История энергетики

Александр Николаевич Лодыгин (1847-1923), в 1872 г. предложил вместо   угольных электродов в свече Яблочкова использовать нить накаливания (сначала уголь  ную, а затем из тугоплавкого металла), которая при протекании электрического тока ярко   светилась. Это было безопасное для людей, яркое и дешевое освещение посредством электричества.

А.Н. Лодыгин писал, что  электрический свет должен быть единственным искусственным светом как по своей  силе и ровности, так и по безопасности и дешевизне.

Список изобретений А.Н. Лодыгина очень велик. В него входят электрические индукционные печи и  печи сопротивления, сварочные аппараты, аккумуляторы, электрические приборы, извлечение из руд талюминия и других металлов, электровертолет, скафандр и многое, многое другое.

Дмитрий Александрович Лачинов (1842-1902) изобрел много различных  приборов: регулятор напряжения, оптический динамо-метр, способ центробежной отливки рефлекторов. В 1880 г. Д.А. Лачинов написал книгу “Электромеханическая работа”, которая содержала исследование работы электрических машин; в ней было приведено математическое доказательство, что на большие расстояния может передаваться любое количество электроэнергии путем увеличения электрического напряжения.

Вопрос передачи электрической  энергии по проводам на большие расстояния поставил впервые в 1760 году М.В. Ломоносов; Д.А. Лачинов и М. Депре провели теоретические разработки электропередачи; Ф.А. Пироцкий и Фонтен впервые осуществили передачу с помощью изолированных проводов и используя обычные рельсовые пути.

Томас Эдисон (1847-1931), талантливый американский инженер-электротехник, изобретатель, который свои идеи и идеи других быстро претворял в жизнь. Им была усовершенствована лампа накаливания Лодыгина (откачал из баллона лампочки воздух, придумал цоколь с винтовой нарезкой и т. п.); заводы Эдисона стали выпускать лампы накаливания миллионами штук во всем мире.

Александр Ильич Шпаковский (1823-1881) создает в 70-х годах XIX в. дуговую лампу с электромагнитным и механическим регулированием, а в 1864 году создает первый автоматический регулятор давления пара прямого действия.

Владимир Николаевич Чиколев (1845-1898), создает регулятор для стабилизации горения электрической дуги. Он же применил систему дробления света дуги, раздробив свет дуговой лампы в 3000 свечей на 60 источников света с помощью системы линз, зеркал и трубок с отражающими внутренними стенками – световодами. С помощью такого устройства был освещен Охтинский пороховой завод. В.Н.Чиколев усовершенствовал прожекторы, применив кольцеобразные стекла и зеркала. Он является основоположиком отечественной светотехники, применения фотографии для определения скорости полета снарядов и многого другого. Принимал активное участие в создании первых электростанций.

Николай Николаевич Бенардос (1842-1905) применил электрическую дугу для сварки металлических листов, резки металлов, отверстий. Разработал технологии сварки в среде защитных газов и точечной сварки.

Николай Гаврилович Славянов (1854-1897), создал конструкции электрических машин и аппаратов, динамомашин и регуляторов электрической дуги. Использовал электрод и как средство для создания электрической дуги, и как носитель металла для создания шва при сваривании листов или деталей. Он же применил электроподогрев металлических отливок для равномерного остывания по всему объему.

Н.Н.Бенардос и Н.Г.Славянов использовали открытие В.В.Петрова по плавлению и свариванию металлов в электрической дуге. Один из первых русских профессоров электротехники Михаил Андреевич Шателен писал:  «Первая половина XIX в. была особенно богата результатами изучения электрического тока: была открыта электрическая дуга (В.В. Петров), были открыты термоэлектрические явления (Т. Зеебек, Ж. Пельтье); найден закон тепловых действий тока (закон Джоуля-Ленца), были определены законы химического действия тока (законы М. Фарадея), были установлены законы Г.Ома и Г. Кирхгофа, внесшие большую ясность в понимание явлений тока; были обнаружены свойства тока намагничивать железо и действовать на магниты; были найдены законы взаимодействия токов между собой и тока с магнитами; были открыты законы электромагнитной индукции».

С открытием вольтова столба ток стали применять для различных  практических целей: для освещения, для нагрева, для разложения сложных  химических веществ, для металлических  покрытий и получения металлических  оттисков (гальванопластика академика  Б.С. Якоби), для целей связи (П.Л. Шиллинг, Б.С. Якоби), для двигателей (Э.Х. Ленц, Б.С. Якоби) и др.

Со временем вольтов появились  другие источники электричества: гальванические, термоэлементы, динамо-машины, электрогенераторы.

Кроме постоянного тока появился однофазный переменный ток, получавшийся от электромагнитных генераторов, а  позже – и трех-фазный ток (М.О. Доливо-Добровольский).

По мере развития электроэнергетики, внедрения ее в промышленность, транспорт, быт возникла потребность накопления электроэнергии. В.В. Петров в начале XIX в. создает предпосылки для создания аккумуляторов, проводит эксперименты.

Г. Планте создает свинцовый аккумулятор в 1859 г. К. Фор конструирует свинцово-кислотный аккумулятор в 1880 г. А.Н. Лодыгин разрабатывает теорию аккумулирования электричества для проектируемого электровертолета.

В 1886 г. М. Депре создает буферную аккумуляторную батарею.

В 1984 г. были созданы серно-натриевые  аккумуляторы, намного превышающие  по технико-экономическим показателям  свинцовокислотные.

 

Электродвигатели.

История создания двигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин.

Впервые двигатель назвал машиной римский зодчий Марк Полион (1 в. до н. э.).

Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение  и применение электродвигателей. 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 электродвигателя –  сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений. Проследим этапы  развития электродвигателей.

I этап. Начальный период развития электродвигателя (1821-1834гг.). Он тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 г. М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током  и магнитом, показал, что электрический  ток вызывает вращение проводника вокруг магнита, или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея показал  принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Многие исследователи  предлагали различные конструкции электродвигателей.

Первые электродвигатели напоминали по устройству паровые машины: двигатель Дж. Генри (1832 г.) и двигатель  У. Пейджема (1864 г.) имели коромысла, кривошип, шатун, а также золотники (переключатели тока в солено-идах, заменявших собой цилиндр).

П. Барлоу предложил «колесо Барлоу». Оно состояло из постоянного магнита и зубчатых колес, скользящий контакт осуществлялся с помощью ртути, а питалось колесо от гальванического элемента.

Дж. Генри предложил в 1832 г. модель двигателя с возвратнопоступательным движением: подвижный электромагнит поочередно притягивался к постоянным магнитам и отталкивался от них, замыкая и размыкая батареи гальванических элементов. Он совершал 75 качаний в минуту.

Было еще много попыток  создания двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить двигатель с вращательным движением якоря.

II этап. Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) характеризуется конструкциями с вращательным движением явнополюсного якоря. Однако вращательный момент на валу у таких двигателей обычно был резко пульсирующим.

В 1834 г. Б.С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель  постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 г. этот двигатель (0,5 кВт) был испытан  на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами (рис. 37), т. е. получил первое практическое применение.

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.

III этап. Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан сразработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практическипостоянным вращающим моментом.

На этом этапе нужно  отметить электродвигатель итальянца  А. Пачинотти (1860 г.). 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 явнополюсный якорь был заменен неявнополюсным.

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.

Третий 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.

По роду тока электродвигатели стали делиться на машины переменного  и постоянного тока; по принципу действия машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, малой стоимостью, надежностью в работе. Они являются самым распространенным видом двигателей.

Электрогенераторы

Прототип генератора электрического тока, основанный на принципе электромагнитной индукции, был сконструирован Фарадеем в 1831 г. Он состоял из медного диска, вращающегося вручную между полюсами постоянного магнита. При этом в  диске индуцировалась электродвижущая  сила (ЭДС); полюсами служили ось  диска и неподвижная щетка, имеющая  скользящий контакт с краем диска.

После этого были предложены различные конструкции электромагнитных генераторов. Магнито-электрические машины были изготовлены многими изобретателями: У. Риччи, И. Пикси, Ю. Кларком и др., но все они были трудно применимы для практического использования.

По заказу А.М. Ампера в 1832 г. И. Пикси (1808-1835) изготовил первый электрический генератор с коммутатором для получения постоянного тока. Он приводился в движение вручную.

В 1842 г. Д.С. Вулрич изготовил мощный генератор постоянного тока, соединив его ременной передачей с паровой машиной. Такой генератор использовали для питания гальванических ванн.

1842 год считается годом  рождения электроснабжения предприятий.

В 1856-1866 годах появилась  идея самовозбуждения электрогенератора (без гальванического элемента). Многие исследователи, инженеры независимо друг от друга, раньше или позже пришли к этому: венгр А. Йедлик (1800-1895); немец Э.В. Сименс (1816-1892); англичане Г. Уайлд (1833-1919), С.А. Варли; американец М.Г. Фармер (1820-1893); датчанин С. Хьерт (1802-1870) и др.

Промышленное освоение электрогенераторов началось после 1870 г., когда француз  З. Грамм создал генератор с кольцевым  ротором, тороидальной обмоткой и коллектором почти современной конструкции. А. Пачинотти (1841-1912) на 10 лет раньше построил подобный электродвигатель.

В 1880 г. американец Т. Эдисон  предложил делать магнитопровод якоря электрогенератора наборным из изолированных стальных листов. Это уменьшило потери и реакцию якоря.

В 1884 г. была предложена компенсационная  обмотка, а в 1885 г. дополнительные полюса для уменьшения реакции якоря и улучшения коммутации.

Создание электрогенераторов и электродвигателей на постоянном токе решало многие вопросы существующей в то время энергетики, но передача энергии на дальние расстояния оказалась затруднительной.

В 1876 г. П.Н.Яблочков создал дуговые  лампы, которые гораздо эффективнее  работали на переменном токе. Для питания  нескольких дуговых ламп от одного источника Яблочков использовал  индукционные катушки с ответвлениями  – прообраз трансформатора или простейший трансформатор с разомкнутым  сердечником.