слюду.
В начале 90-х годов на основе слюды создаются новые материалы: миканит, микалента, микафолий, нашедшие широкое применение для изоляции электрических машин и приборов.
5.3. Развитие генераторов и двигателей однофазного тока
Так как переменный ток долгое время не находил практического применения, то попытки сконструировать соответствующий генератор до конца 70-х годов носили эпизодический характер.
Обычно это были машины постоянного тока, у которых отсутствовал коллектор, а было два кольца.
Наиболее существенный толчок в области генераторов переменного тока дала электрическая свеча Яблочкова.
Уже в 1878 г. Яблочков совместно с заводом Грамма разработал несколько однотипных конструкций генераторов переменного тока для питания 4, 6, 16 и 20 свечей.
Серьезные трудности на пути совершенствования генераторов переменного тока возникли из-за нагрева сердечников, которые до 80-х годов не шихтовались.
Таким образом, на лицо две главные тенденции, определяющие развитие генераторов переменного тока: для увеличения мощности увеличивать число катушек якоря, а для снижения потерь в сердечнике уменьшать объем стали якоря.
Последний период развития генераторов переменного тока начинается в 90-х г. XIX в. после того как началось производство 3-х фазных машин с шихтованными сердечниками и барабанными якорями.
Как известно, электрическая машина обратима. С этой точки зрения принципиальных трудностей для построения двигателей переменного тока не было. Уже в 1844 г. Ч. Уитстон построил синхронный двигатель, основанный на взаимодействии постоянных магнитов и электромагнитов переменного тока.
Из-за отсутствия начального вращающего момента пуск всех однофазных СД был затруднен - они нуждались в дополнительных разгонных двигателях и не могли получить широкого распространения.
Большими возможностями применения в сетях однофазного тока располагали коллекторные двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. При их питании переменным током направление основного магнитного потока изменялось одновременно с изменением направления тока в якоре и, следовательно, вращающий момент имел постоянное направление. М. Дери и О. Блатти впервые предложили применять такие коллекторные однофазные двигатели в 1885 г.
Однако широкого распространения они не нашли, так как сильно грелись и имели очень плохую коммутацию. В настоящее время они используются в основном для бытового электропривода.
Еще одну попытку построить однофазный двигатель сделал американский изобретатель И. Томсон - репульсионный двигатель (1886 г.). Однако, в связи с плохой коммутацией при скоростях, значительно отличавшихся от синхронной, такие двигатели строились только на малые мощности (до нескольких кВт) и не получили заметного распространения.
5.4. Развитие однофазных трансформаторов
В развитии трансформаторов также можно выделить несколько характерных периодов.
Первый период (1830-1870 гг.) характеризуется развитием принципов трансформации; созданием индукционных приборов, преобразующих импульсы постоянного тока одного напряжения в импульсы тока другого напряжения.
Принцип индуктивной связи двух катушек, укрепленных на стальном сердечнике, был продемонстрирован еще Фарадеем.
В конце 40-х г. и позже большое распространение получили индукционные катушки (Яблочков, Румкорф и др.), которые сыграли особенно существенную роль в качестве аппаратов системы зажигания ДВС. Следует отметить, что в современном смысле этого слова подобные устройства нельзя назвать трансформаторами.
Второй период (середина 70-х - середина 80-х гг.) характеризуется применением в сетях переменного тока индукционных катушек, которые представляли собой однофазный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом. Первыми такими трансформаторами были индукционные катушки Яблочкова. В дальнейшем подобное применение трансформаторов с разомкнутым сердечником получило развитие в работах И.Ф. Усагина и Э.Д. Гиббса.
В 1882 г. во время Московской промышленной выставки лаборант Московского университета И.Ф. Усагин продемонстрировал устройство, показавшее, что предложенный П.Н. Яблочковым способ распределения электрической энергии с помощью индукционных катушек можно целиком применять для одновременного питания любого типа электрических приемников.
Усагин воспользовался индукционными катушками с разомкнутым сердечником. В зависимости от потребителя катушки имели разные размеры, но коэффициент трансформации был равен 1. В схеме Усагина первичные обмотки семи катушек включались последовательно в цепь однофазного тока, а во вторичные обмотки включались приемники: электродвигатель; нагревательная спираль; дуговые лампы с регулятором; электрические свечи Яблочкова. Все приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу.
Заслуга Усагина и заключается в том, что он убедительно показал универсальность переменного тока и безопасность его использования.
Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения энергии явилась "система распределения электричества для производства света и двигательной силы", запатентованная во Франции в 1882 г. Голяром и Гиббсом. Их трансформаторы предназначались не только для "дробления" энергии, но и для преобразования напряжения.
В системах дугового освещения, как правило, регулировалась величина тока в цепи последовательно включенных потребителей. Но после изобретения лампы накаливания и других приемников, для которых важно поддерживать постоянную величину напряжения, более целесообразным стало их параллельное включение. Таким образом, при параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутым сердечником становилось технически не оправданным.
В течение третьего периода (с середины 80-х г. до начала становления трехфазных систем в 90-е г.) был разработан промышленный тип трансформатора с замкнутой магнитной системой, а также предложено параллельное включение трансформаторов.
Первая конструкция трансформатора с замкнутым сердечником была создана в Англии братьями Дж. и Эд. Гопкинсон. Сердечник был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, обмотки высшего и низшего напряжений.
Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформатора высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но более всесторонне этот способ был обоснован венгерским электротехником М. Дери, который в 1885г. получил патент.
Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания промышленного типа однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели.
Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885г. венгерскими электротехниками О. Блатти, М. Дери и К. Циперновским, впервые предложившими и сам термин "трансформатор".
Важное значение для расширения области применения трансформаторов и улучшения надежности их работы стало введение в конце 80-х г. масляного охлаждения (Д. Свинберн). Первые такие трансформаторы помещались в керамический сосуд, наполненный керосином или маслом.
5.5. Первые экспериментальные и теоретические исследования в области передачи электрической энергии постоянным током
Проблема передачи энергии на расстояние возникла задолго до того, как были построены первые электростанции. Но особенно актуальна она стала в связи с возникновением крупных предприятий.
Раньше всего возникли способы механической передачи (штанги, тяги, канаты), а затем получили распространение разные способы передачи механической энергии посредством систем приводных ремней и канатов. Подобная (трансмиссионная) передача даже теперь не совсем отмерла.
Опыты использования электромагнитного телеграфа неизбежно привели к мысли о возможности передачи по проводам более значительного количества энергии.
Здесь уместно отметить, что международные и национальные выставки сыграли исключительно большую роль в пропаганде научно-технических знаний.
В России первая выставка отечественной промышленности была открыта в 1829 г.
Первая в мире электротехническая выставка была открыта в марте 1880 г. в Петербурге, а первая международная электротехническая выставка -в 1881 г. в Париже.
В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой и начинается история электропередачи.
На ней французский электротехник И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Между генератором и двигателем он включил барабан с кабелем длиной 1 км (есть много версий, почему он это делал; одна - чтобы уменьшить мощность двигателя). Этим опытом была продемонстрирована реальная возможность передачи электрической энергии на расстоянии. Вместе с тем сам Фонтен не был убежден в экономической целесообразности электропередачи, так как при включении кабеля получил значительное снижение мощности двигателя, т.е. большие потери энергии в кабеле.
Из закона Джоуля-Ленца известно, что потери в проводах составляют
.Снижение удельного сопротивления проводов практически неосуществимо (медь имеет предельно малое
). Таким образом, имелось только два пути снижения 
: увеличение сечения проводов или увеличение напряжения.В 70-х годах был исследован первый путь, так как он казался более естественным и легче осуществимым в техническом отношении.
В 1874 г. русский военный инженер Ф.А. Пироцкий пришел к выводу о целесообразности производства электрической энергии там, где она может быть дешево получена благодаря наличию топлива или гидравлической энергии, и передаче ее по линии к потребителю. В том же году он приступил к опытам по передаче на артилерийском военном полигоне Волкова поля (около Петербурга). Дальность передачи составила 1 км. Для уменьшения потерь в линии Пироцкий предлагал в качестве проводов использовать железнодорожные рельсы. В 1875 г. он провел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км.
Несмотря на нерациональность практического направления избранного Пироцким, его опыты привлекли внимание к возможностям передачи электроэнергии вообще и помогли выявить правильное направление в исследованиях. Предложение же Пироцкого об использовании железнодорожных рельсов позже нашло применение при разработке первых проектов городских электрических железных дорог.
Другой путь решения проблемы передачи электрической энергии (повышение напряжения) длительное время осмысливался теоретически.
Наиболее обстоятельное исследование этого вопроса выполнили в 1880 г. независимо друг от друга французский инженер М. Депре и профессор физики Петербургского лесного института Д.А. Лачинов.
В марте 1880 г. в Парижской академии наук был опубликован доклад Депре «О КПД электродвигателей и об измерении количества энергии в электрической цепи», где он математически доказывал, что КПД установки из электродвигателя и линии передачи не зависит от сопротивления самой линии. Такой вывод самому Депре показался парадоксальным, так как ему не удалось вначале установить, что увеличение сопротивления линии не влияет на эффективность электропередачи только при увеличении напряжения передачи.
Эти условия впервые были указаны Лачиновым в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». Лачинов показал, что «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условии увеличения скорости генератора (увеличения Е). Он также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения КПД передачи при увеличении сопротивления линии в п- раз необходимо увеличить скорость вращения генератора в 4п раз.
Депре к подобным выводам пришел год спустя.
В 1882 г. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах-Мюнхен длиной 57 км [1]. Хотя этот первый опыт и не дал благоприятных результатов (КПД передачи не превосходил 25%), эта линия явилась отправным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи электроэнергии на расстояние.
Отметим интересный факт. Теория телеграфных линий была разработана достаточно хорошо, и было известно, что наибольший эффект в работе приемного устройства достигался тогда, когда его сопротивление вместе с сопротивлением соединительных проводов равно внутреннему сопротивлению источника. Но при этом КПД всей установки составляет 50%. Иными словами, режим передачи наибольшей мощности от источника к нагрузке соответствовал КПД лишь 0.5!
Но то, что целесообразно для слаботочной техники становится нецелесообразным для сильноточной. В последнем случае важен экономический эффект и КПД следует всемерно повышать даже в ущерб количеству передаваемой мощности.
Это обстоятельство долгое время оставалось труднодоступным для понимания и любые даже крупные специалисты теряли перспективу в научных поисках и прекращали работу, так как не могли освободиться от привычных рамок теории слаботочных цепей.
В 1885 г. были опять произведены опыты по передаче энергии постоянного тока, но еще в большем масштабе. Были специально построены генераторы дававшие U= 6 кВ.
Тем не менее попытки решить проблемы в 80-е г. не принесли желаемых результатов. Для передачи энергии требовалось получать высокие напряжения, а технические возможности того времени не позволяли строить генераторы постоянного тока высокого напряжения - не выдерживала изоляция. Кроме того, энергию постоянного тока высокого напряжения не представлялось возможным легко использовать потребителям: нужно было иметь двигательно-генераторную установку для преобразования высокого напряжения в низкое.
Еще один путь использования постоянного тока для электропередачи был намечен в указанной выше работе Лачинова : он предлагал для повышения напряжения соединить последовательно несколько машин. В этом случае каждая отдельная машина могла быть рассчитана на низкое напряжение.
Фонтен первым реализовал эту идею в 1886 г.
Трудности, связанные с электропередачей на постоянном токе, направили мысли ученых на разработку техники и теории переменного тока.
Когда основные элементы техники переменного тока были разработаны (генераторы, трансформаторы), начались попытки осуществить промышленную передачу энергии на переменном токе.
В 1883 г. Л. Голяр осуществил передачу мощности 20 л.с. на расстояние 23 км для питания осветительных установок Лондонского метрополитена.
Однако во второй половине 80-х годов уже возникла задача включения в сеть электростанций силовой нагрузки. Таким образом, и при передаче электроэнергии однофазным переменным током снова возникло противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче постоянным током. Напряжение однофазного переменного тока можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов практически в любых желаемых пределах, т.е. при передаче энергии затруднений нет. Но однофазные двигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для целей практики характеристики, и сфера применения переменного тока пока ограничивалась исключительно электрическим освещением, что не удовлетворяло требований промышленности.
5.6. Электростанции постоянного и однофазного переменного тока
В 70-80-х годах XIX века процесс производства электроэнергии еще не был отделен от процесса ее потребления. Электростанции, обеспечивающие электроэнергией ограниченное число потребителей, назывались блок-станциями.
В связи с трудностями регулирования системы дугового освещения на первых порах строились специализированные блок-станции : одни для дуговых ламп; другие для ламп накаливания.
Развитие первых электростанций было сопряжено с преодолением трудностей не только научно-технического, но и волюнтаристского и конъюнктурного характера. Так, городские власти запрещали сооружение воздушных линий, опасаясь за внешний вид города. Газовые компании всячески подчеркивали действительные и мнимые недостатки нового рода освещения.
На таких блок-станциях в качестве первичных двигателей поначалу применяли в основном поршневые паровые машины (локомобили), иногда ДВС. Сопряжение производилось с помощью ременных передач, так как поршневые двигатели были низкоскоростные (не более 200 об/мин). Для регулирования натяжения ремня электрогенераторы монтировались на салазках.
Впервые блок-станции ("домовые") были построены в Париже для питания свечей Яблочкова на улице "Opera".
В России первой установкой такого рода явилась станция для освещения Литейного моста (в Петербурге), созданная в 1879 г. Яблочковым.
Однако идея централизованного производства электроэнергии была настолько экономически оправданной и соответствовала тенденции концентрации производства, что первые такие станции возникли уже в середине 80-х годов и быстро вытеснили блок-станции.
В 1881 г. несколько предприимчивых американских финансистов под впечатлением успеха, которым сопровождалась демонстрация ламп накаливания, заключили с Эдисоном соглашение и приступили к строительству первой в мире центральной электростанции (в Нью-Йорке). В сентябре 1882 г. она была сдана в эксплуатацию. В машинном зале было установлено 6 генераторов Эдисона мощностью по 90 кВт каждый. Станция была спроектирована очень рационально : генераторы имели искусственное охлаждение; они соединялись непосредственно с приводными двигателями; осуществлялась механическая подача топлива в котельную и механическое удаление золы и шлаков; защита от токов короткого замыкания осуществлялась плавкими вставками; магистральные линии были кабельными. Так что в дальнейшем при сооружении других станций развивались эти правильные принципы.
Исходные величины напряжений первых электростанций, от которых впоследствии были произведены другие, образующие известную шкалу напряжений, сложились исторически.
Дело в том, что в период исключительного распространения дугового освещения эмпирически было установлено, что наиболее подходящим для горения дуги является U = 45 В. Чтобы уменьшить токи короткого замыкания в момент зажигания дуги (при соприкосновение углей) и для более устойчивого горения дуги, последовательно с дуговой лампой включали сопротивление. Также эмпирически было найдено, что величина этого балластного сопротивления должна быть такой, чтобы падение напряжения на нем при нормальной работе составляло - 20 В. Таким образом, получалось U = 65 В, что долго и применялось. Однако часто в одну цепь включали две дуговые лампы, отсюда U= 2 · 45 +20 = 110 В. Это напряжение и было принято почти повсеместно в качестве стандартного.
Уже при проектировании первых центральных электростанций столкнулись с трудностями, которые в достаточной степени не были преодолены в течение всего периода господства техники постоянного тока.
Радиус электроснабжения определяется величиной допустимых потерь напряжения в сети, которые для данной сети тем меньше, чем выше напряжение. Именно это заставляло строить электростанции в центральных частях города, что существенно затрудняло не только обеспечение водой и топливом, но и удорожало стоимость земельных участков для строительства. Этим, в частности, объясняется вид Нью-Йоркской электростанции, где оборудование располагалось на многих этажах. Аналогичная ситуация была и в Петербурге: электростанции, обслуживающие район Невского проспекта, располагались на баржах (рядом вода, не надо земли), стоявших на Мойке и Фонтанке.
Ограничение возможности расширения радиуса электроснабжения привело к тому, что удовлетворять спрос на электроэнергию со временем становилось все труднее.
На центральных электростанциях с ростом их мощности локомобили, применявшиеся в качестве первичных двигателей, постепенно вытеснялись стационарными машинами. Их мощность составляла 100 - 300 л.с. при скорости вращения 100 - 200 об/мин, что приводило к необходимости введения между машиной и генератором ременной или канатной передачи. Давление пара не превышало 10 кг/см . Основным топливом служил каменный уголь, сжигавшийся на плоских колосниках, загрузка была ручной. Расход топлива при таком способе сжигания и отсутствие экономайзера, подогрева воздуха и плохой изоляции в 3 - 4 раза превышал расходы современных станций.
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 [2].
В рассматриваемый период гидроэлектростанции строились редко в связи с трудностями передачи электроэнергии на большие расстояния.
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. Однако 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 к многопроводной, т.е. фактически повышение напряжения. Одним из таких решений была трехпроводная сеть: генераторы на станциях соединялись последовательно, и от средней точки шел нейтральный или компенсационный провод (1882 г. Дж. Гопкинсон и Т. Эдисон). При этом обычные лампы сохранялись и включались между линейным и нейтральным проводами, а двигатель для сохранения симметрии нагрузки включался на линейные провода (220 В). При несимметричной нагрузке в нейтральном проводе появлялся ток, но много меньше линейного, что позволяло уменьшить его сечение. Уменьшалось сечение (из-за нейтрального провода) и линейных проводов -экономия меди. Практически это позволяло увеличить радиус электроснабжения до 1200 м.
Третий путь увеличения радиуса электроснабжения предполагал сооружение аккумуляторных подстанций. Они были в то время обязательным дополнением любой электростанции, так как покрывали пики нагрузки. Эти подстанции сооружались вблизи потребителей.
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, ив 1886 г. эта станция была реконструирована по проекту С.Ц. Ферранти. Генераторы Сименса были заменены машинами Ферранти, каждая мощностью 1000 кВт с U= 2.5 кВ. Трансформаторы, изготовленные по проекту Ферранти, включались параллельно и служили для снижения напряжения в непосредственной близости от нагрузки.
Быстроходность паровых поршневых двигателей в то время сильно отставала от быстроходности генераторов. Поэтому последние имели большие диаметры и малые длины. Это характерно сейчас для гидростанций.
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. 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 переменный ток U = 2 кВ. По свидетельствам современников Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.
Крупнейшей в России электростанцией однофазного тока была станция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н.В. Смирновым [1]. Ее мощность составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существующей в то время станции постоянного тока.
5.7. 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.
Это решение было найдено в применении многофазных цепей, из которых многолетняя практика сделала выбор в пользу цепей 3-х фазных.
Наиболее интересными и новыми элементами 3-х фазной системы явились электродвигатели.
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 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 итальянский ученый Г. Феррарис и югослав, работавший большую часть жизни в Америке, Н. Тесла (1885 г.).
Они показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом, питать двумя переменными токами, отличающимися по фазе на 90", 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 90° 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 90° - вращающееся поле искажалось.
Но не эти недостатки помешали Феррарису и некоторым его современникам разработать конструкцию двухфазного двигателя. В своих исследованиях он предположил, что электродвигатель, также, 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 не прибегал к попыткам получить разность фаз 90° в самих двигателях, а пришел к выводу о целесообразности построения такого генератора.
Основным недостатком двигателя Тесла, сделавшим его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой, обуславливающих большое магнитное сопротивление и неблагоприятное распределение МДС вдоль воздушного зазора. Конструкция обмотки ротора (как выяснилось потом) тоже была неудачной (две взаимно перпендикулярные обмотки).
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).
5.8. Трехфазная система
В то время как Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать 2-х фазную систему, в Европе была разработана более совершенная - 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 2-х и 3-х фазные генераторы. Не зная о явлении вращающегося магнитного поля, он предполагал, что потребители в его многофазных системах должны включаться как однофазные.
Немецкий инженер Ф. Хазельвандер подошел к 3-х фазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у генератора и двигателя постоянного тока выполняют 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 [1].
Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился М.О. Доливо-Добровольский, сумевший придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником 3-х фазной техники.
Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский, тогда еще молодой инженер, познакомившись с содержанием доклада Феррариса, не согласился с его выводами о практической непригодности индукционного двигателя. Еще до этого он заметил, что если замкнуть обмотки якоря двигателя постоянного тока, то возникает тормозной момент большой величины. Он понял, что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить туда такой короткозамкнутый якорь с малым сопротивлением, то он скорее сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов.
Первым шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки.
Важным этапом в трудах Доливо-Добровольского явилась замена 2-х фазных систем 3-х фазными. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение МДС по окружности статора. Дальнейшее увеличение числа фаз не являлось целесообразным, так как привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода.
Для получения 3-х фазной системы в результате исследований Доливо-Добровольский сделал ответвление от 3-х равноотстоящих точек обмотки якоря машины постоянного тока. Таким образом были получены токи с разностью фаз 120°. Таким путем была найдена связанная 3-х фазная система, отличающаяся той особенностью, что она требовала для передачи и распределения электроэнергии только три провода. В 2-х фазной системе Тесла также можно было обойтись тремя проводами, но достоинства 3-х фазной системы подкрепилось преимуществом двигателей.
Дальнейшее увеличение числа фаз привело бы к некоторому улучшению использования электрических машин, но вызвало бы дополнительный расход меди. Поэтому 3-х фазная система оказалась оптимальной.
Весной 1889 г. был построен первый 3-х фазный асинхронный двигатель мощностью примерно 100 Вт. Он питался от 3-х фазного одноякорного преобразователя и показал хорошие результаты. Вслед за этим был создан другой более мощный одноякорный преобразователь, а затем началось изготовление 3-х фазных синхронных генераторов.
Уже в первых синхронных генераторах применялись два основных способа сопряжения фаз: звезда (условное обозначение -Y) и треугольник (условное обозначение - А).
Важным достижением Доливо-Добровольского явилось также то, что он отказался от выполнения асинхронного двигателя с выступающими полюсами, а сделал обмотку статора распределенной по всей окружности. В результате уменьшилось магнитное рассеяние по сравнению с двигателем Тесла.
Вскоре Доливо-Добровольский заменил кольцевой тип обмотки статора барабанным. Так асинхронный двигатель приобрел современный вид.
Новое затруднение в развитии 3-х фазной техники возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников 3-х фазного переменного тока. Дело в том, что пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в несколько раз превышает номинальный ток.
Анализ возникших затруднений привел к созданию так называемого двигателя с фазным ротором.
5.9. Трехфазный трансформатор
3-х фазная система не получила бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она не решила проблемы передачи энергии на большие расстояния.
Но электропередача выгодна при высоком напряжении, которое в случае переменного тока получается при помощи трансформатора.
3-х фазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформации энергии, но требовала трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих устройств не могло не вызвать стремления поиска более удовлетворительного решения.
В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел 3-х фазный трансформатор [1]. В начале это был трансформатор с радиальным расположением сердечника (рис.1, А). Его конструкция еще напоминает электрическую машину, где отсутствует воздушный зазор.
Затем было предложено несколько конструкций призматических трансформаторов, где удалось получить более компактную форму магнитопровода (рис.1, Б).
Наконец, в октябре 1891 г., была подана заявка на 3-х фазный трансформатор с параллельными стержнями (рис.1, В).
В принципе эта конструкция сохранилась до настоящего времени.
Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем 3-х фазной цепи.
Рис.1
В 80-90-х годах XIX века значительное место занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, часто надо было иметь не одно, а два напряжения: одно - для осветительной нагрузки; другое, повышенное, - для силовой.
Чтобы иметь возможность регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. 4-х проводную схему 3-х фазной цепи -систему с нейтральным проводом. Сразу же он указал, что в ряде случаев вместо нейтрального провода можно использовать "землю".
Свои предложения Доливо-Добровольский обосновал доказательством того, что 4-х проводная 3-х фазная система допускает иметь определенную асимметрию нагрузки, поскольку позволяет сохранять в каждой фазе неизменное напряжение.
Для регулирования напряжения в отдельных фазах 4-х проводной системы он предложил использовать изобретенный им 3-х фазный автотрансформатор.
Таким образом, в течение трех лет были конструктивно разработаны все основные элементы 3-х фазной системы электроснабжения [1].
Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип действия которых был известен задолго до того, получил широкое практическое применение лишь 3-х фазный синхронный генератор.
Так зародилась и получила свое начальное развитие 3-х фазная система электрического тока.
Изучение истории техники 3-х фазных цепей показывает, что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М.О. Доливо-Добровольского.
Несомненно, столь быстрый и полный успех его трудов во многом определялся тем обстоятельством, что его труды отвечали основным направлениям эпохи.
Кроме того, нельзя упускать из виду, что Доливо-Добровольский работал в условиях наиболее развитой в то время электротехнической промышленности -германской и, являясь одним из технических руководителей крупнейшей электротехнической фирмы, располагал большими возможностями для экспериментальных исследований и практической реализации своих изобретений. В то время как другим его современникам не доставало инженерного подхода к решению возникающих проблем (Бредли, Тесла) либо материально-технической базы (Хазельвандер), у Доливо-Добровольского было и то и другое, помноженное на глубокие знания и огромную работоспособность.
5.10. Первая трехфазная линия электропередачи
Генеральным испытанием 3-х фазной системы явилась Лау фен-Франкфуртская экспериментальная электропередача. Этот выдающийся для своего времени эксперимент был приурочен к Международной электротехнической выставке и Международному конгрессу электротехников, которые проводились в 1891г. во Франкфурте-на-Майне (Германия) [1].
Организаторы выставки предложили фирме АЕГ, где в то время работал Доливо-Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на реке Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина полезной мощностью около 300 л.с.
До этого времени дальность электропередачи, не считая нескольких опытных, не превышала 15 км, и ряд специалистов полагали, что КПД установки может оказаться меньше 50%.
Доливо-Добровольскому предстояло в течение года спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и 3-х фазные трансформаторы мощностью 100 - 150 кВА. Изготовление генератора было поручено главному инженеру швейцарского завода «Эрликон». Задачи были очень серьезные: испытание новой системы перед лицом всего мира; невиданные масштабы; двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились.
В августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемых током Лауфенской гидростанции, а двигатель привел в действие декоративный водопад. Это символизировало новую победу над природой.
Проблема передачи энергии была решена. По результатам международной комиссии было зафиксировано
min = 68,5% ; max = 75,2 %; линейное напряжение составляло 15 кВ.Создание 3-х фазной системы явилось важнейшим этапом в развитии техники. Эта система вывела проблему передачи электроэнергии, а вместе с ней и электротехнику, из кризисного состояния, сложившегося в 80-х годах прошлого века.
Производительные силы получили новую техническую базу, во многом способствовавшую углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства.
Электрическая энергия, которая из мест ее дешевого получения теперь могла передаваться в удаленные промышленные районы, вызвала коренную реконструкцию энергохозяйства промышленных предприятий и начала внедряться в технологию.
Вопросы для самопроверки
1) Почему именно электрическое освещение стало первым массовым энергетическим применением электрической энергии?
2) Чем сдерживалось вначале применение электроэнергии в промышленном приводе?
3) Что представляла собой схема распределения электроэнергии, предложенная русским электротехником П.Н. Яблочковым?
4) Для каких целей и кем были применены первые подводные и подземные кабели?
5) Какие изоляционные материалы создаются в начале 90-х на основе слюды?
6) Чем характеризуются современные электроизоляционные материалы на основе различных синтетических высокомолекулярных материалов?
7) Почему на смену однофазному току пришел двухфазный, а затем 3-х фазный ток?
8) Почему эффективность электропередачи зависит от величины напряжения?
9) Какое преимущество имеет электропередача на переменном токе?
10) Каковы причины, ограничивающие величину напряжения электропередачи на уровне нескольких тысяч кВ(технические или из-за вредного воздействия на природу)?
11) Почему с увеличением напряжения растет стоимость энергетического оборудования?
12) Какие проблемы электроэнергетики могут быть решены с применением глубокого охлаждения?
13) Что достигается объединением энергосистем?
14) Какие задачи решает диспетчерская служба?