создание  экономичных конструктивных источников электричества – генераторов, электродвигателей, трансформаторов, фабрик электричества (электростанций), электрических линий  передач (ЛЭП), подстанций, распределительных  устройств;

     прокладка проводников, кабелей, их защита;

     изоляция  токоведущих проводов, частей устройств;

     методы  расчета электросетей, их защита от коротких замыканий;

     другие  вопросы, которые решались и решаются учеными, инженерами, практиками, изобретателями.

Электродвигатели, электрогенераторы, трансформаторы

 

Открытия и исследования Д. Араго, Г. Эрстеда, А. Ампера, Г. Ома, М. Фарадея и других изобретателей  и ученых послужили толчком для  изобретательской фантазии инженеров, которые стали называться электриками. Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электрических машин.

В технике основными  устройствами, использующими явление  электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока, электродвигатели и трансформаторы. Рассмотрим их основное современное устройство и назначение, чтобы затем проследить исторические вехи разработки этих устройств и  указать их авторов.

Генератор. Состоит  из статора и ротора. Массивный  неподвижный статор представляет собой  полый стальной цилиндр, на внутренние стенки которого уложено большое  число витков метал-лического провода, покрытого изоляцией и ведущего электричество во внешнюю электрическую  цепь к потребителю.

Ротор представляет собой цилиндр с пазами для  проводов, являющийся большим подвижным  электромагнитом, установленным внутри статора.

Под действием паровой  турбины, гидротурбины, паровой машины или другого двигателя ротор  начинает вращаться, а в проводах статора, благодаря электромагнитной индукции, возникает электрический  ток.

Электродвигатель. В  электродвигателях происходит другое явление: электрический ток, протекая через провода статора, заставляет ротор вращаться. С помощью механических приспособлений движение ротора можно  передать ленте трансмиссии, станку, эскалатору

метро и другим механизмам.

Трансформатор. Состоит  из магнитного сердечника и двух или  более катушек, которые имеют  разное число витков. Если подвести переменный электрический ток к  катушке с большим числом витков - ток большего напряжения, то со стороны  катушки с меньшим числом витков можно снять больший ток, но меньшего напряжения.

Создание электрических  генераторов, электродвигателей, трансформаторов  требовало изучения свойств материалов: неметаллических, металлических и  магнитных, создания их теории.

Первыми в этом направлении  были работы профессора Московского  Университета Александра Григорьевича Столетова (1839-1896). В 80-х гг. им была обнаружена петля гистерезиса и доменная структура у ферромагнитных материалов.

Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей. В 1895 г. Пьер Кюри обнаружил существование  у ферромагнетиков критической  температуры, выше которой происходит исчезновение доменной структуры и потеря ферромагнетизма - точки Кюри.

Применение электричества  для связи, освещения, двигательной силы потребовало создания электроизмерительных приборов, Системы единиц измерения.

К 80-м гг. появились  гальванометры, амперметры, вольтметры, магазины сопротивления, а начало созданию электроизмерительных приборов положили М.В. Ломоносов, Г.В. Рихман, Б. Франклин еще в XVIII в.

В 1881 г. в Париже собрался первый Международный конгресс электриков. Было принято постановление о  разработке единой системы единиц. В группу разработчиков входили: Г. Гельмгольц, Г. Кирхгоф, У. Томсон, Р. Клаузиус, А.Г. Столетов и др.

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.

                       Электродвигатель постоянного тока

 

Электродвигатель  постоянного тока:

1 — коллектор, 2 — щетки, 3 — якорь, 4 — главный  полюс, 5 — катушка обмотки возбуждения, 6 — корпус, 7 — подшипниковый  щит, 8 — вентилятор, 9 — обмотка  якоря 

Устройство и  принцип работы двигателя постоянного  тока. Двигатель постоянного тока (рис. 69) также состоит из двух основных частей: неподвижного корпуса (станины) и вращающегося якоря с коллектором. На станине укреплены главные  полюсы с обмоткой возбуждения и  дополнительные полюсы. Главные полюсы создают основной магнитный поток, замыкающийся через якорь. Дополнительные полюсы служат для уменьшения искрения на коллекторе, вызываемого электромагнитными  процессами в якоре при коммутации.

Режим работы электродвигателей. Допустимые нагрузки электродвигателя определяются его нагревом, а следовательно, зависят от режима работы. Различают  три режима работы: длительный, кратковременный  и повторно-кратковременный.

Принцип работы электродвигателя

 

В основе конструкции  электродвигателя лежит эффект, который  обнаружил Майкл Фарадей в 1821 году: что взаимодействие электрического тока и магнитного поля может вызывать непрерывное вращение. Один из первых двигателей, нашедших практическое применение, был двигатель Б. С. Якоби (1801 –1874), приводивший в движение катер  с 12 пассажирами на борту. Но для широкого использования электродвигателя необходим был источник дешевой электроэнергии , на то время токового небыло.

 Принцип работы  электродвигателя очень прост:  вращение вызывается силами магнитного  притяжения и отталкивания, действующими  между полюсами подвижного электромагнита (ротора) и соответствующими полюсами  внешнего магнитного поля, создаваемого  неподвижным электромагнитом (или  постоянным магнитом) — статором. Сложность заключается в том,  чтобы добиться непрерывного  вращения электродвигателя. А для  этого надо сделать так, чтобы  полюс подвижного электромагнита, притянувшись к противоположному  полюсу статора, автоматически  менялся на противоположный —  тогда ротор не замрет на  месте, а повернется дальше  — по инерции и под действием  возникшего в этот момент отталкивания.

Для автоматического  переключения полюсов ротора служит коллектор. Коллектор представляет собой пару закрепленных на валу ротора пластин, к которым подключены обмотки  ротора. Ток на эти пластины подается через токоснимающие контакты (щетки). При повороте ротора на 180° пластины меняются местами — это автоматически  меняет направление тока и, следовательно, полюсы подвижного электромагнита. Так  как одноименные полюсы взаимно  отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюсы притягиваются  к соответствующим полюсам на другой стороне магнита.

Вращающаяся часть  электродвигателя называется ротором (или якорем), а неподвижная - статором. В простом электродвигателе постоянного  тока блок катушки служит ротором, а постоянный магнит - статором.

В некоторых  электродвигателях для создания магнитного поля вместо постоянного  магнита служит электромагнит. Витки  проволоки такого электромагнита называются обмоткой возбуждения

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.