36)Развитие электрических машин в конце 19 века
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Основные этапы. Электрические машины изобретены немногим более ста лет назад. В 1831 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции и сформулировал закон электромагнитной индукции. В следующие годы (1833—1834) русский академик
Э. X. Ленц дал глубокий анализ явлению электромагнитной индукции и в своем «правиле» показал, что это явление и явление Ампера (силовое действие магнитного поля на ток) представляют собой две стороны единого электромагнитного процесса. Из «правила Ленца» вытекает принцип обратимости электрической машины.
В годы, непосредственно следующие за открытиями Фарадея и Ленца, появляются первые модели электромагнитных генераторов постоянного тока. В 1834 г. петербургский академик Б. С. Якоби предложил первый электрический двигатель с вращательным движением. До этого изобретения электрические двигатели имели механическую схему по типу паровой машины с возвратно-поступательным движением.
В семидесятых годах прошлого столетия была открыта возможность электромагнитного возбуждения и самовозбуждения машин. Следующей ступенью в развитии электрических машин явилось изобретение кольцевого, а затем барабанного якоря, что позволило осуществить промышленные модели.
В 1878 г. П. Н. Яблочковым были предложены и изготовлены реальные модели, послужившие прототипом современного синхронного генератора и трансформатора с незамкнутой магнитной цепью. В 1884—1885 гг. Голардс, Гибс, братья Гопкинс и другие инженеры предложили трансформатор с замкнутым магнитопроводом.
Важным этапом в развитии электрических машин является изобретение и разработка М. О. Доливо-Добровольским системы трехфазного тока и осуществление электропередачи на значительное расстояние. В 1889 г. он изобрел трехфазный асинхронный двигатель. В 1890 г. М. О. Доливо-Добровольский предложил конструкцию трехфазного трансформатора. В том же году Броун построил первый трансформатор с масляным охлаждением, получивший в дальнейшем широкое распространение.
В девятисотых годах для генерирования электроэнергии начинают применяться вместо паровых машин паровые турбины, имеющие большую мощность и более высокий к. п. д. Генерирование энергии все более возрастающих мощностей при наличии высокоскоростных паровых турбин удобнее производить мощными быстроходными синхронными машинами трехфазного тока нежели машинами постоянного тока, мощность которых ограничена. Кроме того, удобство трансформации и передачи электрической энергии трехфазного тока на значительные расстояния и преимущества асинхронного двигателя были очевидны. В результате система трехфазного тока быстро получила всеобщее признание и широкое распространение взамен повсеместно используемой ранее системы постоянного тока.
Стремление повысить к. п. д. электрических машин привело к созданию электротехнической легированной стали, имеющей малые удельные потери. Увеличение производства электрических машин привело к разработке более совершенной технологий их изготовления. Все это позволило получить совершенные электрические машины, которые к этому времени в значительной мере вытеснили другие типы двигателей. В результате началась широкая электрификация промышленных предприятий, транспорта, металлургической, каменноугольной и практически всех других видов промышленности.
С 1915 г. начинают использовать короткозамкнутую обмотку для пуска синхронных двигателей, которые характеризуются высоким коэффициентом мощности (cos φ). В тот же период начинают применять предложенные М. О. Доливо-Добровольским глубоко-пазные и двухклеточные асинхронные двигатели вместо двигателей с фазным ротором. В связи с ростом мощности энергетических систем становится возможным пуск таких короткозамкнутых двигателей непосредственно от сети без специальных приспособлений.
В начале тридцатых годов нашего столетия начинается массовое применение микромашин для бытовых приборов, медицинского оборудования, пищевой и легкой промышленности. Получает распространение однофазный конденсаторный асинхронный микродвигатель. Разрозненные виды микромашйн в большинстве случаев выпускались кустарными предприятиями местной промышленности.
С середины тридцатых годов электрические микромашины применяют в системах автоматики и следящего привода. В связи с этим начинается быстрое развитие микродвигателей и тахогенераторов постоянного тока, сельсинов, асинхронных тахогенераторов и исполнительных двигателей.
В сороковых годах проводятся большие работы по созданию электромашинных усилителей, двигателей с полым ротором, и разрабатывается теория исполнительных двигателей автоматических устройств. Улучшение качества магнитных сталей позволило создать машины с постоянными магнитами и гистерезисные микродвигатели с высокими техническими и эксплуатационными показателями.
В пятидесятых годах в связи с ростом вычислительной техники начинают быстро развиваться и совершенствоваться шаговые двигатели импульсного действия. В это же время получают большое распространение магнитные усилители, которые являются более надежными, чем усилители других видов.
С начала шестидесятых годов разрабатываются конструкции малоинерционных двигателей с печатными схемами обмоток.
Количество выпускаемых в Советском Союзе микродвигателей непрерывно увеличивается. В настоящее время их производство составляет несколько десятков миллионов штук в год.
37)Успехи советского электромашиностроения
Успехи советского электромашиностроения. Коммунистическая партия и советское правительство всегда уделяли большое внимание электрификации. Гениальная формула В. И. Ленина: «Коммунизм— это есть Советская власть плюс электрификация всей страны» — показывает, какое большое значение придавал он энергооснащенности народного хозяйства. Сразу после гражданской войны по инициативе В. И. Ленина был разработан план ГОЭЛРО — первый план электрификации России. В. И. Ленин назвал его второй программой партии. План ГОЭЛРО был успешно осуществлен, и в результате уже в 1931 г. выработка электроэнергии увеличилась в четыре раза по сравнению с дореволюционной.
В настоящее время Коммунистическая партия Советского Союза продолжает уделять огромное внимание электрификации страны. В новой, третьей Программе КПСС, принятой на XXII съезде в 1961 г., говорится: «Электрификация, являющаяся стержнем строительства экономики коммунистического общества, играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении всего современного технического прогресса».
Благодаря неустанной заботе Коммунистической партии и Советского правительства наша страна достигла невиданных в мире темпов электрификации. В настоящее время установленная мощность электростанций у нас утраивается за десять лет. Программа КПСС предусматривает доведение годовой выработки электроэнергии до 900—1000 млрд. квт·ч к 1970 году и до 2700— 3000 млрд квт·ч к 1980 г.
Электропромышленность является технической базой электрификации, поэтому интенсивное развитие электроэнергетики требует быстрого увеличения выпуска и усовершенствования электрических машин. Учитывая мощность повышающих и понижающих трансформаторов и то, что не все электрические машины работают одновременно, на каждый киловатт увеличенной установленной мощности электростанций требуется увеличение мощности всех видов электрических машин приблизительно на 10 квт.
В дореволюционной России отсутствовала отечественная электропромышленность. Немногие имевшиеся электромашиностроительные заводы являлись филиалами заграничных предприятий, которые в основном занимались лишь сборкой машин. Как правило, на русских электромашиностроительных заводах не было проектных бюро, разрабатывающих новые конструкции.
После Великой Октябрьской социалистической революции были созданы новые мощные электромашиностроительные заводы и восстановлены старые. Советское правительство провело большую работу по подготовке квалифицированных кадров и созданию научно-исследовательских институтов, в результате чего отечественное электромашиностроение уже к тридцатым годам освоило производство крупных электрических машин, а к сороковым — достигло уровня передовых капиталистических стран.
Предусмотренная планом ГОЭЛРО широкая электрификация промышленности требовала большого ассортимента разнообразных электрических машин. Одной из важнейших задач было создание серий, в которых предусматривалась максимальная унификация отдельных узлов и деталей электрических машин разных типов.
В условиях ведения социалистического планового хозяйства разработка единых серий выходит за рамки отдельных заводов и становится возможным создание Всесоюзных единых серий электрических машин. При этом достигается полная взаимозаменяемость однотипных машин, изготовленных разными заводами. Единая серия имеет удобную для нужд промышленности твердую шкалу мощностей с повторяющимися значениями мощности для различных скоростей вращения. Серийные двигатели изготовляются заводами по единым чертежам, имеют одинаковые установочные размеры и взаимозаменяемые узлы и детали. Централизованное проектирование Всесоюзных единых серий явилось большим прогрессом в электромашиностроении.
Современные мощные объединенные энергетические системы Советского Союза позволяют значительно повысить единичную мощность машины. Увеличение мощности генератора ведет к экономии денежных средств и материальных ресурсов при изготовлении и позволяет значительно снизить капиталовложения при строительстве электростанций и годовые расходы при эксплуатации.
Повышение мощности машины связано с увеличением ее диаметра и длины. При современном состоянии металлургии генераторы мощностью 100 тыс. квт имеют предельные габариты по условию механической прочности. Дальнейшее повышение мощности единицы при сохранении габаритов возможно лишь за счет увеличения электромагнитных нагрузок, что в свою очередь осуществимо лишь путем форсированного охлаждения обмоток ротора и статора. Использование водорода с повышенным давлением вместо охлаждающего воздуха позволяет увеличить мощность машины примерно в 1,3 раза, поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к форсированному охлаждению крупных электрических машин. Для большей эффективности применяют непосредственное охлаждение обмоток, при котором проводники обмоток находятся в соприкосновении с охлаждающим агентом — водородом или водой. Это позволяет повысить мощность единичного генератора до 800 тыс. квт и более.
Наша электропромышленность изготовляет электрические машины, обладающие высокими техническими показателями самых разнообразных мощностей — от долей ватта до сотен тысяч киловатт. Ведется изготовление машин мощностью 500 тыс. квт в единице. В стадии проектирования находятся генераторы мощностью 800 тыс. квт. Мощность одного такого генератора соответствует суммарной мощности всех электрических станций дореволюционной России.
Бурно растет производство электрических микродвигателей, создаются и усовершенствуются новые виды микромашин. Точность выходных величин у выпускаемых в Советском Союзе микромашин достигает 0,01 % и. выше.
За годы Советской власти со времени принятия плана ГОЭЛРО наша электропромышленность достигла невиданных успехов. Мощность одного генератора увеличилась в 1000 раз (с 500 квт до 500 000 квт). В Советском Союзе создано большое количество электромашиностроительных заводов, конструкторских бюро и научно-исследовательских институтов, разрабатывающих и выпускающих электрические машины, превосходящие во многих случаях по своим показателям машины иностранных фирм.
38)Опыты Фарадея и принцип действия трансформатора
Явление, лежащее в основе действия электрического трансформатора, было открыто английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 г. при проведении им основополагающих исследований в области электрической энергии.
В 1831 г. Фарадей показал, что для порождения магнитным полем тока в проводнике необходимо, чтобы поле было переменным. Фарадей изменял напряженность магнитного поля, замыкая и прерывая электрическую цепь, порождающую поле. Тот же эффект достигается, если воспользоваться переменным током, т. е. током, направление которого меняется со временем. Это явление взаимодействия между электрическими и магнитными силами получило название электромагнитной индукции.В трансформаторе обмотка из витков провода, подключенная к источнику питания и порождающая магнитное поле, называется первичной. Другая обмотка, в которой под действием этого поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), называется вторичной. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, т. е. ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует ЭДС в первичной точно так же, как первичная обмотка индуцирует ЭДС во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает ЭДС. Это явление, называемое самоиндукцией, наблюдается также и во вторичной обмотке. На явлении взаимной индукции и самоиндукции основано действие трансформатора.
Спустя примерно 45 лет появились первые ТС, содержавшие все основные элементы современных устройств. Это событие стало настоящей революцией в молодой тогда области электротехники, связанной с созданием цепей электрического освещения. На рубеже веков электроэнергетические системы переменного тока стали уже общепринятыми, и ТС получил ключевую роль в передаче и распределении электрической энергии. А в дальнейшем он также занял существенное место как в технике электросвязи, так и в радиоэлектронной аппаратуре.
Современные ТС превосходят своих предшественников, созданных к началу XX столетия, по мощности в 500, а по напряжению – в 15 раз; их масса в расчете на единицу мощности снизилась приблизительно в 10 раз, а коэффициент полезного действия близок к 99%.
В своих экспериментах Фарадей опирался на результаты датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, который в 1820 г. установил, что ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Открытие Эрстеда было воспринято с большим интересом, поскольку электричество и магнетизм считались до этого проявлениями совершенно различных и независимых друг от друга сил. И уж если электрический ток мог порождать магнитное поле, то казалось вполне вероятным, что магнитное поле в свою очередь могло порождать электрический ток.
В трансформаторе обмотка из витков провода, подключенная к источнику питания и порождающая магнитное поле, называется первичной. Другая обмотка, в которой под действием этого поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), называется вторичной. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, т. е. ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует ЭДС в первичной точно так же, как первичная обмотка индуцирует ЭДС во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает ЭДС. Это явление, называемое самоиндукцией, наблюдается также и во вторичной обмотке.
Итак, на явлении взаимной индукции и самоиндукции основано действие трансформатора. Для эффективной работы этого устройства необходимо, чтобы между его обмотками существовала связь и каждая из них обладала высокой самоиндукцией. Этим условиям можно удовлетворить, намотав первичную и вторичную обмотки на железный сердечник так, как это сделал Фарадей в своих первых экспериментах. Железо увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз. О материалах, обладающих таким свойством, говорят, что они имеют высокую магнитную проницаемость. Кроме того, железный сердечник локализует поток магнитной индукции, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же оставаться индуктивно связанными.
В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу ее витков. Если в трансформаторе не происходит потери энергии, мощность в цепи вторичной обмотки должна быть равна мощности, подводимой к первичной обмотке. Другими словами, произведение напряжения на силу тока во вторичной обмотке должно быть равно произведению напряжения и тока в первичной. Таким образом, токи оказываются обратно пропорциональными отношению напряжений в двух обмотках и, следовательно, отношение токов обратно пропорционально отношению числа витков в обмотках. Такой подсчет мощности справедлив лишь в том случае, если токи и напряжения совпадают по фазе; условие высокой самоиндукции обеспечивает пренебрежимо малую величину токов, не совпадающих по фазе.
Идеальный ТС представляет для инженеров-электриков инструмент, аналогичный рычагу в механике, но вместо преобразований силы и перемещения ТС преобразует напряжение и ток. Вместо отношения плеч силы количественной характеристикой трансформатора является отношение между числом витков в его обмотках. Конечно, идеального трансформатора не существует, но практически реализованные устройства очень близки к идеальным. Железный сердечник является непременной составной частью всех современных силовых ТС, а медь благодаря своему низкому электрическому сопротивлению была и остается основным материалом, из которого изготовляют провод для обмоток.
После своего открытия Фарадей не стал детально исследовать открытое явление, полагая, что его работу продолжат другие. Однако в действительности оказалось, что в течение нескольких последующих десятилетий устройства, подобные трансформаторам, не нашли широкого практического применения. Особый интерес представляли первые опыты с «индукторами», состоящими из провода, намотанного на железный сердечник, в частности, изучение способности этих устройств порождать искры, когда ток в обмотке прерывался. Среди известных ученых, занимавшихся этим явлением, был американец Джозеф Генри, первый секретарь и директор Смитсоновского института. Впоследствии его именем была названа единица индуктивности.
В этих экспериментах выяснилось, что токи, циркулирующие в сплошных металлических сердечниках, рассеивали энергию. Чтобы свести к минимуму эти так называемые вихревые токи, сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Теперь сердечники представляли собой «связку» изолированных железных проводов.
39) Начало прмышленного применения трансформатора
В то время в качестве источников питания для работы с трансформаторами использовались батареи, а чтобы получить необходимые изменения тока, первичная цепь периодически прерывалась и замыкалась. После того как в 60-х годах XIX была изобретена динамо-машина – генератор электрической энергии, также основанный на открытиях Фарадея, – появилась возможность использовать переменный ток. Первый, кто подсоединил ТС к источнику переменного тока, был Уильям Гроув, которому для его лабораторных опытов понадобился источник высокого напряжения. Но этот опыт оставался незамеченным до тех пор, пока Томас Альва Эдисон не начал работать над осуществлением идеи электрического освещения в 1880-х годах.
К этому времени уже существовали электрические лампы с платиновыми нитями накала и лампы на основе электрической дуги, или дугового разряда между двумя электродами. Лампы обоих типов работали неплохо, однако их электрические характеристики накладывали некоторые ограничения на способы их включения в электрическую цепь. В частности, все лампы подключались последовательно, подобно елочным гирляндам, поэтому они загорались и гасли одновременно.
Хотя такой способ был приемлем, например, для уличного освещения, невозможность включать и выключать отдельные лампы в произвольные моменты времени, а также высокое напряжение, необходимое при последовательном соединении большого числа осветительных приборов, препятствовали его применению в жилых домах и на небольших предприятиях. Способ же параллельного соединения, в котором каждая лампа работает в своей собственной цепи, требовал слишком толстых медных проводов для подведения достаточно сильного тока к лампам, имевшим в то время относительно низкое сопротивление. Одним из главных изобретений Эдисона была лампа накаливания с угольной нитью, открывшей благодаря своему высокому сопротивлению путь к практической реализации систем параллельного подключения осветительных приборов. Используя эти лампы накаливания и генератор постоянного тока, Эдисон в 1882 г. создал в Нью-Йорке первую промышленную систему электрического освещения.
Приблизительно в то же время ТС были впервые применены в системах электрического освещения в Англии. Французский изобретатель Люсьен Х. Голар и английский промышленник Джон Д. Гиббс воспользовались трансформаторами для подсоединения ламп накаливания к осветительной системе на дуговых лампах. Поскольку дуговые лампы соединялись последовательно, первичные обмотки ТС находились в последовательном соединении с дуговыми лампами. В 1882 г. Голар и Гиббс получили патент на свое устройство, названное ими вторичным генератором. Его работу они продемонстрировали в 1883 г. в Англии, а в 1884 г. – в Италии. Вторичный генератор не нашел широкого применения, однако он стимулировал создание других устройств.
Среди тех, кто заинтересовался работой Голара и Гиббса, были три венгерских инженера из будапештской фирмы Ganz and Company. Они присутствовали при демонстрации действия вторичного генератора в Италии и пришли к выводу, что последовательное соединение имеет серьезные недостатки. По возвращении в Будапешт Макс Дери, Отто Т. Блажи и Карл Циперовский сконструировали и изготовили несколько ТС для систем параллельного соединения с генератором. Их ТС (с замкнутыми железными сердечниками, которые значительно лучше подходили для параллельного соединения, чем «связки» железных проводов с открытыми концами) были двух типов. В первом типе провод наматывался на тороидальный сердечник, во втором, наоборот, железные провода сердечника наматывались вокруг тороидальной «связки» проводников.
В мае 1885 г. Дери, Блажи и Циперновски продемонстрировали на национальной выставке в Будапеште свою систему, которую принято считать прототипом современных осветительных систем. Она состояла из 75 параллельно соединенных ТС, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Тс имели тороидальные железные сердечники.
Система Голара и Гиббса произвела также впечатление на американца по имени Джордж Вестингауз. В 80-х годах Вестингауз был уже признанным изобретателем и промышленником. В то время он работал над системой распределения природного газа для освещения. После успехов, достигнутых Эдисоном, Вестингауз заинтересовался новым источником энергии, но сомневался в возможности ее широкого применения. Его скептицизм был в достаточной степени оправданным. В параллельных системах увеличение нагрузки требовало увеличения силы тока, а нагрузка в масштабах целого города потребовала бы колоссальных токов. Однако передача электрической энергии при больших токах неэффективна. Нужно было либо передавать ток по очень толстым медным проводам, либо строить электрические станции в непосредственной близости от потребителя, разбросав множество мелких генераторов по всей территории города.
Многие специалисты искали способы передачи электрической энергии при более высоком напряжении по сравнению с тем, которое требовалось в потребляющих устройствах. В 1884 г. Вестингауз нанял молодого инженера Уильяма Стэнли, у которого возникла идея воспользоваться ТС для решения проблемы передачи электрической энергии. Узнав о работе Голара и Гиббса, он посоветовал Вестингаузу приобрести патенты на ТС. Стэнли был убежден в преимуществах параллельных схем соединения, и к началу лета 1885 г. им уже было создано несколько ТС с сердечниками замкнутой формы.
Вскоре в связи с ухудшившимся состоянием здоровья Стэнли вынужден был уехать вместе со своей лабораторией из промышленного задымленного Питтсбурга. С одобрения Вестингауза он переселился в Грейт-Бэррингтон, шт. Массачусетс, где продолжал работать над трансформаторами. Тем временем Вестингауз, еще не до конца убежденный в эффективности параллельного соединения, экспериментировал с различными комбинациями вторичных генераторов Голара и Гиббса вместе с другим пионером в области электротехники Оливером Б. Шелленбергером.
К декабрю 1885 г. успехи, достигнутые Стэнли, наконец, убедили Вестингауза и он вместе с Шелленбергом и еще одним блестящим инженером Альбертом Шмидомм приступил к усовершенствованию трансформатора Стэнли, с тем чтобы он (в отличие от венгерского торроидального устройства) стал простым и дешевым в производстве. Сначала сердечник изготавливался из тонких железных пластин в форме буквы Н. Обмотки из изолированной медной проволоки наматывались на горизонтальную часть сердечника, свободные концы которого замыкались дополнительными слоями железных полосок. Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Эта конструкция трансформатора применяется и в наши дни.
40) Самый мощный российский ТС
В 2007 г. Холдинговой компанией «Электрозавод» (Москва) был изготовлен самый мощный из ранее выпускаемых в Рф ТС – ТЦ-630000/330 мощностью 630 МВА на напряжение 330 килоВ, весом около 400 тонн. Тс нового поколения разработан для объектов Концерна «Рос_Энергоатом». Поставка новейшего энергетического оборудования на Курскую А.Э.С намечена на январь-февраль 2008 г..
Трансформатор разработан на современном техническом уровне с использованием новых конструктивных и технологических решений, современных материалов и опыта передовых фирм. В результате внедрения новейших научно-технических разработок характеристики трансформатора ТЦ-630000/330 значительно превосходят характеристики по ГОСТ. Так, потери холостого хода снижены на 38%, транспортная масса снижена на 22,2%, полная масса – на 14,5%, масса масла – на 12,9%.
По техническим параметрам, надежности, удобству монтажа и эксплуатации ТС находится на современном мировом уровне, отличительной особенностью является его полная взаимозаменяемость с аналогичным оборудованием, установленным на объектах Концерна «Рос_Энергоатом», что значительно позволяет сократить расходы и время по монтажу энергетического оборудования.
41)Состояние электроэнергетической отрасли в настоящее время и основные виды организаций этой отрасли
Состояние отрасли в настоящее время характеризуется нарастанием дефицита генерирующих мощностей и недостаточным уровнем развития электрических сетей.
Мощность электростанций электроэнергетического комплекса России составляет 220,0 млн кВт, в составе ЕЭС России имеется 468 ТЭС суммарной мощностью 138,7 млн кВт. Установленная мощность гидроэлектростанций в 2007 году составляла 46 млн кВт.
studfiles.net
Основные этапы.Электрические машины изобретены немногим более ста лет назад. В 1831 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции и сформулировал закон электромагнитной индукции. В следующие годы (1833—1834) русский академик
Э. X. Ленц дал глубокий анализ явлению электромагнитной индукции и в своем «правиле» показал, что это явление и явление Ампера (силовое действие магнитного поля на ток) представляют собой две стороны единого электромагнитного процесса. Из «правила Ленца» вытекает принцип обратимости электрической машины.
В годы, непосредственно следующие за открытиями Фарадея и Ленца, появляются первые модели электромагнитных генераторов постоянного тока. В 1834 г. петербургский академик Б. С. Якоби предложил первый электрический двигатель с вращательным движением. До этого изобретения электрические двигатели имели механическую схему по типу паровой машины с возвратно-поступательным движением.
В семидесятых годах прошлого столетия была открыта возможность электромагнитного возбуждения и самовозбуждения машин. Следующей ступенью в развитии электрических машин явилось изобретение кольцевого, а затем барабанного якоря, что позволило осуществить промышленные модели.
В 1878 г. П. Н. Яблочковым были предложены и изготовлены реальные модели, послужившие прототипом современного синхронного генератора и трансформатора с незамкнутой магнитной цепью. В 1884—1885 гг. Голардс, Гибс, братья Гопкинс и другие инженеры предложили трансформатор с замкнутым магнитопроводом.
Важным этапом в развитии электрических машин является изобретение и разработка М. О. Доливо-Добровольским системы трехфазного тока и осуществление электропередачи на значительное расстояние. В 1889 г. он изобрел трехфазный асинхронный двигатель. В 1890 г. М. О. Доливо-Добровольский предложил конструкцию трехфазного трансформатора. В том же году Броун построил первый трансформатор с масляным охлаждением, получивший в дальнейшем широкое распространение.
В девятисотых годах для генерирования электроэнергии начинают применяться вместо паровых машин паровые турбины, имеющие большую мощность и более высокий к. п. д. Генерирование энергии все более возрастающих мощностей при наличии высокоскоростных паровых турбин удобнее производить мощными быстроходными синхронными машинами трехфазного тока нежели машинами постоянного тока, мощность которых ограничена. Кроме того, удобство трансформации и передачи электрической энергии трехфазного тока на значительные расстояния и преимущества асинхронного двигателя были очевидны. В результате система трехфазного тока быстро получила всеобщее признание и широкое распространение взамен повсеместно используемой ранее системы постоянного тока.
Стремление повысить к. п. д. электрических машин привело к созданию электротехнической легированной стали, имеющей малые удельные потери. Увеличение производства электрических машин привело к разработке более совершенной технологий их изготовления. Все это позволило получить совершенные электрические машины, которые к этому времени в значительной мере вытеснили другие типы двигателей. В результате началась широкая электрификация промышленных предприятий, транспорта, металлургической, каменноугольной и практически всех других видов промышленности.
С 1915 г. начинают использовать короткозамкнутую обмотку для пуска синхронных двигателей, которые характеризуются высоким коэффициентом мощности (cos φ). В тот же период начинают применять предложенные М. О. Доливо-Добровольским глубоко-пазные и двухклеточные асинхронные двигатели вместо двигателей с фазным ротором. В связи с ростом мощности энергетических систем становится возможным пуск таких короткозамкнутых двигателей непосредственно от сети без специальных приспособлений.
В начале тридцатых годов нашего столетия начинается массовое применение микромашин для бытовых приборов, медицинского оборудования, пищевой и легкой промышленности. Получает распространение однофазный конденсаторный асинхронный микродвигатель. Разрозненные виды микромашйн в большинстве случаев выпускались кустарными предприятиями местной промышленности.
С середины тридцатых годов электрические микромашины применяют в системах автоматики и следящего привода. В связи с этим начинается быстрое развитие микродвигателей и тахогенераторов постоянного тока, сельсинов, асинхронных тахогенераторов и исполнительных двигателей.
В сороковых годах проводятся большие работы по созданию электромашинных усилителей, двигателей с полым ротором, и разрабатывается теория исполнительных двигателей автоматических устройств. Улучшение качества магнитных сталей позволило создать машины с постоянными магнитами и гистерезисные микродвигатели с высокими техническими и эксплуатационными показателями.
В пятидесятых годах в связи с ростом вычислительной техники начинают быстро развиваться и совершенствоваться шаговые двигатели импульсного действия. В это же время получают большое распространение магнитные усилители, которые являются более надежными, чем усилители других видов.
С начала шестидесятых годов разрабатываются конструкции малоинерционных двигателей с печатными схемами обмоток.
Количество выпускаемых в Советском Союзе микродвигателей непрерывно увеличивается. В настоящее время их производство составляет несколько десятков миллионов штук в год.
37)Успехи советского электромашиностроения
Успехи советского электромашиностроения.Коммунистическая партия и советское правительство всегда уделяли большое внимание электрификации. Гениальная формула В. И. Ленина: «Коммунизм— это есть Советская власть плюс электрификация всей страны» — показывает, какое большое значение придавал он энергооснащенности народного хозяйства. Сразу после гражданской войны по инициативе В. И. Ленина был разработан план ГОЭЛРО — первый план электрификации России. В. И. Ленин назвал его второй программой партии. План ГОЭЛРО был успешно осуществлен, и в результате уже в 1931 г. выработка электроэнергии увеличилась в четыре раза по сравнению с дореволюционной.
В настоящее время Коммунистическая партия Советского Союза продолжает уделять огромное внимание электрификации страны. В новой, третьей Программе КПСС, принятой на XXII съезде в 1961 г., говорится: «Электрификация, являющаяся стержнем строительства экономики коммунистического общества, играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении всего современного технического прогресса».
Благодаря неустанной заботе Коммунистической партии и Советского правительства наша страна достигла невиданных в мире темпов электрификации. В настоящее время установленная мощность электростанций у нас утраивается за десять лет. Программа КПСС предусматривает доведение годовой выработки электроэнергии до 900—1000 млрд. квт·ч к 1970 году и до 2700— 3000 млрд квт·ч к 1980 г.
Электропромышленность является технической базой электрификации, поэтому интенсивное развитие электроэнергетики требует быстрого увеличения выпуска и усовершенствования электрических машин. Учитывая мощность повышающих и понижающих трансформаторов и то, что не все электрические машины работают одновременно, на каждый киловатт увеличенной установленной мощности электростанций требуется увеличение мощности всех видов электрических машин приблизительно на 10 квт.
В дореволюционной России отсутствовала отечественная электропромышленность. Немногие имевшиеся электромашиностроительные заводы являлись филиалами заграничных предприятий, которые в основном занимались лишь сборкой машин. Как правило, на русских электромашиностроительных заводах не было проектных бюро, разрабатывающих новые конструкции.
После Великой Октябрьской социалистической революции были созданы новые мощные электромашиностроительные заводы и восстановлены старые. Советское правительство провело большую работу по подготовке квалифицированных кадров и созданию научно-исследовательских институтов, в результате чего отечественное электромашиностроение уже к тридцатым годам освоило производство крупных электрических машин, а к сороковым — достигло уровня передовых капиталистических стран.
Предусмотренная планом ГОЭЛРО широкая электрификация промышленности требовала большого ассортимента разнообразных электрических машин. Одной из важнейших задач было создание серий, в которых предусматривалась максимальная унификация отдельных узлов и деталей электрических машин разных типов.
В условиях ведения социалистического планового хозяйства разработка единых серий выходит за рамки отдельных заводов и становится возможным создание Всесоюзных единых серий электрических машин. При этом достигается полная взаимозаменяемость однотипных машин, изготовленных разными заводами. Единая серия имеет удобную для нужд промышленности твердую шкалу мощностей с повторяющимися значениями мощности для различных скоростей вращения. Серийные двигатели изготовляются заводами по единым чертежам, имеют одинаковые установочные размеры и взаимозаменяемые узлы и детали. Централизованное проектирование Всесоюзных единых серий явилось большим прогрессом в электромашиностроении.
Современные мощные объединенные энергетические системы Советского Союза позволяют значительно повысить единичную мощность машины. Увеличение мощности генератора ведет к экономии денежных средств и материальных ресурсов при изготовлении и позволяет значительно снизить капиталовложения при строительстве электростанций и годовые расходы при эксплуатации.
Повышение мощности машины связано с увеличением ее диаметра и длины. При современном состоянии металлургии генераторы мощностью 100 тыс. квт имеют предельные габариты по условию механической прочности. Дальнейшее повышение мощности единицы при сохранении габаритов возможно лишь за счет увеличения электромагнитных нагрузок, что в свою очередь осуществимо лишь путем форсированного охлаждения обмоток ротора и статора. Использование водорода с повышенным давлением вместо охлаждающего воздуха позволяет увеличить мощность машины примерно в 1,3 раза, поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к форсированному охлаждению крупных электрических машин. Для большей эффективности применяют непосредственное охлаждение обмоток, при котором проводники обмоток находятся в соприкосновении с охлаждающим агентом — водородом или водой. Это позволяет повысить мощность единичного генератора до 800 тыс. квт и более.
Наша электропромышленность изготовляет электрические машины, обладающие высокими техническими показателями самых разнообразных мощностей — от долей ватта до сотен тысяч киловатт. Ведется изготовление машин мощностью 500 тыс. квт в единице. В стадии проектирования находятся генераторы мощностью 800 тыс. квт. Мощность одного такого генератора соответствует суммарной мощности всех электрических станций дореволюционной России.
Бурно растет производство электрических микродвигателей, создаются и усовершенствуются новые виды микромашин. Точность выходных величин у выпускаемых в Советском Союзе микромашин достигает 0,01 % и. выше.
За годы Советской власти со времени принятия плана ГОЭЛРО наша электропромышленность достигла невиданных успехов. Мощность одного генератора увеличилась в 1000 раз (с 500 квт до 500 000 квт). В Советском Союзе создано большое количество электромашиностроительных заводов, конструкторских бюро и научно-исследовательских институтов, разрабатывающих и выпускающих электрические машины, превосходящие во многих случаях по своим показателям машины иностранных фирм.
38)Опыты Фарадея и принцип действия трансформатора
Явление, лежащее в основе действия электрического трансформатора, было открыто английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 г. при проведении им основополагающих исследований в области электрической энергии.
В 1831 г. Фарадей показал, что для порождения магнитным полем тока в проводнике необходимо, чтобы поле было переменным. Фарадей изменял напряженность магнитного поля, замыкая и прерывая электрическую цепь, порождающую поле. Тот же эффект достигается, если воспользоваться переменным током, т. е. током, направление которого меняется со временем. Это явление взаимодействия между электрическими и магнитными силами получило название электромагнитной индукции.В трансформаторе обмотка из витков провода, подключенная к источнику питания и порождающая магнитное поле, называется первичной. Другая обмотка, в которой под действием этого поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), называется вторичной. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, т. е. ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует ЭДС в первичной точно так же, как первичная обмотка индуцирует ЭДС во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает ЭДС. Это явление, называемое самоиндукцией, наблюдается также и во вторичной обмотке. На явлении взаимной индукции и самоиндукции основано действие трансформатора.
Спустя примерно 45 лет появились первые ТС, содержавшие все основные элементы современных устройств. Это событие стало настоящей революцией в молодой тогда области электротехники, связанной с созданием цепей электрического освещения. На рубеже веков электроэнергетические системы переменного тока стали уже общепринятыми, и ТС получил ключевую роль в передаче и распределении электрической энергии. А в дальнейшем он также занял существенное место как в технике электросвязи, так и в радиоэлектронной аппаратуре.
Современные ТС превосходят своих предшественников, созданных к началу XX столетия, по мощности в 500, а по напряжению – в 15 раз; их масса в расчете на единицу мощности снизилась приблизительно в 10 раз, а коэффициент полезного действия близок к 99%.
В своих экспериментах Фарадей опирался на результаты датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, который в 1820 г. установил, что ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Открытие Эрстеда было воспринято с большим интересом, поскольку электричество и магнетизм считались до этого проявлениями совершенно различных и независимых друг от друга сил. И уж если электрический ток мог порождать магнитное поле, то казалось вполне вероятным, что магнитное поле в свою очередь могло порождать электрический ток.
В трансформаторе обмотка из витков провода, подключенная к источнику питания и порождающая магнитное поле, называется первичной. Другая обмотка, в которой под действием этого поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), называется вторичной. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, т. е. ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует ЭДС в первичной точно так же, как первичная обмотка индуцирует ЭДС во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает ЭДС. Это явление, называемое самоиндукцией, наблюдается также и во вторичной обмотке.
Итак, на явлении взаимной индукции и самоиндукции основано действие трансформатора. Для эффективной работы этого устройства необходимо, чтобы между его обмотками существовала связь и каждая из них обладала высокой самоиндукцией. Этим условиям можно удовлетворить, намотав первичную и вторичную обмотки на железный сердечник так, как это сделал Фарадей в своих первых экспериментах. Железо увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз. О материалах, обладающих таким свойством, говорят, что они имеют высокую магнитную проницаемость. Кроме того, железный сердечник локализует поток магнитной индукции, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же оставаться индуктивно связанными.
В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу ее витков. Если в трансформаторе не происходит потери энергии, мощность в цепи вторичной обмотки должна быть равна мощности, подводимой к первичной обмотке. Другими словами, произведение напряжения на силу тока во вторичной обмотке должно быть равно произведению напряжения и тока в первичной. Таким образом, токи оказываются обратно пропорциональными отношению напряжений в двух обмотках и, следовательно, отношение токов обратно пропорционально отношению числа витков в обмотках. Такой подсчет мощности справедлив лишь в том случае, если токи и напряжения совпадают по фазе; условие высокой самоиндукции обеспечивает пренебрежимо малую величину токов, не совпадающих по фазе.
Идеальный ТС представляет для инженеров-электриков инструмент, аналогичный рычагу в механике, но вместо преобразований силы и перемещения ТС преобразует напряжение и ток. Вместо отношения плеч силы количественной характеристикой трансформатора является отношение между числом витков в его обмотках. Конечно, идеального трансформатора не существует, но практически реализованные устройства очень близки к идеальным. Железный сердечник является непременной составной частью всех современных силовых ТС, а медь благодаря своему низкому электрическому сопротивлению была и остается основным материалом, из которого изготовляют провод для обмоток.
После своего открытия Фарадей не стал детально исследовать открытое явление, полагая, что его работу продолжат другие. Однако в действительности оказалось, что в течение нескольких последующих десятилетий устройства, подобные трансформаторам, не нашли широкого практического применения. Особый интерес представляли первые опыты с «индукторами», состоящими из провода, намотанного на железный сердечник, в частности, изучение способности этих устройств порождать искры, когда ток в обмотке прерывался. Среди известных ученых, занимавшихся этим явлением, был американец Джозеф Генри, первый секретарь и директор Смитсоновского института. Впоследствии его именем была названа единица индуктивности.
В этих экспериментах выяснилось, что токи, циркулирующие в сплошных металлических сердечниках, рассеивали энергию. Чтобы свести к минимуму эти так называемые вихревые токи, сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Теперь сердечники представляли собой «связку» изолированных железных проводов.
39) Начало прмышленного применения трансформатора
В то время в качестве источников питания для работы с трансформаторами использовались батареи, а чтобы получить необходимые изменения тока, первичная цепь периодически прерывалась и замыкалась. После того как в 60-х годах XIX была изобретена динамо-машина – генератор электрической энергии, также основанный на открытиях Фарадея, – появилась возможность использовать переменный ток. Первый, кто подсоединил ТС к источнику переменного тока, был Уильям Гроув, которому для его лабораторных опытов понадобился источник высокого напряжения. Но этот опыт оставался незамеченным до тех пор, пока Томас Альва Эдисон не начал работать над осуществлением идеи электрического освещения в 1880-х годах.
К этому времени уже существовали электрические лампы с платиновыми нитями накала и лампы на основе электрической дуги, или дугового разряда между двумя электродами. Лампы обоих типов работали неплохо, однако их электрические характеристики накладывали некоторые ограничения на способы их включения в электрическую цепь. В частности, все лампы подключались последовательно, подобно елочным гирляндам, поэтому они загорались и гасли одновременно.
Хотя такой способ был приемлем, например, для уличного освещения, невозможность включать и выключать отдельные лампы в произвольные моменты времени, а также высокое напряжение, необходимое при последовательном соединении большого числа осветительных приборов, препятствовали его применению в жилых домах и на небольших предприятиях. Способ же параллельного соединения, в котором каждая лампа работает в своей собственной цепи, требовал слишком толстых медных проводов для подведения достаточно сильного тока к лампам, имевшим в то время относительно низкое сопротивление. Одним из главных изобретений Эдисона была лампа накаливания с угольной нитью, открывшей благодаря своему высокому сопротивлению путь к практической реализации систем параллельного подключения осветительных приборов. Используя эти лампы накаливания и генератор постоянного тока, Эдисон в 1882 г. создал в Нью-Йорке первую промышленную систему электрического освещения.
Приблизительно в то же время ТС были впервые применены в системах электрического освещения в Англии. Французский изобретатель Люсьен Х. Голар и английский промышленник Джон Д. Гиббс воспользовались трансформаторами для подсоединения ламп накаливания к осветительной системе на дуговых лампах. Поскольку дуговые лампы соединялись последовательно, первичные обмотки ТС находились в последовательном соединении с дуговыми лампами. В 1882 г. Голар и Гиббс получили патент на свое устройство, названное ими вторичным генератором. Его работу они продемонстрировали в 1883 г. в Англии, а в 1884 г. – в Италии. Вторичный генератор не нашел широкого применения, однако он стимулировал создание других устройств.
Среди тех, кто заинтересовался работой Голара и Гиббса, были три венгерских инженера из будапештской фирмы Ganz and Company. Они присутствовали при демонстрации действия вторичного генератора в Италии и пришли к выводу, что последовательное соединение имеет серьезные недостатки. По возвращении в Будапешт Макс Дери, Отто Т. Блажи и Карл Циперовский сконструировали и изготовили несколько ТС для систем параллельного соединения с генератором. Их ТС (с замкнутыми железными сердечниками, которые значительно лучше подходили для параллельного соединения, чем «связки» железных проводов с открытыми концами) были двух типов. В первом типе провод наматывался на тороидальный сердечник, во втором, наоборот, железные провода сердечника наматывались вокруг тороидальной «связки» проводников.
В мае 1885 г. Дери, Блажи и Циперновски продемонстрировали на национальной выставке в Будапеште свою систему, которую принято считать прототипом современных осветительных систем. Она состояла из 75 параллельно соединенных ТС, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Тс имели тороидальные железные сердечники.
Система Голара и Гиббса произвела также впечатление на американца по имени Джордж Вестингауз. В 80-х годах Вестингауз был уже признанным изобретателем и промышленником. В то время он работал над системой распределения природного газа для освещения. После успехов, достигнутых Эдисоном, Вестингауз заинтересовался новым источником энергии, но сомневался в возможности ее широкого применения. Его скептицизм был в достаточной степени оправданным. В параллельных системах увеличение нагрузки требовало увеличения силы тока, а нагрузка в масштабах целого города потребовала бы колоссальных токов. Однако передача электрической энергии при больших токах неэффективна. Нужно было либо передавать ток по очень толстым медным проводам, либо строить электрические станции в непосредственной близости от потребителя, разбросав множество мелких генераторов по всей территории города.
Многие специалисты искали способы передачи электрической энергии при более высоком напряжении по сравнению с тем, которое требовалось в потребляющих устройствах. В 1884 г. Вестингауз нанял молодого инженера Уильяма Стэнли, у которого возникла идея воспользоваться ТС для решения проблемы передачи электрической энергии. Узнав о работе Голара и Гиббса, он посоветовал Вестингаузу приобрести патенты на ТС. Стэнли был убежден в преимуществах параллельных схем соединения, и к началу лета 1885 г. им уже было создано несколько ТС с сердечниками замкнутой формы.
Вскоре в связи с ухудшившимся состоянием здоровья Стэнли вынужден был уехать вместе со своей лабораторией из промышленного задымленного Питтсбурга. С одобрения Вестингауза он переселился в Грейт-Бэррингтон, шт. Массачусетс, где продолжал работать над трансформаторами. Тем временем Вестингауз, еще не до конца убежденный в эффективности параллельного соединения, экспериментировал с различными комбинациями вторичных генераторов Голара и Гиббса вместе с другим пионером в области электротехники Оливером Б. Шелленбергером.
К декабрю 1885 г. успехи, достигнутые Стэнли, наконец, убедили Вестингауза и он вместе с Шелленбергом и еще одним блестящим инженером Альбертом Шмидомм приступил к усовершенствованию трансформатора Стэнли, с тем чтобы он (в отличие от венгерского торроидального устройства) стал простым и дешевым в производстве. Сначала сердечник изготавливался из тонких железных пластин в форме буквы Н. Обмотки из изолированной медной проволоки наматывались на горизонтальную часть сердечника, свободные концы которого замыкались дополнительными слоями железных полосок. Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Эта конструкция трансформатора применяется и в наши дни.
40) Самый мощный российский ТС
В 2007 г. Холдинговой компанией «Электрозавод» (Москва) был изготовлен самый мощный из ранее выпускаемых в Рф ТС – ТЦ-630000/330 мощностью 630 МВА на напряжение 330 килоВ, весом около 400 тонн. Тс нового поколения разработан для объектов Концерна «Рос_Энергоатом». Поставка новейшего энергетического оборудования на Курскую А.Э.С намечена на январь-февраль 2008 г..
Трансформатор разработан на современном техническом уровне с использованием новых конструктивных и технологических решений, современных материалов и опыта передовых фирм. В результате внедрения новейших научно-технических разработок характеристики трансформатора ТЦ-630000/330 значительно превосходят характеристики по ГОСТ. Так, потери холостого хода снижены на 38%, транспортная масса снижена на 22,2%, полная масса – на 14,5%, масса масла – на 12,9%.
По техническим параметрам, надежности, удобству монтажа и эксплуатации ТС находится на современном мировом уровне, отличительной особенностью является его полная взаимозаменяемость с аналогичным оборудованием, установленным на объектах Концерна «Рос_Энергоатом», что значительно позволяет сократить расходы и время по монтажу энергетического оборудования.
41)Состояние электроэнергетической отрасли в настоящее время и основные виды организаций этой отрасли
Состояние отрасли в настоящее время характеризуется нарастанием дефицита генерирующих мощностей и недостаточным уровнем развития электрических сетей.
Мощность электростанций электроэнергетического комплекса России составляет 220,0 млн кВт, в составе ЕЭС России имеется 468 ТЭС суммарной мощностью 138,7 млн кВт. Установленная мощность гидроэлектростанций в 2007 году составляла 46 млн кВт.
Установленная мощность 30 энергоблоков в составе 10 действующих АЭС составляет 23,5 млн кВт.
Протяжённость электрических сетей ОЭС России напряжением свыше 110 кВ составляет более 442 тыс. километров.
С 1 июля 2008 года в результате реорганизации РАО «ЕЭС России» были сформированы следующие основные организации электроэнергетической отрасли:
В результате завершения структурных преобразований государство обеспечило контроль за естественно-монопольным сектором электроэнергетики:
Кроме того, государство сохранило участие в следующих компаниях: более 52 % акций ОАО «ГидроОГК», ОАО «Холдинг МРСК» и ОАО «РАО ЭС Востока».
С 2003 по 2007 годы в России наблюдался устойчивый рост производства электроэнергии со среднегодовым темпом 102,6 %.
В 2006 году в России было построено 1,6 гигаватта энергомощностей.[1]
В 2010 году Россия вышла на докризисный уровень производства электроэнергии, произведя 1025 млрд кВтч электроэнергии.[2] В этом году в России был построен самый большой за последние десять лет объем электроэнергетической мощности — 3,2 гигаватта.[3]
42) Проблемы электроэнергетической отрасли в настоящее время
Среди накопившихся проблем отрасли следует выделить:
megaobuchalka.ru
Введение
Середина XIX столетия ознаменовалась особенно крупными сдвигами в науке и технике. Происходит научно-техническая революция, и буквально на протяжении одного поколения стало обыденным и привычным то, что еще в начале прошлого века казалось мечтой, плодом безудержной фантазии.
Одно из важнейших достижений XIX столетия есть изобретение электродвигателя. Электрические машины вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды. Электрические машины обладают высоким коэффициентом полезного действия — от 65 до 80% для машин мощностью около 1 квт и от 95 до 99% для машин большой мощности. В крупных современных трансформаторах КПД достигает значений, превышающих 99%. Следует заметить, что КПД других современных машин, например тепловых, двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, не превышает 30−40%.
Важность этого открытия очевидна: электроэнергия стала в наше время доступной и дешевой. К тому же, эта заслуга принадлежит русскому ученому Б. С. Якоби. Благодаря своей компактности, экономичности, долговечностью, простотой управления, легкостью обслуживания, удобным мотором, он достаточно быстро вытеснил остальные виды двигателей.
В настоящее время жизнь человечества без электродвигателя трудно представляется. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы — все это используется в быту и оснащено электродвигателями.
Цель данной работы: изучить историю создания и проследить этапы развития электродвигателей.
Работа состоит из введения, основной части, заключения, списка источников и приложения.
1. Предыстория и первые попытки создания электродвигателя
Машины, в которых преобразование энергии происходит в результате явления электромагнитной индукции, называются электрическими. Принцип действия электродвигателей основан на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.
История создания двигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин. Удивительно, но первый электродвигатель появился раньше двигателя внутреннего сгорания. Как это было…
Большими недостатками прежней паровой машины всегда оставались низкий КПД, а также трудность передачи и «дробления» полученной от нее энергии. Обычно одна большая машина обслуживала несколько десятков станков. Движение от нее подводилось к каждому рабочему месту механическим путем с помощью шкивов и бесконечных ремней. При этом происходили огромные неоправданные потери энергии. Процесс вытеснения пара электричеством совершался параллельно с прогрессом методов генерирования и передачи электроэнергии на расстояние, с успехами в создании электродвигателей и в разработке рациональных систем электропривода.
Электрический привод обладал высоким КПД, поскольку с его вала можно было прямо получать вращательное движение (тогда как в паровом двигателе его преобразовывали из возвратно-поступательного), да и «дробить» электрическую энергию было намного проще. Потери при этом оказывались минимальными, а производительность труда возрастала. Кроме того, с внедрением электромоторов впервые появилась возможность не только снабдить любой станок своим собственным двигателем, но и поставить отдельный привод на каждый его узел.
Начальный период развития электрического двигателя постоянного тока берет свое начало от опыта английского физика — Майкла Фарадея, открывшего явления взаимного вращения магнитов и электрических токов электродвигателя (1821−1834 гг.). Этот этап тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую (рис. 1).
Рисунок 1 — Магнитоэлектрический генератор Фарадея («диск Фарадея»)
Исследуя взаимодействие проводников с током и магнитов, Фарадейв 1821 г. установил, что электрический ток, проходящий по проводнику, может заставить этот проводник совершать вращение вокруг магнита или вызывать вращение магнита вокруг проводника. Следовательно, опыт Фарадея являлся наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя.
Явление, составляющее основу современной электроэнергетики, было открыто английским ученым лишь через десять лет. Оно было названо электромагнитнойиндукцией. Отметим, что используя это открытие, братья Пикси в 1832 году создали конструкцию первого электрического генератора с вращающимися постоянными магнитами и с коммутатором для выпрямления тока.
Спустя 3 года русский физик ЭмилийЛенц, обобщив проделанные Фарадеем опыты, сформулировал новый фундаментальный закон, дававший возможность безошибочно определить направление индуцированного тока. Так называемый принцип обратимости был доказан Ленцем не только теоретически, но и экспериментально: катушка, при ее вращении между полюсами магнита, генерировала электрический ток, обратная реакция заключалась в том, что катушка начинала вращаться, если в нее посылали ток (рис. 2).
Рисунок 2-КатушкаЛенца
Исследование английского физика и опыты русского академика сыграли решающую роль в истории электродвигателя и развитии всего электромашиностроения в целом. Разработки теоретических предпосылок моментально дали толчок для создания первых электродвигателей и генераторов электрического тока.
Так, английский физик и математик Питер Барлоув книге «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, известное под названием «колеса Барлоу» и являющееся одним из исторических памятников предыстории развития электродвигателя. Барлоу наглядно продемонстрировал возможность превращения электрической энергии в механическую.
Колесо Барлоу (рис. 3) представляло собой два горизонтально расположенных П-образных постоянных магнита, под которыми на одной оси размещены два медных зубчатых колеса. Когда через колеса проходил ток, они начинали вращаться в одном направлении. При этом ученый заметил, что смена полярности контактов и полюсов магнитов изменяла и направлении вращения колес. По сути, Барлоу изобрел первый униполярный электродвигатель.
Рисунок 3 — Колесо Барлоу
Колесо Барлоу не имело практического значения и остается до сих пор лабораторным демонстрационным прибором. Но его опыт дал пищу для размышления другим изобретателям, и уже в 1931 году была представлена еще одна модель электродвигателя. На этот раз американский физик Джозеф Генри сделал попытку использовать для получения качательного движения отталкивание одноименных и притяжения разноименных магнитных полюсов. И хотя это устройство, как и колесо Барлоу, не пошло дальше лабораторных демонстраций, и сам изобретатель не придавал ему серьезного значения, в историческом аспекте электродвигатель Генри интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае — качательного). Изменение полярности электромагнита за счет перемены направления протекающего по его обмотке тока приводило электромагнит в равномерное качательное движение. В модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г., имел мощность 0,044 вт (по современным подсчетам).
Модели, созданные Барлоу и Генри, представляли собой электрические устройства с качательными или возвратно-поступательными движениями малой удельной мощности, посему не имели практического применения, а о серийном производстве электромобилей даже и речи не могло быть. В течение некоторого времени различные ученые пытались продолжить развивать тему двигателей качательного типа, но постепенно научное сообщество пришло к выводу, что более прогрессивным является схема двигателя с вращением якоря и качательные двигатели были окончательно забыты.
Таким образом, открытие законов электродинамики Ампером и законов электромагнитной индукции Фарадеем не только опровергли представления об отсутствии связи между механическими и электрическими явлениями природы, но и создали теоретические предпосылки возможностей получения механической работы за счет электрической энергии (электродвигатель).
Далее электрический двигатель выходит за стены научных лабораторий. Этот этап характеризуется практическим направлением конструкторов-изобретателей.
Следует отметить, что первыми электродвигателями были двигатели постоянного тока, так как первыми были изобретены источники постоянного тока — гальванические элементы и батареи. Первый генератор для получения постоянного тока в 1832 году изготовил Ампер вместе с Пикси. Особенная конструкция двигателя являлась необходимым условием для переменного тока, однако изобретатели и конструкторы не смогли найти её сразу.
2. Создание электродвигателя с возможностью практического применения
электрический индукция машина электромагнитный
Начало данного этапа развития электрических двигателей (1834−1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явно полюсного якоря. Вращающий момент на валу таких двигателей обычно был резко пульсирующим. Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат русскому физику и академику Б. С. Якоби, который в 1934 году разработал один из самых совершенных и первых электродвигателей, которые работали от батареи постоянного тока, в котором был реализован принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. Изучая конструкции электродвигателей своих предшественников, в которых было осуществлено возвратно-поступательное или качательное движение якоря, Якоби отозвался об одном из них, что «такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов», и что «его нельзя будет применять в большом масштабе с какой-нибудь экономической выгодой» — поэтому он направил свое внимание на построение более мощного электродвигателя с вращательным движением якоря.
Двигатель Якоби состоял из двух групп электромагнитов. Попеременное изменение полярностей подвижных электромагнитов происходило путем специального коммутатора. Двигатель оснащен был двумя группами электромагнитов П-образной формы, одна из них располагалась на стационарной раме. Наконечники полюсов устроены были асимметрично, то есть, удлинены в одну сторону. Вал у двигателя состоял из двух параллельных дисков из латуни, которые соединялись четырьмя электромагнитами, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. Во время вращения вала против полюсов неподвижных электромагнитов проходили электромагниты подвижные. Принцип этого устройства используется в некоторых современных электродвигателях. Мощность двигателя составляла всего 15 Вт, при частоте вращения ротора 80−120 об/мин. В то время двигатель Якоби являлся важнейшим техническим достижением (рис. 4).
Рисунок 4 — Общий вид электродвигателя Якоби
В ноябре 1834 он представил Парижской академии наук сообщение об этом устройстве. Сообщение было прочитано на заседании Парижской академии в декабре 1834 г. и немедленно после этого опубликовано. Таким образом, известие об изобретении Б. С. Якоби очень скоро распространилось по всем странам. Однако, первый электродвигатель был далеко не совершенным и, конечно же, очень слабым. Так считал и сам академик, поэтому все средства выделенные комиссии были потрачены на усовершенствование электрической схемы.
Этот этап истории появления электродвигателей связан с еще одним известным ученым того времени — Т. Девенпортом, в 1837 году разработавшему собственную, альтернативную конструкцию двигателя. Его работа основывалась на непосредственном вращении якоря, в котором происходило взаимодействие подвижных электромагнитов с неподвижными постоянными магнитами. Двигатель Девенпорта имел четыре магнита, расположенных крестообразно и укрепленных на диске из дерева, который был связан с вертикальным шестом. Четыре магнита располагались в кольце из двух постоянных магнитов, выполненных в форме полуокружностей — таким образом кольцо имело два полюса: N и S.
Отдельно от конструкции с магнитами, на подставке, располагались медные пластины, разделенные посередине изоляцией. Обмотка электромагнитов была соединена последовательно, а ее концы имели пружинящие контакты. Электродвигатель приводился в движение за счет взаимодействия постоянных магнитов и электромагнитов, причем электромагниты изменяли свою полярность в соответствующие моменты, под воздействием энергии с коммутатора. В этой конструкции были некоторые прогрессивные идеи, на которые по-видимому, обратили внимание конструкторы электродвигателей, в том числе и Б. С. Якоби.
В 1838 г. он установил усовершенствованный электродвигатель (0,5 кВт) на гребной бот, который был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами, скорость которого достигала 4,5 км/ч., т. е. получил первое практическое применение. Сенсационная новость о первом практическом применении электродвигателя разлетелась по всему миру.
Испытания электродвигателей Якоби, установленного на боте обнаружили, что при питании электродвигателей током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой; вследствие этого была признана крайняя неэкономичность электродвигателей — на данном этапе развития электротехники. Необходимо отметить и то, что основным недостатком гальванических батарей является их малая энергоёмкость (т.е. малая мощность на единицу веса), вынуждавшая использовать очень большое число батарей, что для многих транспортных установок является неприемлемым. Так, например, на боте Якоби вначале было установлено 320 гальванических элементов.
Таким образом, испытания различных конструкций электродвигателей привели Б. С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:
— применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
— электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты и по возможности большую мощность и больший коэффициент полезного действия.
Впрочем, понятно что все эти опыты имели чисто демонстрационный характер, и до тех пор пока не был изобретен и внедрен в производство совершенный электрический генератор, электродвигатели не могли найти широкого применения, так как питать их от батареи было слишком дорого и невыгодно.
Из электрических двигателей (рис. 5), получивших практическое применение следует отметить двигатель французского инженера Фромана, применившего его в типографии. В то время большинство производственных операций в типографиях велось либо ручным способом, либо на машинах с ручным приводом. Появление крупных печатных машин потребовало привода от двигателя. Для одной крупной печатной машины, обычной для типографии того времени, работавшей к тому же периодически, а не в течение целого рабочего дня, проще было использовать электродвигатель. Электромагниты этого двигателя расположены по окружности (шесть пар, на рисунке верхние две пары сняты для того, чтобы лучше показать якорь двигателя с железными пластинами, притягиваемыми и отталкиваемыми электромагнитами).
Рисунок 5 — Общий вид электродвигателя Фромана
Все рассмотренные выше электродвигатели действовали на принципе взаимных притяжений и отталкиваний магнитов или электромагнитов. Они были снабжены якорями простейшей формы в виде стержня с обмоткой; такие стержневые якори являются явно полюсными. Этим электродвигателям были свойственны существенные недостатки. Наиболее серьезными из них являлись большие габариты машины при сравнительно малой мощности, большое магнитное рассеяние и низкий к. п. д. Кроме того, вращающий момент на валу таких электродвигателей отличался непостоянством и в связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями стержневых якорей действие таких электродвигателей было в большей или меньшей степени толчкообразным. При столь резких и частых изменениях вращающего момента на валу двигателя применение последнего в системе электропривода представлялось малоперспективным.
60-е годы XIX в. принято считать третьим этапом в истории развития электродвигателей. Этот период характеризовался разработкой двигателей с кольцевым неявнополюсным якорем и вращающим моментом с высокой постоянностью.
Одними из «пионеров» этого направления был профессор физики Болонского и Пизанского университетов Антонио Пачинотти. Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря (т.е. электромашина имела последовательное возбуждение). Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе Пачинотти явно полюсный якорь был заменен неявнополюсным. В 1863 г. Пачинотти опубликовал сведения о конструкции своего электродвигателя (рис. 6), но на эту публикацию не было обращено достаточно внимания, и изобретение было на время забыто. Но несмотря на большой интерес с принципиальной точки зрения, оно не получило распространения, так как по-прежнему не было еще экономичного генератора электрической энергии.
Рисунок 6 — Модель электродвигателя Пачинотти
Идея кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лёт. З. Т. Граммом, который построил машину с кольцевым. Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. В. Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки (1882 г.). Барабанный якорь машины постоянного тока стал таким, каким мы его можем видеть в настоящее время.
Итак, данный этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.
В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался.
В 1888 году изобретатель из Югославии Тесла и итальянский физик Феррарис открыли такое явление, как вращающее электромагнитное поле. Их изобретение вызвало огромный интерес во всём мире, и было ознаменовано началом новой эпохи. В этом же году Тесла первым создал электродвигатель совершенно нового образца, и этим открыл в технике новую эру. Уже в июне 1888 года фирма «Вестингауз Электрик Компании» купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей. Эти двигатели поступили в продажу в следующем году. Они были гораздо лучше и надежнее всех существовавших до этого моделей, но не получили широкого распространения, так как оказались весьма неудачно сконструированы. Обмотка статора в них выполнялась в виде катушек, насаженных на выступающие полюса. Неудачной была и конструкция ротора в виде барабана с двумя взаимно перпендикулярными, замкнутыми на себя катушками. Все это заметно снижало качество двигателя как в момент пуска, так и в рабочем режиме.
Вскоре индукционный двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским электротехником Доливо-Добровольским.
Первым важным новшеством, которое внес Доливо-Добровольский в асинхронный двигатель, было создание ротора с обмоткой «в виде беличьей клетки». Во всех ранних моделях асинхронных двигателей роторы были очень неудачными, и поэтому КПД этих моторов был ниже, чем у других типов электрических двигателей. Так, Феррарис, о котором упоминалось выше, создал асинхронный двухфазный двигатель с КПД порядка 50% и считал это пределом. Очень большое значение играл здесь материал, из которого изготавливался ротор, поскольку тот должен был удовлетворять сразу двум условиям: иметь малое электрическое сопротивление (чтобы индуцируемые токи могли свободно протекать через его поверхность) и иметь хорошую магнитную проницаемость (чтобы энергия магнитного поля не растрачивалась понапрасну). С точки зрения уменьшения электрического сопротивления лучшим конструктивным решением мог бы стать ротор в виде медного цилиндра. Но медь плохой проводник для магнитного потока статора и, КПД такого двигателя был очень низким. Если медный цилиндр заменяли стальным, то магнитный поток резко возрастал, но поскольку электрическая проводимость стали меньше, чем меди, КПД опять был невысоким. Доливо-Добровольский нашел выход из этого противоречия: он выполнил ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало его магнитное сопротивление). На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом (замыкались сами на себя). Решение Доливо-Добровольского оказалось наилучшим. После того как он получил в 1889 году патент на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть до настоящего времени.
Вслед за тем Доливо-Добровольский стал думать над конструкцией статора — неподвижной части двигателя. Конструкция Теслы казалась ему нерациональной. Поскольку КПД электрического двигателя напрямую зависит от того, насколько полно магнитное поле статора используется ротором, то, следовательно, чем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше потери электрической энергии и тем меньше КПД. Чтобы этого не происходило, зазор между ротором и статором должен быть как можно меньше. Двигатель Теслы с этой точки зрения был далек от совершенства — выступающие полюса катушек на статоре создавали слишком большой зазор между статором и ротором. Кроме того, в двухфазном двигателе не получалось равномерное движение ротора. Исходя из этого, Доливо-Добровольский видел перед собой две задачи: повысить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы.
Первая задача была несложной — достаточно было убрать выступающие полюса электромагнитов и равномерно распределить их обмотки по всей окружности статора, чтобы КПД двигателя сразу увеличилось. Но как разрешить вторую проблему? Неравномерность вращения можно было заметно уменьшить, лишь увеличив число фаз с двух до трех. Но был ли этот путь рациональным? Получить трехфазный ток, как уже говорилось, не представляло большого труда. Построить трехфазный двигатель тоже было нетрудно — для этого достаточно разместить на статоре три катушки вместо двух и каждую из них соединить двумя проводами с соответствующей катушкой генератора. Этот двигатель должен был по всем параметрам быть лучше двухфазного двигателя Теслы, кроме одного момента — он требовал для своего питания шести проводов вместо четырех. Таким образом, система становилась чрезмерно громоздкой и дорогой. Но, может быть, существовала возможность подключить двигатель к генератору как-нибудь по другому?
Доливо-Добровольский проводил бессонные ночи над схемами многофазных цепей, набрасывал все новые и новые варианты. И, наконец, решение, неожиданное и гениальное по своей простоте, было найдено. Действительно, если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря генератора так, как это показано на рисунке, и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки, но при вращении якоря между полюсами на каждой щетке будет индуцироваться один и тот же по величине ток, но со сдвигом во времени, которое необходимо для того, чтобы виток переместился по дуге, соответствующей углу 120 градусов. Иначе говоря, токи в цепи будут сдвинуты относительно друг друга по фазе также на 120 градусов. Но этой системе трехфазного тока оказалась присуще еще одно чрезвычайно любопытное свойство, какого не имела ни одна другая система многофазных токов — в любой произвольно взятый момент времени сумма токов, текущих в одну сторону, равна здесь величине третьего тока, который течет в противоположную сторону, а сумма всех трех токов в любой момент времени равна нулю. Следовательно, предоставляется возможность пользоваться каждым из трех проводов в качестве отводящего проводника для двух других, соединенных параллельно, и вместо шести проводов обойтись всего тремя!
Свой первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольский построил зимой 1889 года. В качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24-мя полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки в пазах по всей окружности статора, что делало более благоприятным распределение магнитного поля. Ротор был цилиндрическим с обмотками «в виде беличьей клетки». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали больше. Стержни «беличьей клетки» не имели никакой изоляции.
В качестве источника трехфазного тока был использован стандартный генератор постоянного тока, перестроенный в трехфазный генератор. Впечатление, произведенное первым запуском двигателя на руководство АЭГ, было огромным.
Для многих стало очевидно, что долгий тернистый путь создания промышленного электродвигателя наконец пройден до конца. По своим техническим показателям двигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы — обладая очень высоким КПД, они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру.
С этого времени началось быстрое внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.
Заключение
электрический индукция машина электромагнитный
Электрическая машина прошла длинный и сложный путь, прошел не один десяток лет, прежде чем их внедрили в производство повсеместно. Возможность преобразования электрической энергии в механическую впервые была установлена М. Фарадеем. В 1821 опыт Фарадея показал принципиальную возможность построения электрического двигателя. В то же время над конструированием электродвигателей работал и Джозеф Генри. В следующие годы (1833−1834) Э.X. Ленц дал глубокий анализ явлению электромагнитной индукции. Второй этап развития электродвигателей (1834−1860 гг.) — один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Якоби. До этого изобретения электрические двигатели имели механическую схему по типу паровой машины с возвратно-поступательным движением. Третий этап в развитии электродвигателей (1860−1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.).В двигателе Пачинотти явно полюсный якорь был заменен неявнополюсным. В семидесятых годах была открыта возможность электромагнитного возбуждения и самовозбуждения машин, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Следующей ступенью явилось изобретение кольцевого, а затем барабанного якоря, что позволило осуществить промышленные модели. Питание электродвигателей стало производиться от электромагнитного генератора постоянного тока. В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался. В 1888 году Тесла и Феррарис открыли такое явление, как вращающее электромагнитное поле. В этом же году Тесла первым создал электродвигатель совершенно нового образца, и этим открыл в технике новую эру. Вскоре двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским Доливо-Добровольским.
Сегодня электродвигатели используются повсеместно. Их можно найти в автомобилях и многих бытовых электроприборах. Хотя многие люди даже не представляют, как работают электродвигатели, их изобретение оказалось исключительно полезным.
Список литературы
1. Белкинд Л. Д. Первые конструкции электродвигателей постоянного тока. История энергетической техники/ Л. Д. Белкинди др. — М: Госэнергоиздат, 1960. — 664 с.
2. Дятчин Н. И. История развития техники: Учебное пособие/ Н. И. Дятчин. — Ростов н/Д.: Феникс, 2001. — 320 с.
3. Кулик Ю. А. Электрические машины / Ю. А. Кулик. — М.: Высшая школа, 1971. — 456 с.
4. Рыжков К. В. 100 великих изобретений/ К. В. Рыжков. — М.: Вече, 1999. — 528 с.
5. Харламова Т. Е. История науки и техники / Т. Е. Харламова. — Учебное пособие. — СПб.: СЗТУ, 2006. — 126 с.
6. Шухардин С. В. Техника в ее историческом развитии / С. В. Шухардин, Н. К. Ламан, А. С. Федоров. — М.: Наука, 1979. — 416 с.
Показать Свернутьreferat.bookap.info
Начало развития теории и практики электромеханических преобразований относится к 1820-м годам.
В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед опубликовал работу “Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку”, в которой описал действие тока на электромагнит, а Доменик Франсуа Араго установил, что проводник, по которому протекает ток, приобретает магнитные свойства. В том же году Жан Батист Био и Феликс Савар установили взаимодействие тока и магнитного поля.
В 1821 г. Майкл Фарадей открыл явление вращения проводника с током вокруг полюса постоянного магнита.
В 1824 г. Араго обнаружил, что при вращении медного диска над магнитной стрелкой последняя увлекается в сторону вращения диска. Это явление получило объяснение только после открытия электромагнитной индукции (1931 г.).
В 1825 г. Вильям Стерджен изобрел магнит с железным сердечником, что дало возможность получения более сильных магнитных полей.
В 1827 г. Ом опубликовал свой закон.
В 1931 г. Фарадей, проведя тысячи опытов, показал возможность ”превращения магнетизма в электричество”, открыв закон электромагнитной индукции.
В 1833 г. академик Э.Х. Ленц сформулировал принцип обратимости электрических машин, а в 1838 г. доказал это экспериментально. Такие же выводы в 1847 г. сделал Б.С.Якоби.
В 1834 г. Б.С.Якоби построил электрический двигатель вращательного движения, а в 1842 г. – первый в России электрический генератор с постоянными магнитами.
В период 1830-х…1870-х годов были сделаны четыре фундаментальные изобретения:
1. Применение электромагнитов вместо постоянных магнитов. В 1833 г. на такую возможность указал Уильям Риччи, а затем Вильгельм Иозеф Зинстеден в 1851 г., венгерский физик Аньош Иедлик в 1856 г. и англичанин Уайльд в 1863 г. После этого началось практическое применение обмоток возбуждения.
2. Открытие в 1851 г. датчанином Сёреном Хиортом принципа самовозбуждения генераторов постоянного тока. Это открытие не было оценено и получило применение с 1866 г. благодаря Уайльду, и английским телеграфным инженерам Карнелию и Самюелю Верлей, которые в 1866 г. запатентовали самовозбуждающийся генератор. Все перечисленные изобретатели предлагали генераторы с последовательным возбуждением, что вообще не очень удобно.
В 1867 г. англичанин Чарльз Уитстон и немецкий ученый Вернер Сименс (1816–1892) предложили генератор с параллельным самовозбуждением. Такой генератор хотя вначале не имел успеха, но благодаря энергии Сименса он стал поворотным пунктом истории электромашиностроения и к началу 80-х гг. вытеснил генераторы с последовательным возбуждением.
3. Изобретение кольцевого якоря с замкнутой спиральной обмоткой – Антонио Пачинотти в 1860 г. и Зеноб (Зиновий) Теофил Грамм в 1870 г. Грамм существенно усовершенствовал коллектор, расположив его горизонтально (до этого коллекторы были торцевые). Грамм же указал на возможность применения на кольцевом якоре со спиральной обмоткой многополюсной магнитной системы.
4. Мероприятия для борьбы с вихревыми токами в железе якоря. Впервые в 1849 г. Зинстеден сделал кольцевой якорь из проволоки, однако это изобретение не оценили и продолжали строить машины с массивным якорем. Отход от этой практики начался с 1871 г., когда Грамм получил патент на кольцевой якорь из проволоки. Обоснование необходимости шихтовки якоря было сделано в 1878 г. Чарльзом Френсисом Брешом. В 1880 г. Томас Алва Эдисон (1847–1931) предложил выполнять якоря из листов железа. В 1883 г. Крег предложил применять и шихтованные полюса.
Важное значение для развития электротехники имело создание П.Н. Яблочковым силового трансформатора с двумя отдельными обмотками. В 1885 г. венгерские электротехники О. Блати, М. Дэри и К. Циперновский создали кольцевой, броневой и стержневой трансформаторы, имеющие высокие технико-экономические показатели. Они и ввели термин “трансформатор”.
В 1886 г. братья Джон и Эдвард Гопкинсон обосновали метод расчета магнитных цепей электрической машины, распространив закон Ома на магнитные цепи. Этот год считается годом зарождения научной теории электрических машин постоянного тока.
В 1889 г. выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский предложил трехфазную систему переменных токов и в этом же году построил первый трехфазный трансформатор и первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью 180 Вт.
В 1891 г. Энгельберт Арнольд, преподававший в Рижском политехническом институте, создал теорию обмоток электрических машин, положив конец “кустарщине” в этом вопросе. Арнольд также вывел формулу, связывающую геометрические размеры электрической машины с ее мощностью и скоростью. В 1899 г. Энгельберт Арнольд и Густав Мие разработали теорию коммутации для машин постоянного тока.
Первые электрические трамваи появились в Европе в 1881 г., а в России в 1892 г. В 1890 г. переведен на электрическую тягу Лондонский метрополитен, начинаются попытки электрификации сначала пригородных, а затем и магистральных железных дорог. В 1899 г. паровая турбина была впервые соединена с турбогенератором мощностью 1 МВт. Началось внедрение электричества во все отрасли промышленности и электрические машины прочно вошли во все сферы жизни.
В ХХ веке процесс шел по пути углубления теории и методов расчета электрических машин постоянного и переменного тока, развития методов их исследования, улучшения качества применяемых материалов, повышения единичной мощности, снижения удельной материалоемкости. Параллельно с этим развивалась теория электромеханического преобразования энергии, изучались возможности и регулировочные свойства электродвигателей.
В области применения регулируемых электроприводов постоянного тока начинает применяться электропривод с управляемым преобразователем переменного тока в постоянный. На первых порах этот преобразователь был электромеханическим: первичный двигатель переменного тока (трехфазный асинхронный или синхронный) вращал генератор постоянного тока. В отечественной технической литературе такая система получила названии Г-Д (генератор-двигатель). Позже с развитием компонентов статических преобразователей и компонентов силовой электроники внедрение получили ртутные выпрямители (в 1930-х годах), а затем тиристорные преобразователи (в 1960-х годах). Система тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока вплоть до конца ХХ века была преобладающим техническим решением автоматизированного электропривода.
Создание в начале 1980-х годов полностью управляемого полупроводникового прибора – IGBT транзистора (запатентован фирмой International Rectifier в 1983 г.) привело к вытеснению электроприводов постоянного тока электроприводами переменного тока по системе преобразователь частоты – асинхронный короткозамкнутый двигатель. Предпосылками этому явились простота конструкции, высокая надежность и высокие эксплуатационные характеристики асинхронного двигателя, изобретенного Доливо-Добровольским еще в конце XIX века.
Вместе с развитием электропривода появилась необходимость подготовки специалистов для его проектирования, обслуживания, монтажа и наладки, а также для решения теоретических и практических проблем, связанных с электрификацией машин, механизмов и установок. В нашей стране трудами профессоров С.А. Ринкевича и В.К. Попова создается фундаментальная теория электропривода. В 1925 г. профессор С.А. Ринкевич издает двухтомный труд “Электрическое распределение механической энергии”. Эта работа положила начало оформлению электропривода как одного из направлений электротехники.
В 1928-1932 гг. профессор В.К. Попов издает фундаментальный трехтомный труд “Применение электродвигателей в промышленности”. После Великой отечественной войны появляются учебники по электроприводу Д.П. Морозова, профессора А.Т. Голована.
В 1956 и 1963 г.г. двумя изданиями выходит классический учебник “Основы электропривода”, написанный профессорами В.П. Андреевым и Ю.А. Сабининым. В 1995 г. Ю.А. Сабинин и профессор С.А. Ковчин издают еще один учебник, учитывающий современное состояние техники и теории электропривода. Во 2-ой половине ХХ века профессора М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер, В.И. Ключев порознь и вместе написали более 10 учебников по электроприводу (“Общий курс электропривода”, “Теория электропривода”, “Теория автоматизированного электропривода”).
Сегодня в Российской Федерации специалистов - электромехаников готовят около 90 высших технических учебных заведений.
studfiles.net
