Історична роль інженерної діяльності у створенні техніки генерації і використовування електроенергії

Зміст

Вступ

1. Створення електричного освітлення

2. Розвиток генераторів і електродвигунів

3. Розв’язання проблеми передачі електроенергії на відстань

4. Технічний прогрес в теплоенергетиці

5. Зростання вживання електрики

6. Підвищення економічності електростанцій

7. Електричні мережі і системи

8. Електрична тяга

9. Вдосконалення електроприводу і упровадження електроенергії в технологічні процеси виробництва Висновок Література

Вступ

Тема реферату «Історична роль інженерної діяльності у створенні техніки генерації і використовування електроенергії» з дисципліни «Історія інженерної діяльності».

Мета роботи — розкрити питання які виникали з самого початку утворення та розвитку техніки генерації, освітити створення електричного освітлення, розвиток генераторів та вирішення проблем передачі електроенергії на відстань та розвиток технічного прогресу у теплоенергетиці, завдання по підвищенню економічності електростанцій тощо.

Характерною особливістю техніки даного періоду є підвищення ролі електрики. В енергетиці були зроблені найбільші винаходи, що забезпечили колосальний технічний прогрес XX ст. Новий вид енергії - електрика — і новий тип універсального теплового двигуна — парова турбіна — ось найголовніші досягнення енергетики, які революціонізували, й надали, вплив на всю техніку цієї епохи.

У 70−80-е роки XIX ст. були зроблені крупні наукові узагальнення в області вивчення електрики і магнетизму. Експериментальні дані, накопичені при дослідженні електрики і магнетизму в першій половині XIX ст. (досліди Фарадея і ін.), дали матеріал для створення електромагнітної теорії Максвела, яка і стала основою розвитку електротехніки в кінці XIX — початку XX ст. В цей час починається інтенсивна розробка теоретичних питань електротехніки, пов’язаних з практичним вживанням електроенергії у самих різних галузях капіталістичного виробництва.

У першу чергу інженерна думка звернулася до питання про джерела електроенергії - до генераторів, оскільки без раціонального джерела електричного струму, здатного виробляти струми необхідної потужності і частоти, було неможливо здійснити упровадження електроенергії в промислове виробництво. Найістотнішим досягненням був винахід інженерів Грама, Гефнер-Альтенека, Фонтена і ін. електромагнітного генератора з самозбудженням і кільцевим якорем.

У ході робіт над удосконаленням електричного освітлення були зроблено багато важливих відкриттів і винаходів. Була розроблена схема дроблення «електричного світла», був винайдений трансформатор, був вперше застосований перемінний струм і т.д. Ці новини сприяли практичному вирішенню питання про централізоване виробництво електроенергії і передачу її до віддалених місць споживання.

Проблема передачі електроенергії на дальні відстані розроблялася в основному в 80-х роках XIX ст. В ході численних експериментів російський учений Лачинов і француз Депре, підвищивши напруги струму в лінії передач, намітили правильний шлях до вирішення цієї проблеми.

У кінці XIX ст. проблема передачі електроенергії на великі відстані в основному була розв’язана. Технічним засобом, що дозволив вирішити її, з’явилося вживання перемінного струму, спочатку однофазного, потім двофазного і, нарешті, трифазного, передача якого виявилася найвигіднішою і зручною. Система трифазного струму була запропонована російським інженером М.О. Доліво-Добровольським.

Вирішення проблеми передач електроенергії на великі відстані звільнило промисловість від місцевих енергетичних умов, що її сковували. Електрична енергія з початку ХХ ст. міцно увійшла до промислового виробництва, спочатку у вигляді групового, а потім індивідуального електроприводу, який і здійснив реконструкцію всього силового господарства машинної індустрії ХХ ст.

1. Створення електричного освітлення

електричний теплоенергетика електростанція З 70-х років XIX ст. вельми швидко розвивається техніка електричного освітлення. Після винаходу електромагнітного телеграфу створення електричного освітлення було другим кроком по шляху практичного вживання електрики.

Перші спроби вживання електроенергії для освітлення відносяться ще до початку XIX ст. Академік В. В. Петров, спостерігаючий в 1802 р. явища електричної дуги, вперше вказав на можливість її широкого використовування для освітлення. Явище електричної дуги, що світиться, досліджував в 1812 р. англійський учений Деві, який також виказав думку про можливість електричного освітлення.

Створення джерела світла, діючого за принципом розжарювання провідника струмом, тобто лампи розжарювання, з’явилося першим кроком по дорозі практичною вживання електрики для потреб освітлення. Найраніша за часом лампа розжарювання була створена французьким вченим Деларю в 1820 р. Вона була циліндровою трубкою з двома кінцевими затисками для підведення струму, в ній розжарювалася платинова спіраль. Проте лампа Деларю не одержала практичного вживання. Але спроби створення ламп розжарювання не припинялися.

Особливе місце в області удосконалення ламп розжарювання займають роботи російського винахідника А.Н.Лодигіна (1847−1923). В 1873 р. А.Н. Лодигін застосував електрику для освітлення вулиці в Петербурзі. Від всіх попередніх ламп розжарювання лампи Лодигіна відрізнялися тим, що в них як тіло напруження застосовувалися тонкі стрижні з реторного вугілля, які були поміщені в скляну кулю або в циліндр. На початку Лодигін не видаляв повітря з внутрішнього простору колби, але потім, в процесі вдосконалення своїх ламп, він став викачувати повітря з них. Протягом 1873−1875 рр. Лодигиним і його помічниками було створено декілька конструкцій ламп розжарювання. Лампи Лодигина були найранішими за часом освітлювальними установками, цілком придатними для освітлення вулиць, приміщень суспільного користування, кораблів і т.п.

Видатний американський технік-винахідник Т. Едисон (1847−1931), ознайомившись з пристроєм ламп Лодигіна, також зайнявся їх удосконаленням. Після декількох років напруженої роботи в 1879 р. Едісону вдалося одержати достатньо хорошу конструкцію лампи розжарювання вакуумного типу з вугільною ниткою. В 1876 р. російський винахідник П. Н. Яблочков (1847−1896) запропонував так звану «електричну свічку» — дугове джерело світла без регулятора, що застосовувався раніше. Яблочков під час одного з дослідів встановив, що дугова лампа може діяти і без регулятора, якщо вугілля поставити паралельно, а не на одній прямій лінії, як це раніше робилося. На цьому принципі і була заснована «свічка» Яблочкова, що є двома вугільними стрижнями, розділеними прошарком якого-небудь вогнетривкого ізолюючого матеріалу, наприклад каоліну, гіпсу і т.п., що випаровується під дією електричної дуги. Вугілля в «свічці» Яблочкова приєднувалося до затисків джерела струму, в результаті між ними утворювалася дуга. «Свічка» Яблочкова горіла всього близько дві години. Але для свого часу вона була найзручнішим і доступнішим джерелом світла для широкого кола споживачів.

Одночасно з електричним освітленням була розв’язана проблема вживання електроенергії в силовому апараті промисловості. В 1869 р. 3. Грам (1826−1901), бельгієць за походженням, працюючий у Франції, одержав патент на генератор нового типа, в якому винахідник успішно застосував принцип самозбудження разом з вельми вдалим конструктивним рішенням кільцевого якоря.

2. Розвиток генераторів і електродвигунів

Цей недолік був усунений за допомогою винаходу німецького електротехніка Гефнер Альтенека (1872 р.), який помістив обмотку генератора на зовнішній поверхні залізного циліндра, внаслідок чого було досягнуте максимальне використовування рухомих в магнітному полі провідників. Винахід Гефнер-Альтенека є одним з найважливіших етапів в історії генераторів. Із створенням електромагнітного генератора була розв’язана проблема генерації, або виробництва електричної енергії. Це було найбільшим досягненням електротехніки.

Протягом 70−80-х років електрична машина постійного струму придбала всі основні риси сучасної машини. Подальші удосконалення були направлені головним чином на підвищення якості і поліпшення використовування динамо машин.

3. Розв’язання проблеми передачі електроенергії на відстань

Після появи могутніх електромагнітних генераторів виникла проблема централізованого виробництва електроенергії, яке дозволило б використовувати її для обслуговування могутніх промислових підприємств. В кінці XIX ст. електродвигуни починають грати важливу роль у важкій промисловості. Електричні генератори виробляють електрику не тільки для перетворення її в світлову або теплову енергію, але головним чином для перетворення її в енергію механічну.

Використання електродвигунів дозволяло концентрувати виробництво електричної енергії на крупних електростанціях, що вело до значного здешевлення електроенергії.

З кінця 80-х років починають створюватися перші електростанції, тобто технічні споруди, призначені для виробництва електричної енергії. Електричні станції з'єднуються з споживачами, які вони обслуговують, та по яким відбувається розподіл і передача електричної енергії. Перша електростанція була створена в США Едісоном. Щоб забезпечити масове використовування електричного освітлення, Едісон реалізував в 1882 р. думку про створення централізованої електричної станції.

У зв’язку з будівництвом електричних станцій проблема передачі електроенергії на відстань придбала велике економічне значення. Передача електрики на відстань відкривала можливість створення крупних електростанцій в районах низькосортного палива, різко здешевлювала вартість електроенергії, що сприяло більш глибокому проникненню електрики в промисловість.

Перша електропередача, розрахована на нормальну експлуатацію, була здійснена для електричного освітлення в 1879 р. П. Н. Яблочковим. Проте подальший розвиток передачі електричної енергії на великі відстані затримувався у зв’язку з відсутністю теоретичного аналізу явищ, що відбуваються при цьому. І ось російський електротехнік Лачинов (1842−1902гг.) в 1880 р. опублікував свою працю «Електромеханічна робота», де дослідив роботу електричних машин і математично довів можливість шляхом збільшення напруги передачі будь-яких кількостей електроенергії на значні відстані без великих втрат. Ці дослідження мали величезне значення для розв’язування проблеми передачі електроенергії і для всього подальшого розвитку електротехніки.

Подібні ж теоретичні висновки були сформульовані французьким фізиком М. Депре, який підтвердив їх також і експерементальним шляхом. В 1881 р. на Першому Міжнародному конгресі електриків в Парижі Депре зробив повідомлення про передачу і розподіл електроенергії. Першу дослідну лінію електропередачі завдовжки в 57 км Депре побудував на Мюнхенській виставці в 1882 р. На цій лінії передавався по телеграфному дроту постійний струм напругою 1500−2000 вольт від генератора, що приводився в рух паровою машиною, до електродвигуна, сполученого з насосом. Проте ця електропередача працювала з перебоями і мала ще дуже низький коефіцієнт корисної дії (22%).

Упровадження передачі електроенергії на відстань довгий час гальмувалося самою природою постійного струму. Річ у тому, що постійний струм унаслідок низької напруги виявився мало придатним для передачі. Великими можливостями в цьому розумінні був змінний струм. Найважливішим етапом розвитку техніки передачі електроенергії був перехід від постійного струму до змінного. Проте відомі у той час електродвигуни змінного струму відрізнялися істотними недоліками, які часто робили їх непридатними для експлуатації. Перед винахідниками встала задача знайти можливість використовувати змінний струм і трансформатори змінного струму для передачі електроенергії на дальні відстані і живлення електродвигунів.

Перший крок в цьому напрямі був зроблений італійським фізиком і електротехніком Г. Феррарисом (1847−1897) в 1885—1888 рр., що запропонував застосувати систему двох змінних струмів, що різняться по фазі на 90 єС, названу згодом «двофазним» струмом. Ферраріс показав, що за допомогою двофазних струмів можна одержати усередині залізного кільця так зване магнітне поле, що «обертається».

Надалі цю ідею розробив і упровадив в практику відомий сербський учений, електротехнік Н. Тесла (1856−1943), який створив різні конструкції багатофазних, головним чином двофазних, електродвигунів. Найдоцільнішої в практичному відношенні Тесла рахував двофазну систему. По цій системі в 1896 р. була побудована перша крупна електрична станція двофазного струму — Ніагарська гідроелектростанція в США. Проте і двофазний струм не набув широкого поширення.

Винахід, який дозволив більш раціонально розв’язати проблему передачі енергії на дальні відстані, був зроблений російським інженером М.О. Доливо-Добровольским (1862−1919), який запропонував прийняти для електричної передачі енергії не двофазний змінний струм, а трифазний.

Як дослідним шляхом, так і теоретично Доліво-Добровольській довів, що за допомогою трифазного струму можна одержати таке ж магнітне поле, що обертається, яке одержували Ферраріс і Тесла за допомогою двофазного. Ґрунтуючись на цьому, Доліво-Добровольський і побудував свій двигун трифазного струму, що одержав надалі в електротехніці назва «асинхронного».

Асинхронні двигуни на відміну від синхронних приходять в обертання самостійно при включенні струму. Їх швидкість в певних межах може бути регульована. Для живлення асинхронні двигуни вимагають, як було вже сказано, всього трьох дротів, приєднаних до трьох кінців трьох обмоток статора, другі кінці яких з'єднуються певним чином між собою. Генератори трифазного струму по конструкції нічим не відрізняються від генераторів звичного однофазного змінного струму, за винятком того, що обмотка, в якій індукується електрорухома сила, розбивається не на дві, а на три групи — фази.

Винаходи Доліво-Добровольського знаменували початок нового періоду в електротехніці. Тільки після створення економічно вигідної і технічно нескладної системи трифазного струму, що розв’язала проблему передачі електроенергії на великі відстані, почалося широке упровадження електрики в промисловість.

Рішення проблеми передачі електроенергії на відстань, створення працездатних електричних двигунів, успіхи машинобудівної промисловості дозволили в кінці XIX ст. приступити до переводу міського транспорту на електротягу. В 1879 р. фірма «Сименс і Гальське» на промисловій виставці в Берліні побудувала першу дослідну електричну залізницю. Електроенергія для двигуна подавалася по третій рейці, а відводилася по їздовій рейці. Проте цей трамвай не був придатний в міських умовах.

Подальший розвиток міського господарства все більше і більше вимагало корінних змін в способах пересування в крупних містах. В результаті стали поступово будуватися трамвайні лінії. В 1881 р. поблизу Берліна була пущена перша трамвайна лінія протяжністю близько 2,5 км. Вже в 1895 р. в найбільших містах Європи і США конки замінюються трамваєм.

Завдяки електричній енергії стало можливим більш раціональне використовування природних джерел енергії. Електрична передача дала можливість використовувати дешеву гідравлічну енергію річок, застосовувати малоцінне паливо — малокалорійні сорти кам’яного вугілля, вугільний пил, торф і т.д. Електрична енергія в повному розумінні слова вчинила революцію в енергетиці і цим самим створила умови для нового колосального технічного прогресу.

4. Технічний прогрес в теплоенергетиці

Удосконалення і розвиток парового двигуна в кінці XIX ст. відбувалося під безпосереднім впливом електротехніки. 90-е роки XIX ст. характеризуються широким будівництвом електростанцій. Розвиток електроенергетики зажадав створення нового швидкохідного економічного двигуна.

У цей період в різних країнах з’являється цілий ряд конструкцій парових машин з числом оборотів від 200 до 500 в хвилину, призначених спеціально для потреб електростанцій, але як би не удосконалювалися парові машини, вони не могли цілком задовольнити вимоги, що пред’являються до них енергетикою. Більшість парових машин була малопотужною і могла застосовуватися лише на невеликих електростанціях. Крупні електростанції обслуговувалися в більшості випадків величезними паровими машинами з невеликим числом оборотів, що споживали колосальну кількість палива, що вельми здорожувало вартість електроенергії. Таким чином, з перших же кроків розвитку електротехніки виникла гостра потреба в спеціальному швидкохідному могутньому і економічному двигуні для електростанцій. Технічні передумови для створення нового теплового двигуна в кінці XIX ст. були в наявності. Техніка виробництва спеціальних сплавів і механічна обробка металів досягли високого рівня. Були вивчені властивості водяної пари і закони її витікання. Успішно розвивалося також вчення про опір матеріалів і теорія пружності. Винахід нового теплового двигуна — парової турбіни — з’явилося відповіддю на запити машинного виробництва.

З самого початку свого практичного вживання турбіна володіла рядом переваг в порівнянні з паровою машиною. Вона набагато простіше і зручніше здійснювала принцип безперервного обертального руху, ніж поршнева парова машина. Турбіна могла розвивати швидкість ходу майже до необмежених розмірів, що обчислювалися десятками тисяч оборотів в хвилину. Нарешті, потужність будь-якої турбіни набагато перевершувала потужність навіть найбільшої парової машини.

Ідея використовування кінетичної енергії пари для отримання обертального руху знайшла вперше своє втілення в кулі Герона, що крутиться. Цей прилад був прообразом реактивної парової турбіни. Іншою «машиною», що використовує кінетичну енергію пари для свого обертання, було відоме «колесо» італійського ученого Бранка (XVII ст.). Воно оберталося завдяки тому, що пара з котла витікала на лопаті горизонтального колеса з осередками. Цей пристрій був не чим іншим, як примітивною активною паровою турбіною.

Над створенням парової турбіни винахідники різних країн працювали тривалий час. З 1880 по 1890 р. в Англії було видано 52 патенти на парові турбіни, а з 1890 по 1900 р. — 186. Найвдаліші технічні рішення цієї проблеми дали швед К. Лаваль і англієць Ч. Парсонс.

Шведський інженер Карл Густав де Лаваль (1845−1921) походив із старовинної французької сім'ї, що емігрувала до Швеції в кінці XVI ст. під час переслідування гугенотів. Ідея парової турбіни виникла у Лаваля при роботі над сепаратором для молока. Оскільки парова машина не могла забезпечити велику швидкість обертання валу сепаратора (6−7 тис. об/мин), Лаваль, для того, щоб не застосовувати в сепараторі складних передач, прямо на осі сепаратора помістив реактивну турбіну найпростішого типу. Цей винахід був запатентований Лавалем в 1883 р.

У 1889 р. Лаваль створює нову, складнішу одноступінчату реактивну турбіну. Принцип дії турбіни Лаваля полягав в наступному: чотири труби, так звані парові сопла, підводили під гострим кутом пар до лопаток колеса, укріпленого на валу. Пара, що поступала в сопла під високим тиском з незначною швидкістю і покидала їх з великою швидкістю і при низькому тиску, текла по лопатках і виходила з протилежної сторони колеса. Його тиск на увігнуту сторону лопаток викликав обертання колеса і проводив механічну роботу. Турбіна Лаваля була найпростішою активною паровою турбіною, в якій струмінь пари з великою швидкістю прямував на лопатки колеса.

Турбіни Лаваля зіграли велику роль в історії турбобудування. При їх конструюванні було поставлено і розв’язано багато основних питань турбобудування. Проте, хоча турбіна Лаваля і сприяла подальшому розвитку турбобудування, через недосконалість конструкції вона не набула великого поширення.

Рішуче зрушення в справі використовування парових турбін на електричних станціях провела турбіна англійського інженера Чарльза Парсонса (1854−1931), що створив першу турбіну в 1884—1885 рр. Парова турбіна Парсонса принципово відрізнялася від турбіни Лаваля. В ній була застосована багатоступінчата конструкція реактивного типу.

Турбіна Парсонса складалася з ряду поміщених на одному валу вінців лопаток особливої конструкції: між вінцями лопаток, що обертаються, поміщалися нерухомі ряди таких же лопаток, направлених в протилежну сторону. Ці так звані реактивні лопатки і складають особливість винаходу Парсонса. Реактивні лопатки Парсонса були апаратом, в якому відбувалося перетворення потенційної енергії пари в кінетичну енергію і перетворення останньої в механічну роботу. Парсонс надав лопаткам форму, при якій перетин між лопаточних каналів зменшувався по напряму закінчення пари. Таким чином, лопатки Парсонса утворювали як би насаджені на вал сопла, з яких, розширяючись, закінчується пара. Механічна робота при цьому виходила як за рахунок активної, так і за рахунок реактивної дії парового струменя. В протилежність одноступінчатій турбіні Лаваля, де енергія тиску пари вся відразу в соплі перетворювалася в енергію руху, турбіна Парсонса була багатоступінчатою. В цій турбіні енергія тиску, поступово знижуючись із ступеня на ступінь, від одного вінця лопаток до іншого, перетворювалася на енергію руху.

Турбіни Парсонса набули набагато більше поширення, ніж турбіни Лаваля. Вони з самого свого виникнення були розраховані для використовування на електростанціях, гостро потребуючих в подібного роду двигунах.

У 1899 р. французький інженер Огюст Рато створив активну багатоступінчату турбіну, яка була в порівнянні з турбіною Парсонса новим кроком в турбобудуванні. В ній утілилися нові технічні принципи конструювання турбін. Турбіна Рато набула велике поширення в Європі, особливо в Швейцарії, Німеччині і Франції. Вона виявилася більш економічною, ніж турбіна Парсонса. В Америці велике поширення набула турбіна Ч. Кертіса, яка також була активною багатоступінчатою турбіною.

До кінця даного періоду потреба в новому тепловому двигуні була повністю задоволена. Була створена могутня парова турбіна, що цілком задовольнила потреби електроенергетики, що швидко розвивалася. Промисловість розвинених капіталістичних країн освоїла виробництво парових турбін великої потужності, що володіли великою швидкохідністю.

5. Зростання вживання електрики

Характерною особливістю розвитку техніки після першої світової війни є швидко зростаюче вживання електрики у всіх галузях техніки. Впродовж XX ст. вироблення електроенергії постійно ростло. З 1900 по 1957 р. виробітка електроенергії в капіталістичних країнах виросла майже в 100 разів. В 1900 р. у всьому світі було вироблено 15 млрд. квт-ч електроенергії, в 1913 р. виробітка електроенергії склала вже 35−40 млрд. квт-ч. Перед другою світовою війною (1938 р.) виробіток електроенергії досяг 456 млрд. квт-ч. Після другої світової війни виробництво електроенергії продовжувало рости. В 1950 р. було вироблено 950 млрд. квт-ч, в 1952 р. — 1017 млрд. квт-ч, в 1954 г. — 1346 млрд. квт-ч, а в 1957 р. тільки в капіталістичних країнах було вироблено 1470 млрд. квт-ч, причому майже половина її доводилася на частку США.

Зростання вироблення електроенергії зумовило серйозні у виробництві і рішенні проблеми використовування електрики у всіх областях матеріального життя суспільства.

Якщо на перших етапах розвитку електротехніки електрика використовувалася в основному лише для освітлення, то потім у все більшій кількості починає уживатися на силові потреби в промисловості. Росте значення електроенергії на транспорті, в сільському господарстві, в металургії і, нарешті, в хімічній промисловості. В 1945 р. в США для освітлення витрачалося 7,74% всієї виробленої електроенергії, в силових двигунах -63,24, в електропечах — 13,67, для електролітичних процесів -13,13% електроенергії, інші витрати склали 2,22%. В 1955 г. промисловість США зажадала більше половини виробленої в країні електроенергії.

Величезне зростання вживання електрики в промисловості було підготовлено попитом всіх галузей виробництва на новий, більш досконалий сучасний двигун, на нову технологію в металургії і хімії. Електроенергія перетворила технологічні процеси в хімічній і металургійній промисловості і в багатьох інших галузях виробництва. Електрика в XX ст. стало самим універсальним видом енергії в техніці.

6. Підвищення економічності електростанцій

На початку XX ст. у електробудівництві, що все розширялося, у ряді країн з’являються так звані районні теплові електростанції (РЕС), на яких централізується вироблення електроенергії для потреб цілих районів з їх світловими і виробничими навантаженнями. Поширені до появи районних електростанцій міські станції обслуговували звичайно окремі райони міста, ту або іншу окрему групу підприємств або житлові квартали з побутовим споживанням; деякі станції виробляли енергію для потреб міського транспорту (трамвай). Поява РЕС означала, перш за все, тенденцію до підвищення економічності методів отримання електроенергії (тобто роботи електростанцій), причому цьому у величезному ступені сприяло введення в практику могутніх турбогенераторів.

Вже до початку 30-х років потужність окремих теплових станцій у ряді випадків перевищувала 0,5 млн. кВт при одиничній потужності агрегатів до 150−200 тис. кВт. Нині стало звичним, що потужність теплових районних електростанцій складає декілька сотень тисяч кіловатів. Сучасні могутні електростанції досягають величезних розмірів. Проліт машинного залу головного корпусу станції складає 30−50 м, довжина — більше 200 м, висота 40−50 м.

Великий об'єм капітального будівництва робить украй важливим питання про зниження вартості і прискорення термінів будівництва електростанцій. Це досягається широким використовуванням збірного залізобетону, індустріальних методів будівництва, ретельною продуманістю проекту станцій.

Підвищення економічності теплових електростанцій супроводжується зростанням їх потужності і органічно пов’язане з підвищенням технічних параметрів теплосилового устаткування. Якщо в 1900;1910 рр. одинична потужність паротурбинного агрегату крупної електростанції складала не більше 10−25 тис. кВт, то в 1950 р. вона досягла 100−150 тис. кВт. Шляхом підвищення тиску і температури водяної пари, що поступає в турбіни, досягається підвищення економічності теплових електростанцій за рахунок зменшення питомої витрати пари в турбіні (тобто зменшення питомої витрати тепла на кВт-ч).

У даний час на теплових електростанціях широко поширені теплосилові установки з початковими параметрами пари 90 атм, 535 °C. В сучасних паротурбінних установках ККД виріс до 25−30% в порівнянні з 4−5% на перших електростанціях і 9−11% на початку 20-х років. В паротурбінній установці з тиском пари в 30 атм. загальний ККД складає 23−25%, в установках з тиском в 100 атм. — 30%, а при 170 атм. — до 34−38%.

Разом з тим подальше підвищення тиску і температури пари викликає ряд технічних труднощів, зокрема падає ефективність роботи в спеціальних паросепараційних пристроях котлів, за допомогою яких в звичних умовах усувається можливість відкладення солей на робочих органах турбін. Проте, всі переваги роботи на високих параметрах пари настійно диктують необхідність подальшого науково-технічного прогресу в цій області (і, перш за все в металургії сталі).

У підвищенні економічності теплових станцій велику роль зіграв розвиток топочно-котельної техніки: перехід до могутніх котлоагрегатів, новим методам спалювання великої кількості тепла, широкої механізації процесів подачі і приготування деяких видів палива. З 30-х років в технології спалювання палива починається перехід до крупних котельних паливень (з водяним екраном) для спалювання твердого палива в пилоподібному стані.

По характеру теплового процесу крім конденсаційних турбін виділяються спеціальні турбіни — з противотиском і проміжним відбором пари, Спеціальні турбіни почали з’являтися в основному з 20-х років для установок комбінованого вироблення електроенергії і тепла (згодом — ТЕЦ).

На сучасних електростанціях застосовуються і передвключені турбіни — з високим початковим тиском пари і високим противотиском, коли відпрацьована в них пара поступає в звичні турбіни, а також турбіни високого тиску з проміжним (вторинним) перегрівом пари (перегріву піддають пару з проміжного ступеня турбіни), чисто реактивні турбіни, паротурбінні установки із застосуванням ртутно-водяного бінарного циклу і, нарешті, транспортні турбіни (в основному суднові).

7. Електричні мережі і системи

Районні електростанції звичайно працюють паралельно між собою — на загальну електромережу — і об'єднуються в окремі крупні енергетичні системи. Крупні гідростанції є найважливішим елементом енергетичної системи, яка сама по собі є сукупністю електростанцій і електричних мереж. Слід зазначити, що гідроелектростанції доцільно використовувати в системі для зняття «піків» добового графіка завантаження. Об'єднання електричних станцій здійснюється районними електромережами, а об'єднання енергосистем в єдину енергетичну систему — єдиною високовольтною мережею. Електромережа зв’язує ці електростанції між собою і із споживачами енергії.

Об'єднання електростанцій загальною високовольтною мережею в єдину систему має великі технічні і економічні переваги і грає першорядну роль в розвитку електрифікації всіх країн.

Початок розвитку електромереж був встановлений на початку XX ст. створенням лінії розподільної мережі районних станцій напругою 6−35 ква. Це підготувало грунт для переходу до електропередач більш високої напруги, і вже в 1907 р. в США була лінія напруги в 110 кв. Перша в Європі лінія електропередачі на 110 кв була створена в 1912 р. в Німеччині. В 1922 р. в США була побудована лінія електропередачі напругою в 220 кв. До 1927 р. загальна протяжність високовольтних електроліній (напругою від 13 до 220 кв) склала в США близько 80 тыс.км., проте ці лінії відрізнялися крайньою різноманітністю вживаного вольтажу. В 1922 р. в Радянському Союзі була вперше створена лінія електропередачі напругою 110 кв (лінія Шатурська РЕС — Москва). Всі ці електролінії працювали на змінному струмі.

Починаючи з 30-х років досягнуті значні успіхи в будівництві електросистем. В Англії в 1936;1937 рр. в основному була закінчена і введена в експлуатацію єдина високовольтна мережа (так звана Трід") загальною протяжністю близько 8 тис. км. До цієї мережі були приєднані електростанції потужністю приблизно в 9 млн. квт. В 1946 р. Трід" включала 142 електростанції зі встановленою потужністю вже в 11,6 млн. квт, а в 1951 р. — 289 станцій потужністю в 14,5 млн. квт. В 1957 р. потужність з'єднаної енергосистеми Англії перевищила 20 млн. квт.

8. Електрична тяга

З самого початку нашого століття електроенергія все більш широко використовується на залізницях, що є найважливішим видом транспорту XX ст. Протяжність залізниць за останні півстоліття зросла приблизно удвічі. Паровоз, що вірно служив понад 100 років, впродовж нашого століття все більш поступається місцем новим, більш могутнім і економічним локомотивам, зокрема електровозам. Якщо у паровоза ефективний коефіцієнт корисної дії практично складає 4−5% і не перевищує 6−8%, а загальний ККД нижче 10%, то ККД електровозів (при отриманні електроенергії від теплової електростанції) досягає 16−19%, причому коефіцієнт корисної дії електровоза значно підвищується при використовуванні енергії ГЕС.

У результаті зростання вироблення дешевої електроенергії, що поступає з крупних енергосистем, в XX ст. були створені необхідні передумови для широкого упровадження електричної тяги на залізницях. На електрифікованих залізницях джерелом енергії є звична електростанція, а локомотив-електровоз одержує електроенергію ззовні за допомогою контактної мережі і струмоприймальників.

У 20-х роках починається електрифікація залізниць в США, Франції, Італії, Німеччини, а також в СРСР, але в цілому електрифікованих залізниць в цей час було мало (та і зараз частка електрифікованих залізниць в загальній світовій їх мережі складає приблизно 4%).

З кінця 900 років в деяких країнах починає встановлюватися своя основна система струму для електротяги, причому особливе значення має система однофазного струму зниженої частоти, постійного струму і частково трифазного струму. В 1920 р. в США залізниці були електрифіковані з вживанням в основному постійного струму напругою 1500 в (і частково до 3000 в). У Франції була прийнята система постійного струму, в Італії - трифазного струму напругою в 3000—4000 в. В Німеччині, Швеції, Швейцарії, Норвегії в 20-х роках на електрифікованих залізницях використовувався також однофазний струм зниженої частоти напругою до 15 кв.

У перші роки після упровадження електричної тяги система постійного струму, повністю себе виправдавши, набула найбільше поширення. В даний час більше 67% електрифікованих магістральних залізниць миру працюють на постійному струмі. Але зростання вантажообігу залізниць, необхідність підвищення швидкості руху потягів зажадали розробки більш ефективної системи тяги, перш за все на основі використовування переваг змінного струму промислової частоти і підвищеної напруги. Вживання змінного струму значно скорочує витрати на споруду тягових підстанцій завдяки зменшення їх числа і спрощення устаткування, а також зменшує експлуатаційні витрати залізниць і приводить до економії кольорових металів за рахунок зменшення перетину дротів контактної мережі.

Хоча вперше електрифікація залізничних ліній на однофазному струмі промислової частоти була здійснена в Угорщині ще в 1934 р., лише останніми роками намітився перехід на надзвичайно прогресивну систему тяги на однофазному струмі промислової частоти напругою в 20 000−25 000 в. В цьому випадку тягові двигуни електровоза можуть працювати на постійному струмі зниженої напруги, причому трансформація і перетворення струму проводяться не на підстанціях, а на установках, включених в електричну схему самого електровоза.

Успіхи електровозобудування в значній мірі пов’язані з прогресом в області створення електродвигунів і перетворювачів струму. В 50-х роках всі починають застосовуватися напівпровідникові силові випрямлячі. В кінці 1955 р. вперше в Англії був створений перший силовий (германієвий) випрямляч, розрахований на 1 тис. кВт, і запроектований випрямляч до 18 тис. кВт.

Останніми роками все більше застосовуються могутні напівпровідникові випрямлячі на основі кремнію. Ці випрямлячі відрізняються високим ККД (99,6%). Вони дозволяють випрямляти змінний струм значної потужності напругою більше 500 в. Велика кількість різних кремнієвих випрямлячів в даний час випускається, наприклад, фірмою «Сименс-Шукерт» (ФРН).

9. Вдосконалення електроприводу і упровадження електроенергії в технологічні процеси виробництва

З початку XX ст. в силовому апараті виробництва відбувається розширення сфери вживання електроприводу, що є основою комплексної механізації і автоматизації виробничих процесів в промисловості.

У області електрифікації робочих машин украй важливим є розвиток електроприводу, упровадження найдосконаліших типів електроприводів: перехід до одиночного (індивідуального) і - головне — багаторуховому електроприводу з широко розвиненою системою регулювання і автоматики. У тому випадку, коли кожний робочий орган єдиної машини приводиться в рух окремим електродвигуном, основою розвитку електроприводу є розвиток автоматичного управління його роботою. Багаторуховий електропривод, що забезпечує автоматичне виконання виробничих операцій і узгодження окремих рухів, тобто автоматизований електропривод, набув величезне поширення, бо за рахунок більш точного і плавного регулювання швидкості підвищується продуктивність верстата і полегшується праця робітників.

Саме у зв’язку з розвитком автоматики, як регуляторів струму, широке поширення набули генератори постійного струму. Велике значення при цьому мало розповсюдження регульованого електроприводу постійного струму, живленого від окремого генератора (система «генератор-двигун» або від іонного перетворювача, наприклад ртутного випрямляча (система «іонний перетворювач — двигун»). Дослідження в цій області почалися в 90-х роках XIX ст. Надалі вони привели до значного спрощення кінематики виробничих машин і зменшення числа вузлів тертя між електродвигуном і робочим органом.

З широким розвитком систем автоматичного регулювання велике поширення набули так звані електромашинні регулятори, або підсилювачі, — ЕМП, що є одним з найважливіших елементів систем автоматизованого електроприводу. Все ширше стали застосовуватися електронно-іонні (лампові), потім магнітні, а останніми роками напівпровідникові підсилювачі. За допомогою малих потужностей ці підсилювачі дозволяють управляти крупними механізмами. Електромашинні підсилювачі (ЕМП) почали розповсюджуватися в кінці 30-х років і в даний час широко використовуються в промисловості.

Нарешті, треба звернути увагу на швидкий розвиток малих електродвигунів потужністю менше 0,5 л.с. і мікродвигунів потужністю 0,001−0,0005 л.с. За останні роки особливо розвинулася область спеціальних малих двигунів для потреб автоматики, авіації, рахунково-вирішальних пристроїв, а також для побутових електроприладів (наприклад, електробритв).

Упровадження електрики йде по лінії обробки деталей і виробів (вживання індукційного нагріву в поєднанні з механічною обробкою за допомогою струмів високої частоти, анодно-механічна обробка металів, електрохімічний і електроіскровий способи обробки металів і ін.).

Для нагріву металу в рідкому середовищі при хімічній або хіміко-термічній обробці (гарті, відпустці і ін.) застосовуються ванні печі, в яких нагрівання середовища і підтримку заданої температури можна здійснювати за допомогою електрики (внутрішній обігрів ванної печі). Переваги електронагріву — хороше використовування тепла, можливість досягнення щонайвищих температур, зручності регулювання температури ванни, можливість отримання чистого металу. Нагрів металу за допомогою електрики знайшов широке вживання в техніці як при механічній (в основному тиск), так і при термічній обробці. Великий інтерес представляють електричні печі (феросплавні, сталеплавильні, термічні і ін.), які зараз широко використовуються в металургії. Місткість електроплавильних печей досягає 180 т, а потужність — до 34 000 кВт в одному агрегаті.

Ідея використовування електричного струму для плавки металу виникла давно — на самому початку XIX ст. Але умови для упровадження електрики в металургію склалися лише в XX ст., коли будівництво економічних теплових електростанцій і особливо гідроелектростанцій сприяло різкому зниженню вартості електроенергії. З другого боку, в XX ст. різко зріс попит на леговану сталь.

Вперше електрична енергія починає застосовуватися в печах як джерело тепла у Франції в 90-х роках XIX ст. В 1898—1899 рр. винахідники Э. Стассно в Італії і П. Еру у Франції створили цілком працездатні дугові печі для плавки сталі, а також для рудовідновлювальної плавки, які одержали потім широке практичне вживання.

Особливий інтерес заслуговують індукційні електропечі, в яких тепло виділяється в матеріалі, що нагрівається, в результаті збудження в ньому вихрових струмів (якщо матеріал — електричний провідник) або за рахунок діелектричних втрат (якщо матеріал — діелектрик).

Виділення тепла в матеріалі, викликане змінними магнітними і електричними полями, було відоме ще в XIX ст. Довгий час з цим явищем боролися. Проте в нашому столітті ці, здавалося, цілком не бажані, явища вдалося не тільки використовувати в техніці для певної мети, але при цьому і значно усилити. В результаті був одержаний новий метод технологічного нагріву, значною мірою обумовлений розвитком техніки високих частот — в основному радіотехніки.

Потребу в нових, високоміцних і спеціальних сталях стимулював розвиток нових методів термообробки, зокрема поверхневого гарту, а також плавки металів. Широке вживання у ряді галузей народного господарства одержав індукційний нагрів різних неметалічних виробів і матеріалів (наприклад, сушка деревини і кераміки струмами високої частоти).

За роки після другої світової війни в промисловій електротермії з’явився новий напрям, пов’язаний зі все більш широким вживанням нагріву діелектриків (а також напівпровідників) в електричному полі - діелектричний нагрів. В цьому випадку матеріал, що нагрівається, знаходиться в електричному полі конденсатора, до якого підведена напруга високої частоти; струми в матеріалі викликають виділення в ньому тепла і його нагрів. Такий нагрів використовується при швидкісній сушці деревини, паперу, пряжи, зерна, для склеювання деревини, зварювання і пресування пластмас, вулканізації каучуку і т.д.

Нарешті, в області вживання струмів високої частоти слід зазначити перспективи переходу транспорту на систему безконтактного наземного високочастотного електротранспорту.

Одним з найважливіших вживань електрики в XX ст. є електрозварювання. В 1927 р. Д. Дульчевским був розроблений спосіб дугового електрозварювання міді під шаром порошкоподібного пальної речовини (флюсу), що лягло в основу розробленого пізніше в СРСР способу автоматичної зварки. В 1932 р. К. К. Хреновым був розроблений спосіб підводної зварки електродугою і різання металів. Перед другою світовою війною в результаті робіт академіка Е. О. Патона була освоєна і упроваджена в промисловість автоматична швидкісна зварка під шаром флюсу, що нині одержала широке вживання в промисловості.

Висновок

За останні 40−50 років електроенергетична техніка зазнала великі якісні і кількісні зміни. Невимірно збільшилися потужності електростанцій. Найважливіше значення придбали найбільші ГЕС. Широкий розвиток одержали електричні мережі і енергетичні системи. В десятки разів збільшилися одиничні потужності турбогенераторів теплових електростанцій. Одержали повний розвиток установки теплофікацій. Автоматика проникла як в область виробництва електроенергії (наприклад, централізоване управління гідростанціями), так і в область її використовування (удосконалення електроприводу). Швидко росте вживання електрики безпосередньо в технологічних процесах виробництва. Наприклад, створені перші могутні атомні електростанції. Разом з тим електрична енергія стала широко використовуватися і в побуті.

Література

1. Аптекарь М. Д., Рамазанов С. К., Фрезер Г. Е. История инженерной деятельности. — Киев: изд-во «Аристей», 2003.

2. Электрик — журнал — 2008, № 4, с.52−69