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

Подождите немного. Документ загружается.

устройства, в дальнейшем их развитие пошло параллельно, по одному

пути.

Генератор с кольцевым якорем представлял собой практически

современную машину, однако нуждался в некоторых

усовершенствованиях, которые были сделаны в 70–80-х гг. XIX в.

Главным недостатком кольцевого якоря было плохое использование

меди в его обмотке: в создании ЭДС участвовали только части витков,

обращенные к полюсным наконечникам. В 1873 г. немецкий

электротехник Ф. Гефнер-Альтенек предложил заменить кольцевой якорь

барабанным. В барабанном якоре в создании электродвижущей силы

участвуют обе стороны каждой секции обмотки, не используются только

их лобовые части. С 1878 г. барабанный якорь стали делать зубчатым,

что позволило более надежно крепить обмотки и уменьшать воздушный

зазор в машине. С целью снижения потерь на вихревые токи с 1880 г., по

предложению Эдисона, якорь стали делать шихтованным, т. е. набирать

из тонких стальных листов, оклеенных бумагой. Впоследствии оклейка

бумагой стала заменяться покрытием тонким слоем лака. Тогда же для

улучшения условий охлаждения якоря американский изобретатель

Х. Максим предложил устраивать в якоре каналы для прохождения

воздуха. С 1885 г. стали применять шаблонную обмотку, что позволило

снизить стоимость машин и улучшить качество обмотки. Важными

усовершенствованиями являлись введение в 1884 г. компенсационной

обмотки, а в 1885 г. – дополнительных полюсов.

В течение 70–80-х гг. XIX в. машина постоянного тока приобрела

все основные черты современной машины. Дальнейшие

усовершенствования не затрагивали ее основных принципов, а были

направлены на повышение качества конструктивных узлов, улучшение

использования активных материалов и изоляции, на улучшение

качества щеток и т. д.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каков принцип работы установки Фарадея для демонстрации

электромагнитного вращения?

2. Какими конструкциями характеризовались основные этапы

развития электрических двигателей?

3. Что такое диск Фарадея?

4. Как были устроены первые магнитоэлектрические генераторы?

5. Когда появились первые электрические генераторы с

самовозбуждением?

6. Как были устроены электрические машины с кольцевым якорем?

7. Какие усовершенствования были внесены в конструкции

электрических машин в конце XIX в.?

11. ИЗОБРЕТЕНИЕ МНОГОФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

В 1824 г. Араго обнаружил странное и непонятное явление.

Открывая медную коробочку, в которой он хранил компас, и слегка

повернув при этом ее крышку, он заметил, что в этом же направлении

повернулась и магнитная стрелка. Массивный медный корпус коробочки

сильно замедлял колебания стрелки при приведении ее во вращение,

она быстро останавливалась. Араго решил проверить, приведет ли

вращающийся магнит в движение диск из немагнитного материала, и

провел следующий опыт (рис. 51).

При вращении постоянного магнита 1 медный диск 2 начинал

вращаться в том же направлении. Стекло или плотная бумага,

помещаемые между магнитом и диском для исключения потока

воздуха, вращению диска не препятствовали.

Это крайне удивило самого Араго и других ученых, так как было

хорошо известно, что медь никак не взаимодействует с постоянным

магнитом. Это явление назвали явлением Араго или «магнетизмом

вращения». Его причина долгое время оставалась загадкой. Ни Араго,

ни другие ученые, повторявшие этот эксперимент, не могли его понять.

Только открытие явления электромагнитной индукции позволило дать

правильное объяснение. Анализируя явление Араго, Фарадей указал,

что при вращении немагнитного диска в магнитном поле постоянного

магнита в диске наводятся токи, которые взаимодействуя с магнитом,

увлекаются им.

Поскольку электромагнитная индукция имеет место только при

взаимном перемещении проводника и магнита, то в состоянии покоя

относительно друг друга никаких взаимодействий между диском и

магнитом не будет.

В 1879 г. английский ученый У. Бейли на заседании Лондонского

физического общества сделал доклад «Способ получения вращения

Араго», в котором он сообщил о своем опыте получения вращающегося

магнитного поля в неподвижном устройстве. Последнее состояло из

четырех вертикально стоящих электромагнитов, расположенных по

периферии круга, над которыми был подвешен медный диск (рис. 52). С

помощью специального переключателя в обмотки электромагнитов в

определенной последовательности посылались импульсы постоянного

тока. Полярность верхних концов сердечников электромагнитов при

этом изменялась так, что при каждом последующем переключении

суммарный магнитный поток всех четырех электромагнитов

поворачивался в пространстве на 45 градусов (рис. 53). Через восемь

переключений результирующее магнитное поле принимало свое

первоначальное направление. Диск, подвешенный над полюсами

электромагнитов, приходил во вращение. Бейли указывал, что при

бесконечно большом числе электромагнитов вращение будет

равномерным.

Рис. 51. «Магнетизм вращения» Араго

Рис. 52. Прибор Бейли

Рис. 53. Магнитное поле в приборе Бейли

Прибор Бейли показал принципиальную возможность получения

вращающегося магнитного поля в стационарной установке. Бейли

писал: «Вращение диска происходит вследствие вращения магнитного

поля, в котором он помещен, и мы должны ждать, что если подобное

вращение поля получится каким-нибудь иным способом, то вращение

диска останется прежним».

К практическому применению вращающегося магнитного поля

впервые пришли независимо друг от друга итальянский физик, член

Туринской академии наук Г. Феррарис и американский электротехник,

серб по национальности, Н. Тесла. О своем открытии они сообщили

практически одновременно, в 1888 г. Сущность открытия заключалась в

том, что если на статоре электрической машины под прямым углом друг к

другу расположить две катушки и питать их двумя синусоидальными

токами, сдвинутыми по фазе на четверть периода, то магнитное поле

внутри статора приходит во вращение (рис. 54).

Если амплитуды питающих токов одинаковы, то вращение

получается равномерным, и результирующее магнитное поле не

изменяется по величине. На возможность получения такого эффекта

еще в 1883 г. указывал

в своей работе французский инженер и ученый М. Депре.

На базе этого открытия в 1888–1889 гг. были построены первые

двухфазные асинхронные двигатели. Различие между работами

Теслы и Феррариса заключалось в том, что для получения нужного

угла сдвига фаз Феррарис использовал индуктивности и емкости, а

Тесла построил двухфазный синхронный генератор.

Рис. 54. Вращение магнитного поля в двухфазной машине

В этом генераторе (рис. 55, слева) между полюсами постоянного

магнита вращаются две взаимно перпендикулярные катушки, в которых

генерируются два тока, сдвинутые по фазе на 90°. Концы каждой

катушки выводятся на кольца, расположенные на валу генератора (на

чертеже для ясности эти кольца имеют разные диаметры). Справа на

рис. 55 показан асинхронный двигатель. Его ротор имеет обмотку в виде

двух катушек, расположенных под прямым углом.

В 1888 г. с работами Теслы

познакомился русский инженер

М.О. Доливо-

Добровольский. Он

продолжил работы Теслы, но стал

применять сдвиг по фазе на

120

градусов в трех обмотках и

получил вращающееся магнитное

поле в

трехфазной системе. На

возможность применения

трехфазных токов указывал

раньше и Тесла, но он считал, что

двухфазная система экономичнее,

так как требует применения

четырех проводов, а трехфазная –

шести. Но Доливо-

Добровольский

показал, что, применяя связ

анную

трехфазную систему и соединяя

обмотки звездой или

треугольником, можно обойтись

тремя проводами.

В 1889 г. Доливо-

Добровольский разработал

первый трехфазный асинхронный

двигатель, причем сделал его

обмотки не сосредоточенными, а

распределенными, что

позволило

получить более равномерное

вращение магнитного поля в

зазоре.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое «магнетизм вращения» Араго?

2. С помощью какого прибора демонстрировал вращающееся

магнитное поле У. Бейли?

3. В чем сущность открытия, сделанного Н. Теслой и Г. Феррарисом?

4. Кто является создателем первых трехфазных электрических

машин?

12. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ОСВЕЩЕНИЯ

12.1. Лампы накаливания

Самой ранней по времени известной лампой накаливания была

лампа, построенная англичанином Деларю в первой четверти XIX в.

(рис. 56).

Нитью накаливания служила

платиновая спираль,

помещенная в стеклянную

цилиндрическую трубку, из

которой частично откачивался

воздух. Платина была выбрана

из-

за ее стойкости к окислению

при высокой темпера

туре.

Однако из-

за большой

стоимости платины лампа

получалась довольно дорогой.

Никаких технических

характеристик этой лампы до

нашего времени не дошло.

В 1838

г. бельгиец Жобар

для нити накаливания

предложил использовать более

дешевый материал –

угольные

стерженьки. Они размещались в

разреженном пространстве.

Лампа Жобара имела крайне

ограниченный срок службы и

распространения не получила.

В 1840 г. англичанин В. Грове, изобретатель одного из гальванических

элементов, носящих его имя, проводил опыты по накаливанию

платиновой спирали в атмосфере различных газов. Спираль

располагалась внутри перевернутого стакана, стоящего в чашке с водой

(рис. 57). Полость внутри стакана, отделяемая от атмосферного воздуха

слоем воды, заполнялась поочередно различными газами – азотом,

углекислым газом, водородом. Спираль оставалась в накаленном

состоянии в течение нескольких часов, что многократно превосходило

характеристики лампы Жобара.

В 1854 г. немецкий изобретатель Г. Гебель построил вакуумную лампу

накаливания с угольной нитью (рис. 58). Материалом служило

обугленное бамбуковое волокно. Токопроводящие проводники в этой

лампе изготавливались из меди или платины и пропускались сквозь

стекло. Лампа Гебеля могла гореть много часов подряд.

В 1860 г. англичанин Дж. Сван применил для нити накаливания

обугленные полоски толстой бумаги или картона в вакууме.

Представляет интерес электрический фонарь русского военного

инженера В. Г. Сергеева, изготовленный в середине 60-х гг. (рис. 59).

Фонарь состоял из двух медных цилиндрических стаканов разного

диаметра 1 и 2, расположенных один внутри другого. Платиновая спираль

5 находилась в фокусе вогнутого зеркала 4, опирающегося на деревянную

прокладку 3. Внутренний стакан закрывался стеклянной пластиной 6, а для

усиления светового потока применялась плосковыпуклая линза 7.

Осветительный прибор Сергеева применялся в русской армии для

освещения минных галерей.

Все перечисленные осветительные приборы получали электрическую

энергию от гальванических элементов; других источников электрической

энергии не было. Для создания мощных осветительных установок

необходимо было сооружать громоздкие батареи. Этим путем проблему

массового освещения решить было невозможно. Только после

изобретения электромашинных генераторов появилась реальная

возможность решения этой задачи.

Рис. 58. Лампа накаливания Гебеля

Рис. 59. Электрический фонарь Сергеева

Рис. 57. Опытная

установка Грове

Кроме того, до 70-х гг. XIX в. лампы накаливания не могли получить

сколько-нибудь заметного применения из-за их несовершенства. Они были

крайне недолговечными и давали мало света. Основными проблемами

при разработке электрических источников света были отыскание

подходящего материала для нити накаливания и газового состава

атмосферы в баллоне лампы. Эти два фактора должны были обеспечить

долговечность лампы и значительный световой поток. Исследования в

этих двух направлениях продолжались несколько десятилетий. Были

испытаны разные конструкции, испробованы различные материалы для

нити накаливания – платина, иридий, графит, вольфрам, различное

газовое наполнение лампы. Только в последней четверти XIX в. удалось

найти удовлетворительное решение этой задачи.

В 60–70-х гг. XIX в. проблемой электрического освещения занимались

такие известные изобретатели, как русский инженер А.Н. Лодыгин,

американцы Х. Максим и Т. Эдисон, англичанин Д. Сван. Разработки

этого периода характеризовались значительным удлинением срока

службы источников света, повышением их надежности и увеличением

светоотдачи.

Первые лампы накаливания Лодыгина в качестве тела накала имели

тонкие стержни из ретортного угля, помещенные в стеклянный шар или

цилиндр. Вначале Лодыгин не удалял воздух из колбы. После некоторого

времени работы лампы кислород выгорал, и дальнейший накал

происходил в атмосфере оставшихся инертных газов. За период с 1873

по 1875 гг. Лодыгиным и его сотрудниками было создано несколько

конструкций ламп накаливания. В 1873 г. Лодыгин демонстрировал опыты

освещения Петербургских улиц.

В 1874 г. Российская академия наук наградила Лодыгина за его

открытия Ломоносовской премией. В том же году Лодыгин получил

русскую привилегию на лампу накаливания, а вскоре им были получены

патенты в Великобритании, Франции, Швеции. В конце XIX в. он

сконструировал ряд ламп накаливания с металлическими нитями. На

Парижской всемирной выставке 1900 г. демонстрировалась его лампа

накаливания с вольфрамовой нитью. На рис. 60 показана лампа

накаливания Лодыгина с автоматической заменой перегоревшей нити. В

лампе на горизонтальной подставке крепилось несколько вертикальных

стерженьков разной длины. После перегорания самого длинного

контактная пластинка опускалась на следующий, более короткий, затем

на следующий и т. д.

Большой вклад в развитие электрического освещения внес

американский изобретатель и предприниматель Т.А. Эдисон. В 1879 г.

после нескольких лет напряженной работы ему удалось получить

удачную конструкцию вакуумной лампы с угольной нитью (рис. 61). Лампа

оказалась довольно экономичной и долговечной. Время ее работы

составляло несколько сотен часов. Кроме того, Эдисон изобрел винтовые

ламповый цоколь и патрон, поворотный выключатель, штепсельные

соединения, предохранители с плавкими вставками, многоламповые

светильники, т. е. разработал практически всю современную систему

электрического освещения.

Рис. 60. Ламп

а накаливания

Лодыгина с автоматической

заменой перегоревшей нити

Рис. 61. Лампа Эдисона

с винтовыми патроном

и цоколем и выключателем

12.2. Дуговое освещение

При разработке конструкций дуговых ламп наиболее сложной

проблемой являлось поддержание постоянным расстояния между

электродами в процессе горения дуги.

Впервые электрическую дугу как

источник света применил в 1844

г.

французский физик Ж.

Фуко для освещения

предметного стекла в микроскопе. Его

лампа имела ручное регулирование с

помощью винт

а. Такая система была крайне

ненадежной и неудобной в эксплуатации,

так как таким способом было очень трудно

поддерживать устойчивое горение дуги

продолжительное время.

Неудачными оказались и попытки

применения часовых механизмов из-

за

практической невозмо

жности совмещения

скорости хода часов и скорости горения

дуги. Эти трудности привели к

необходимости разработки

электромагнитных (электромеханических)

регуляторов длины дуги, которые стали

основными и наиболее важными узлами

дуговых ламп. Одной из первых л

амп с

таким регулятором стала лампа,

построенная в 1846

г. французом Аршро

(рис.

62). Лампа применялась в опытах

электрического освещения в Петербурге, но

широкого распространения не получила.

В зависимости от электрической схемы

регуляторы могут быть разд

елены на три

группы: регуляторы с последовательным

питанием, с параллельным питанием и

дифференциальные.

На рис.

63 показана схема регулятора с

последовательным питанием. Такое

название обусловлено тем, что катушка

электромагнита включается

последовательно с дугой.

Регулятор изготавливается так, что

верхний угледержатель вместе с

электродом имеет вес P

больший, чем вес

сердечника электромагнита P

. При

отсутствии тока сила тяги электромагнита

равна нулю, правое плечо коромысла

опущено, и угли соприкасают

ся. Цепь между

электродами замкнута, дуги нет. При

подключении цепи к источнику начинает

протекать электрический ток, сердечник

втягивается в катушку, левое плечо

коромысла опускается, верхний электрод

отрывается от нижнего, между углями

появляется разрыв,

возникает

электрическая дуга. Втягивание сердечника

продолжается до тех пор, пока сила тяги

электромагнита вместе с весом сердечника

не станут равными весу угледержателя.

Рис. 63. Регулятор с последовательным питанием

В процессе горения дуги угли обгорают и укорачиваются, дуга

удлиняется, ее сопротивление увеличивается, ток в цепи и сила тяги

электромагнита уменьшаются. Равновесие сил нарушается: суммарная

сила, действующая на левое плечо коромысла, становится меньше веса

угледержателя, сердечник выходит из катушки вверх, угли сближаются,

сопротивление дуги уменьшается, и ток достигает прежней величины.

В регуляторах с параллельным

питанием катушка включается параллельно

с дугой. В дифференциальном регуляторе

горение дуги регулируется совмест

ным

действием последовательной и

параллельной схем. Положение углей

определяется разностью действий этих

двух схем. Отсюда и название регулятора.

Наиболее совершенные

дифференциальные регуляторы были

построены русским инженером

В.Н. Чиколевым в 1869–

1879 гг. Один из

первых его регуляторов показан на рис.

64.

В схеме регулятора имеется два

электромагнита 3 и 4. Обмотка первого

электромагнита включается

последовательно с дугой 6, обмотка второго

–

параллельно. Сердечники