История развития электроэнергетики и электромеханики в россии

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

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 открыл явление электромагнитного вращения: медный, а не магнитный диск вращался вслед за вращением магнита. В 1825 г. Вильям Стерджен изобрел магнит с железным сердечником, что дало возможность получения более сильных магнитных полей. Опубликованный в 1831 г. Фарадеем принцип электромагнитной индукции позволил объяснить поведение диска Араго.
В 1833 г. академик Э.Х.Ленц сформулировал закон, который доказывал идентичность явлений, происходящих в двигателе и в генераторе, а в 1838 г. показал это экспериментально. Такие же выводы в 1847 г. сделал Б.С.Якоби, но до 60-х гг. XIX века конструирование и создание генераторов и двигателей шло как бы параллельно, причем преобладало создание генераторов для целей освещения. В 1834 г. Б.С.Якоби построил электрический двигатель вращательного движения, а в 1842 г. – первый в России электрический генератор с постоянными магнитами. В этот период 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. В докладе Сименса Берлинской академии наук были такие слова: «Однако того малого количества магнетизма, которое остается даже в самом мягком железе, достаточно, чтобы при возобновлении вращения снова получить в замкнутой цепи непрерывное возрастание тока. Следовательно, достаточно один раз пропустить ток в цепь обмотки неподвижного магнита, чтобы сделать прибор способным давать ток при каждом возобновлении вращения». Шунтовой генератор 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; в это же время благодаря трудам Карнелия Верлея, Чарльза Френсиса Бреша, Марселя Депре стали применяться и компаундные генераторы.
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 взял 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.
В области практического применения первоначально в период 1822–1834 гг. строились лишь макеты, показывающие возможность электромеханических преобразований. В 1834 г. Б.С.Якоби впервые создал электрический двигатель для применения в практических целях. Этот двигатель был использован для движения бота по Неве против течения. Применение гальванических батарей делало нерациональным использование электрических двигателей для практических целей. О нем стало возможным говорить лишь после изобретений Грамма.
К 1870 г., когда был осознан принцип обратимости электрических машин, происходит слияние путей развития и конструирования генераторов и двигателей и их совершенствование:
в 1873 г. главный инженер фирмы Сименс Фридрих Гефнер-Альтенек (1845–1904) предложил и внедрил в практику однослойные барабанные обмотки;
в 1880 г. американец, конструктор пулемета Хайрем Максим (1840–1916) предложил зубчатый якорь с вентиляционными каналами;
в 1882 г. Вестон конструирует и внедряет двухслойную обмотку для двухполюсной машины;
в 1883 г. изобретена простая барабанная обмотка многополюсных машин (Мерон и Конод);
в 1883 г. изобретены уравнительные соединения обмотки (Мордей);
в 1884 г. Менгес изобретает дополнительные полюса и компенсационную обмотку;
в 1886 г. братья Джон и Эдвард Гопкинсон обосновали метод расчета магнитных цепей электрической машины, распространив закон Ома на магнитные цепи. Это год зарождения научной теории электрических машин постоянного тока;
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. Так, машина постоянного тока мощностью 5000 кВт при номинальной скорости 500 об/мин имеет массу 35 т, а машина 4600 кВт при номинальной скорости 70 об/мин – 122 т;
в 1899 г. Энгельберт Арнольд и Густав Мие разработали теорию коммутации для машин постоянного тока.
После этих изобретений процесс шел по пути углубления теории и методов расчета электрических машин постоянного тока, развития методов их исследования, улучшения качества применяемых материалов, повышения единичной мощности до 5-6 тыс. кВт, снижения удельной материалоемкости. Надо сказать, что на ход этого развития существенное влияние оказывали многие экономические и даже политические факторы. Так, в Германии, ведущей в те годы стране в области электромашиностроения, таможенные пошлины определялись по весу электрической машины. В целях снижения веса часто шли на ухудшение КПД, а иногда и надежности машины. В настоящее время при проектировании электрических машин учитывается общий эффект, чтобы сократить суммарные расходы не только на производство машины, но и на генерирование, передачу и распределение энергии.