Матющенко В.С. Матющенко С.В. История электроэнергетики

Подождите немного. Документ загружается.

электромагн

итов взаимодействуют с

плечами 1 и 2 качающегося рычага 5,

управляющего механизмами сближения и

раздвигания углей (на рисунке не

показаны). В режиме нормального горения

дуги рычаг 5 находится в

равновесии. При

сгорании углей дуга удлиняется, ее

электрическ

ое сопротивление возрастает.

Ток последовательной катушки умень-

шается, параллельной –

увеличивается.

Действие электромагнита 3 уменьшается, а

электромагнита 4 увеличивается. В

результате этого рычаг 5 отклонится вправо

и приведет в действие механизм,

сбл

ижающий угли. В случае излишнего

сближения углей и уменьшения

сопротивления дуги придет в действие

механизм раздвигания углей. В этой схеме

регулирующее устройство весьма

чувствительно к изменениям сопротивления

дуги, но на колебания общего тока в цепи

пра

ктически не реагирует, так как

последние одновременно действуют на оба

электромагнита.

Чиколев разработал несколько конструкций дифференциальных

регуляторов. В 1874 г. он предложил механизм регулирования длины

дуги, в котором впервые применил электромашинное регулирование.

Электромагниты рычажных механизмов были заменены обмотками

возбуждения электродвигателя. Одна из них включалась

последовательно с дугой, другая параллельно. Их действия были

направлены навстречу друг другу. Когда при обгорании углей дуга

удлинялась, и уменьшался ток, то преобладало действие параллельной

обмотки, и якорь вращался в таком направлении, при котором угли

сближались. При чрезмерном сближении углей ток увеличивался, и якорь

начинал вращаться в противоположную сторону, раздвигая угли.

Идея дифференциального регулятора

Чиколева получила широкое

распространение. С конца 70-х гг. XIX

в. на

заводах Сименса начался крупносерийный

выпуск электродуговых ламп с

дифференциальным регулятором. С 80-

х гг.

такие лампы стали широко приме

няться для

освещения улиц, площадей,

производственных помещений. Они

сохранились до наших дней в качестве

источников света в прожекторной и

светопроекционной технике.

Оригинальное решение проблемы

устойчивости дуги нашел в 1876

г. русский

инженер П.Н. Ябло

чков, создавший

«электрическую свечу» –

дуговую лампу без

регулятора. В отличие от предшествующих

конструкций дуговых ламп, в которых

электроды размещались на одной оси,

горизонтально или вертикально, в лампе

Яблочкова оба угольных электрода

устанавливалис

ь вертикально, параллельно

друг другу и разделялись тонким слоем

специального изолирующего материала

(рис.

65). При таком расположении

электродов расстояние между их концами в

процессе горения дуги не изменялось, и

необходимость в регуляторах не возникала.

Уменьшалась только их длина, как у свечи,

отсюда и название, под которым эта лампа и

получила известность. «Русский свет», как

называли свечу за границей, стал очень

популярным и получил широкое

распространение.

После появления лампы накаливания

Эдисона и

разработанной им системы

электрического осве

щения, более удобной и

экономичной, чем свеча Яблочкова,

последняя фактически сошла на нет. Однако

за весьма короткое время своего существо-

вания она смогла сыграть исключительно

важную роль не только в переход

е от опытов

электрического освещения к его широкому

внедрению в прак

тику, но и в развитии

электротехники вообще.

Для питания дуговых ламп первоначально использовались вольтов

столб или электромашинные генераторы постоянного тока, например,

генератор «Альянс». Эксперименты Яблочкова со свечой показали, что

не менее эффективным источником питания может быть генератор

переменного тока. Этот вывод привел к повышению спроса на такие

генераторы и к значительному расширению их производства.

Электротехнические компании и заводы-изготовители стали выпускать

генераторы специально для электрического освещения. Появление

дешевого источника света, доступного для широкого потребителя,

вызвало необходимость решения еще одной важной электротехнической

проблемы – централизации производства электрической энергии и ее

распределения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие первые конструкции ламп накаливания Вам известны?

2. Какую роль в создании системы электрического освещения сыграли

работы Лодыгина и Эдисона?

3. Как регулируется длина дуги в дуговых лампах?

4. Как была устроена «свеча Яблочкова»? Какие преимущества она

имела?

13. ИЗОБРЕТЕНИЕ ЭЛЕКТРОСВАРКИ

Первые опыты использования электрического тока для сварки

металлов относятся к концу 60-х гг. XIX в. В 1867 г. на Парижской

выставке американский электротехник И. Томсон демонстрировал

способ контактной сварки. Он пропускал электрический ток большой

силы через два металлических предмета, плотно прижатых друг к другу.

В местах соприкосновения металлов электрическое сопротивление

было настолько большим, что от выделяющегося тепла металл

накалялся и размягчался. В момент плавления Томсон сжимал куски и

проковывал их молотом, что приводило к свариванию обоих предметов.

В 1868 г. немецкий инженер Г. Цернер разогревал место соединения

деталей теплом электрической дуги, горящей между двумя угольными

электродами. После накаливания деталей их сильно сжимали и

проковывали. Описанные способы к готовым изделиям применять было

нельзя, так как сплавляемые детали сильно деформировались.

Пе

рвое технически пригодное

решение электросварки было найдено

русским изобретателем, инженером

Н.Н. Бенардосом, получившим в 1886 г.

русскую привилегию на способ

«соединения и разъединения

металлов непосредственным

действием электрического тока».

Изобретени

е было запатентовано в

ряде европейских стран.

Предложенный им метод

электродуговой сварки вошел в

практику под названием

«электрогефест».

Сварку металлов Бенардос

осуществлял электрической дугой,

образованной между угольным

электродом 1,

закрепленным в

угледержателе 2, и сваривае

мым

изделием 3 (рис.

66). В зону

электрической дуги вводился

металлический стержень 4

, который,

расплавляясь, заполнял сварочный шов

и, застывая, соединял свариваемые

детали. Источником энергии служили

мощные аккумуляторные батареи.

Способ дуговой электросварки

Бенардоса впервые был применен в

России в 1887–1888

гг. в паровозных

мастерских на станциях Воронеж и

Рославль, а затем стал широко

применяться на различных

промышленных предприятиях. В

дальнейшем Бенардос разрабатывал

спо

собы механизации и

автоматизации электросварки, сварки

на переменном токе, сварки под водой

и в атмосфере инертных газов и др.

В 1888 г. горный инженер Н.Г. Славянов, работавший на Пермских

пушечных заводах, предложил другой способ электросварки, в

котором источником металла, заполняющего шов, служил сам

металлический электрод. В 1991 г. Славянов получил русскую

привилегию на «способы и аппараты для электрической отливки

металлов», а также патенты в США и в ряде европейских стран.

Славянов сконструировал и построил специальный электрический

генератор для питания дуги, создал «электроплавильник» –

полуавтомат с дифференциальным регулятором длины дуги во время

сварки. Он впервые осуществил сварку под флюсом для защиты зоны

сварки от воздействия окружающей среды, применял присадки

различных ферросплавов для регулирования химического состава

сварного шва, использовал предварительный подогрев свариваемых

деталей.

За короткий срок оба метода электросварки – «электрогефест» и

«электрическая отливка металлов» получили широкое

распространение в России, а также на заводах Германии, Франции,

Англии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими были первые опыты применения электрического тока для

сварки металлов?

2. Кто являлся автором идеи применения электрической дуги для

сварки металлов?

3. Какая схема впервые стала применяться для электродуговой

сварки? Кто являлся ее автором?

4. Чем отличалась схема Славянова от предыдущей?

14. ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Проблема передачи

энергии на большие

расстояния возникла задолго

до появления первых

электростанций и ЛЭП.

Раньше всего появились

способы

механической

передачи энергии с помощью

различных механических

устройств и приспособлений –

канатов, блоков, приводных

ремней. Проволочный канат

позволял достигать дальности

передачи

до 120 м, а

применение канатов с

промежуточными блоками,

устанавливаемыми через

каждые 100 м, позволяло

увеличивать это расстояние до

5 км. Средний КПД канатной

передачи с тремя ступенями

мог достигать 50 %. На

появляющихся крупных

промышленных предприятия

энергия

от общего двигателя

отдельным станкам и

механизмам передавалась

помощью силовой передачи,

или трансмиссии. На рис. 67

показана схема т.

н. групповой

трансмиссии.

С 40-х гг. XIX

в. для

передачи энергии стала

применяться вода,

распространявшаяся

под

давлением по трубам. Самой

крупной такой системой была

Лондонская, которая начала

работать в 1884 г. и к 1894

г.

имела общую протяженность

трубопроводов 112 км.

Довольно широко применялась передача энергии сжатым воздухом.

Впервые такая система была применена при проходке туннеля; затем ее

стали использовать в угольных шахтах. В 1870 г. в Париже и Вене с

помощью пневматической передачи импульсов регулировался ход 8000

часовых механизмов городских часов. В Париже работала центральная

пневматическая станция, мощность которой составляла 2 000 л. с., а

протяженность воздухопроводов достигала 60 км. В 1891 г. была

построена подобная станция мощностью 24 000 л. с., работавшая

практически до начала XX в.

Ни одна из описанных систем, не могла обеспечить

удовлетворительной передачи энергии на большие расстояния.

Только электропередача могла успешно решить эту задачу.

Первые опыты передачи электрической энергии на расстояние

проводились на постоянном токе и относятся к 70-м гг. XIX в. В 1873 г.

на Венской международной выставке французский механик И. Фонтен

продемонстрировал установку, в которой одна машина Грамма

работала в режиме генератора, вырабатывая электроэнергию, а

вторая, такая же, – в режиме двигателя, приводя во вращение

водяной насос искусственного водопада. Машины были соединены

намотанным на барабан кабелем длиной более 1 км. Установка

Фонтена показывала возможность передачи энергии с помощью

электричества, но вместе с тем характеризовалась большими

потерями энергии в кабеле. Тогда же было установлено, что для

повышения экономичности электропередачи необходимо увеличивать

сечение проводов и повышать напряжение в сети.

Начиная с 1874 г. стал проводить опыты по передаче

электроэнергии русский инженер Ф.А. Пироцкий. Он указывал, что

выработку электроэнергии целесообразно производить в месте, где

имеется топливо либо гидравлическая энергия, и передавать ее

потребителю по проводам. Для уменьшения потерь энергии он

предлагал в качестве линии электропередачи использовать

железнодорожные рельсы, сечение которых в несколько сотен раз

превышало сечение обычных проводов. В 1875 г. он проверял свои

выводы на заброшенной железнодорожной ветке. Один рельс служил

прямым проводом, другой – обратным; оба рельса изолировались от

земли. Питание цепи осуществлялось генератором Грамма,

потребителем был электродвигатель, длина линии электропередачи

составляла около 1 км. Сторонником увеличения сечения проводов

при передаче электрической энергии был и немецкий электротехник

Э.В. Сименс.

Опыты Пироцкого привлекли внимание инженеров и

исследователей к проблемам передачи электрической энергии, а его

предложение использовать в качестве проводов рельсы нашло

применение уже при разработке первых проектов городского

электрифицированного транспорта.

Большой вклад в развитие теории электропередачи внесли

в 80-х гг. французский академик М. Депре и российский ученый,

профессор Д.А. Лачинов, получившие ряд важных зависимостей при

исследовании вопросов экономичности электропередачи.

Депре принадлежит и большая заслуга в практическом решении

проблем передачи электроэнергии на большие расстояния. В 1882 г.

он построил линию электропередачи Мисбах–Мюнхен

протяженностью 57 км. Установленный в Мисбахе генератор

постоянного тока приводился в действие паровой машиной

мощностью 3 л. с. и вырабатывал электрическую энергию

напряжением 1,5–2 кВ. Электропередача осуществлялась по

стальным проводам диаметром 4,5 мм на территорию выставки в

Мюнхене, где такая же машина, работавшая в режиме двигателя,

приводила в действие насос для искусственного водопада. КПД

передачи был довольно низким – не более 25 %.

В 1883 г. Депре построил линию Визиль–Гренобль протяженностью 14

км. Генератор постоянного тока мощностью 11,5 л. с., установленный в

Визиле, приводился в действие водяной турбиной, использующей

энергию водопада. Энергия передавалась в Гренобль, где

использовалась для вращения электродвигателей печатных машин. КПД

передачи составлял 62 %.

В 1885 г. между Крейлем и Парижем была построена линия длиной

56 км, для которой были созданы специальные генераторы

постоянного тока напряжением 6 кВ и мощностью около 50 л.с. КПД

передачи составлял 45 %. Несколько позже Фонтен в аналогичных

условиях, используя последовательное соединение генераторов

меньшего напряжения, достиг КПД, равного 82 %.

К концу 80-х гг. XIX в. техника постоянного тока получила

значительное развитие. Появились электрические машины и аппараты

с хорошими рабочими характеристиками. Был достигнут определенный

опыт в области электропередачи. Однако постоянный ток не мог

служить средством, способным на высоком уровне решить задачи

энергообеспечения промышленности.

Экономически выгодным может быть только централизованное

производство электроэнергии, когда она вырабатывается на крупных

электростанциях и распределяется среди потребителей,

расположенных на значительном пространстве вокруг них.

Постоянный ток не давал возможности организовать такую систему

электроснабжения. Дело в том, что для производства и потребления

электроэнергии наиболее удобным является относительно невысокое

напряжение. Но для передачи на значительные расстояния оно

непригодно из-за больших потерь в линиях. Технические возможности

того времени не позволяли строить генераторы постоянного тока

высокого напряжения. Кроме того, электроэнергию, передаваемую

постоянным током при высоком напряжении, у каждого потребителя

необходимо было преобразовывать в энергию низкого напряжения

при помощи специальных двигатель-генераторов.

Решение проблемы централизованного электроснабжения можно

было решить только на переменном токе, напряжение которого можно

легко менять при помощи трансформатора.

Долгое время переменный ток не находил применения. Все

предыдущее практическое использование электричества –

телеграфия, гальванотехника, минное дело – базировалось на

постоянном токе. В этих условиях работы по созданию генераторов

переменного тока систематически не велись и носили эпизодический

характер.

Серьезный толчок этим

работам дало применение

электрического освещения по

системе Яблочкова. Яблочкову

пришлось решать проблему

«дробления электричества», т.

е. п

итания нескольких свечей

или групп свечей от одного

источника. Одним из методов

такого дробления было

применение индукционных

катушек при питании

электрических свечей

переменным током. Первичные

обмотки катушек включались

последовательно в цепь

источника,

а к их вторичным

обмоткам подключались одна,

две и более электрических

свечей. Если первичная цепь

питалась постоянным током, то

в нее включался прерыватель,

преобразующий постоянный ток

в пульсирующий.

В августе 1882

г. на

Всероссийской промышленно-

художествен

ной выставке в

Москве в павильоне

Яблочкова лаборант

Московского университета

И.Ф. Усагин

продемонстрировал

следующую установку

(рис. 68).

Каждая из семи катушек 2

имела первичную и вторичную

обмотки с одинаковым числом

витков и сердечник с

разомкн

утой магнитной

системой. Все первичные

обмотки включались

последовательно в цепь

генератора переменного тока

системы Яблочкова. К

вторичным обмоткам

подключались приемники

электрической энергии:

четыре электрические свечи

Яблочкова 3

, дуговая лампа с

регулятором 4

нагревательная спираль из

платиновой проволоки 5

электродвигатель 6.

Схема явилась первым шагом на пути создания электрической

сети. Она показала, что предложенный Яблочковым способ

распределения электрической энергии с помощью индукционных

катушек пригоден для питания различных потребителей при

одновременной и независимой работе. Демонстрируя установку,

Усагин отключал отдельные потребители от вторичной обмотки, не

нарушая работы других. Индукционная катушка в этом случае

являлась прообразом трансформатора.

1883

г. на осветительной

установке в Вестминстерском

аквариуме в Лондоне Л.

Голяром

и Э.Д.

Гиббсом впервые

демонстрировались

трансформаторы, имеющие

коэффициент трансформации,

отличный от единицы. Они могли

служить уже не только для

«дробления энергии», но и для

преобразования напряжения.

Общий вид «вторичного

генератора», как называли свой

трансформатор сами

изобретатели, показан на рис.

69.

На деревянной подставке

устанав

ливалось несколько

индукционных катушек, обмотки

которых могл

и соединяться

последовательно или

параллельно. Первичная обмотка

выполнялась из медного провода

диаметром 3 мм. Вторичная

состояла из отдельных катушек,

намотанных шестижильным

медным кабелем, и составляла

несколько параллельно

работающих цепей, в каждую и

которых включались отдельные

потребители. Секционирование

катушек позволяло менять

напряжение на зажимах